Comprendre la Consolidation des Sols : Définition, Phases et Impact sur le Tassement

La consolidation des sols est un processus naturel qui influence la stabilité des structures. Comprendre ce phénomène est essentiel en géotechnique.

La consolidation d’un sol correspond à la diminution progressive de son volume sous l’effet d’une charge appliquée, en raison de l’évacuation de l’eau interstitielle contenue dans les vides du sol.

On distingue deux types de sols :

• Les sols grenus ou pulvérulents (sables et graviers) : leur consolidation est quasi immédiate, car leur perméabilité permet une dissipation rapide des pressions interstitielles.
• Les sols cohérents (argiles et limons) : leur faible perméabilité entraîne une consolidation lente, nécessitant une période prolongée pour atteindre l’équilibre de contrainte.

La consolidation des sols : Définition et principes

Un sol est composé de trois phases : l’air, l’eau et les grains solides.

Lorsqu’une charge est appliquée sur un sol saturé, l’eau interstitielle supporte d’abord toute la contrainte, car elle est peu compressible. À ce stade, le sol ne se déforme pas immédiatement, puis, au fil du temps, l’eau s’évacue progressivement sous l’effet de la perméabilité du sol, transférant la charge au squelette solide. Ce transfert entraîne un tassement lent et progressif du sol.

Ce phénomène peut être illustré par un modèle simple :

1. État initial t=0 : Le sol est au repos, sans surcharge.
2. Application de la charge : L’eau supporte toute la contrainte, augmentant la pression interstitielle.
3. Évacuation de l’eau (consolidation primaire) t=t₁ : En ouvrant une vanne imaginaire, l’eau s’écoule progressivement sous l’effet de la perméabilité du sol, réduisant la pression interstitielle c’est la surpression interstitielle, tandis que le sol commence à supporter la charge. Ce processus est décrit par la théorie de consolidation de Terzaghi par le phénomène de tassement.
4. Équilibre final et consolidation secondaire (fluage) t=t₂>>t₁ : Après l’évacuation complète de l’eau interstitielle, le sol continue à se déformer lentement sous l’effet du réarrangement des particules et de la déformation visqueuse du matériau.

📌 À retenir : Compressibilité, Consolidation et Tassement

La Compressibilité est une propriété du sol, définit la capacité d’un sol à diminuer de volume sous l’effet d’une charge appliquée.

La Consolidation est un processus temporel qui entraîne une réduction de volume du sol sous l’effet d’une charge, provoqué par l’évacuation progressive de l’eau interstitielle « suppression interstitielle ». Elle est divisée en deux phases :

• Consolidation primaire : Phénomène décrit par la théorie de Terzaghi (1925), où l’évacuation de l’excès de pression interstitielle s’effectue sous l’effet de la perméabilité du sol, entraînant un tassement progressif.
• Consolidation secondaire (fluage) : Déformation additionnelle du sol après la fin de la consolidation primaire, provoquée par le réarrangement des particules solides et le comportement visco-plastique du sol.

Le Tassement est le résultat final du chargement et la diminution verticale du sol sous une charge appliquée comprend trois composantes (Terzaghi et al., 1996) :

1. Tassement immédiat : Déformation instantanée du sol, principalement élastique.
2. Tassement de consolidation primaire : Dû à l’évacuation de l’eau interstitielle.
3. Tassement par fluage (consolidation secondaire) : Déformation différée due aux réarrangements internes des particules solides.

Ainsi, ces trois notions sont interdépendantes : un sol compressible subira une consolidation, qui elle-même se traduira par un tassement mesurable.

Importance des paramètres de compressibilité, consolidation et tassement en géotechnique

Ces trois paramètres sont essentiels pour garantir la sécurité et la durabilité des ouvrages construits sur ou dans le sol.

