La résistance au cisaillement des sols est la capacité d’un sol à résister aux forces qui tendent à le faire glisser ou se déformer sous l’effet d’une contrainte. Elle