Compressibilité

1. Permet d’évaluer la capacité du sol à se déformer sous une charge.
2. Influencer le choix des fondations (superficielles ou profondes).
3. Aide à soigner les tassements à long terme pour éviter des désordres structurels.

Consolidation

1. Déterminez la vitesse de tassement des sols saturés sous charge.
2. Permet d’anticiper les déformations différées des infrastructures.
3. Essentielle pour les projets sur sols argileux où la consolidation peut durer plusieurs années.

Tassement

1. Indique l’amplitude des déformations du sol sous charge.
2. Permet d’éviter des dommages aux structures (fissures, affaissements).
3. Guide des études de dimensionnement des fondations et des solutions d’amélioration du sol.

👉 Une mauvaise prise en compte de ces paramètres peut entraîner des désordres graves : instabilité des bâtiments, fissuration des infrastructures, voire effondrement des ouvrages.

Étude des phénomènes de comportements des Sols : Méthodes et Essais

L’étude de ces phénomènes consiste à analyser la relation entre la contrainte appliquée et la déformation du sol. Elle peut se faire par :

1. Essais en laboratoire
   • Oedomètre : permet de mesurer la variation de l’indice des vides sous différentes charges appliquées progressivement.
   • Essai triaxial (CD – Consolidated Drained) : permet d’évaluer la déformation sous drainage contrôlé.
2. Essais in situ
   • Essai de chargement de plaque : mesurer le tassement sous charge statique appliqué sur une plaque rigide.
   • Essai pressiométrique : donne une estimation des modules de déformation du sol sous contrainte.

Principe de l’essai œdométrique

L’essai consiste à soumettre un échantillon de sol saturé à une série de charges croissantes dans une cellule œdométrique, tout en mesurant le tassement au fil du temps.

L’échantillon est contraint latéralement (pas de déformation horizontale) et ne peut se consolider que verticalement sous l’effet de la charge.

👉 Objectif : Étudier la variation de l’indice des vides e en fonction de la pression verticale σ′ et du temps.

Paramètres déterminés à partir de l’essai œdométrique

L’essai permet de déterminer plusieurs paramètres de consolidation et de compressibilité :

A. Paramètres de compressibilité

Ces paramètres caractérisent la capacité du sol à se déformer sous charge :

Indice de compression Cc

Définition : Mesure la variation de l’indice des vides e lors de la consolidation primaire sous une charge croissante.

Δe : Variation de l’indice des vides,

σ1′,σ2’: Pressions effectives avant et après chargement.

👉 Interprétation : Plus Cc est élevé, plus le sol est compressible.

Indice de gonflement ou de recompression Cs

Définition : Mesure la variation de l’indice des vides lors d’une décharge du sol (rebond élastique).

👉 Interprétation : Plus Cs est élevé, plus le sol retrouve son volume initial après suppression de la charge.

Module de compressibilité Mv

Définition : Paramètre utilisé pour exprimer la raideur du sol en compression verticale.

Δσ′ : Variation de contrainte effective,

Δϵ : Variation de déformation verticale.

👉 Interprétation : Plus Mv est élevé, plus le sol est rigide.

Le module œdométrique Eoed est une autre représentation de la compressibilité des sols à l’œdomètre. Il est défini comme suit :

B. Paramètres de consolidation

Ces paramètres sont utilisés pour déterminer le tassement différé (consolidation secondaire) du sol sous charge :

Pression de préconsolidation σp′

• Définition : Pression maximale que le sol a subie dans le passé.
• Détermination : Graphiquement avec la méthode de Casagrande.

Le rapport de surconsolidation OCR qui caractérise l’état initial du sol est égal à :

👉 Interprétation :

• Si σp′ > pression actuelle σ′, le sol est surconsolidé, Le sol a été soumis dans le passé à une pression de préconsolidation plus importante que le poids des couches supérieures maintenant présentes sur le terrain.
• Si σp′ < pression actuelle σ′, le sol est en cours de consolidation sous l’effet de son poids propre (remblais récents, mal ou non compactés,). Ce sont des sols généralement inconstructibles.
• Si σp′ = pression actuelle σ′, le sol est normalement consolidé, Le sol n’a jamais été soumis à une contrainte supérieure à la contrainte géostatique. Le sol a seulement été consolidé par le poids des couches supérieures actuellement présentes.

Coefficient de consolidation Cv

Définition : Le coefficient de consolidation Cv se détermine à partir de la courbe de consolidation de l’essai œdométrique, qui représente l’évolution de la déformation du sol en fonction du temps sous une contrainte donnée.

• Tv : Facteur de temps (dépend de la courbe de consolidation),
• Hd​ : Épaisseur de drainage,
• t : Temps nécessaire pour atteindre un certain degré de consolidation.

👉 Interprétation : Plus Cv est élevé, plus le sol se consolide rapidement.

Méthodes courantes pour déterminer Cv ​ :

• Méthode de Casagrande (basée sur Tv=0.197 pour 50 % de consolidation),
• Méthode de Taylor (basée sur Tv=0.848 pour 90 % de consolidation).

Temps de consolidation Tv

Le temps de consolidation sans dimension Tv est donné par la relation :

• Tv​ : Temps de consolidation adimensionnel,
• Cv​ : Coefficient de consolidation (m²/s),
• t : Temps réel écoulé (s),
• H : Hauteur de drainage équivalente (m), soit H=H0​ (drainage unilatéral) ou H=H0/2 (drainage bilatéral).

Courbe de consolidation (Tassement vs Temps)

• Phase primaire : La pente initiale est raide, correspondant à l’évacuation rapide de l’eau interstitielle « Tassement instantané ».
• Phase secondaire : La consolidation ralentit progressivement à mesure que la pression interstitielle se dissipe à t100 « fin de la consolidation primaire ».
• Phase tertiaire : Peu de variation de tassement, due au fluage du sol « consolidation secondaire ».

Degré de consolidation U

On appelle degré de consolidation . moyen d’une couche compressible le rapport du tassement St au temps t au tassement final Sf , il est noté U. C’est un nombre sans dimension.

• St​ est le tassement à un instant t,
• Sf​ est le tassement final à la fin de la consolidation.

Le degré de consolidation est lié au facteur de temps adimensionnel Tv par :

Dans les applications pratiques, on utilise souvent les approximations suivantes :

Pour U≤60% :

Pour U>60% :

C. Tassement total d’un sol

Le tassement total (S) sous une charge est la somme de trois composantes principales :

• Si​ = tassement immédiat (élastique),
• Sc​ = tassement de consolidation primaire (lié à la dissipation de l’excès de pression interstitielle),
• Ss​ = tassement de consolidation secondaire (lié à la réorganisation lente des particules du sol).

Tassement immédiat Si (théorie de l’élasticité)

Pour un sol élastique, isotrope et homogène, il est donné par :

où Is​ est un facteur d’influence dépendant de la géométrie de la fondation et des conditions de charge.

Tassement de consolidation primaire Sc (essai œdométrique)

Ce tassement est calculé en utilisant les paramètres issus de l’essai œdométrique :

• Cc​ = indice de compression,
• e0 = indice des vides initial,
• H = épaisseur de la couche compressible,
• σ0​ = contrainte initiale dans le sol,
• σf = contrainte finale après chargement.

Tassement de consolidation secondaire Ss

Il est souvent approximé par :

• Cα​ = coefficient de compression secondaire,
• t0​ = temps de fin de la consolidation primaire,
• t = temps considéré.

Pour estimer le tassement total, on additionne les trois contributions :

🔹 Si​ dépend du module d’élasticité E.
🔹 Sc​ est déterminé via l’essai œdométrique et les paramètres Cc,e0,H,σ0,σf.
🔹 Ss est significatif dans les argiles organiques et les sols compressibles sur le long terme.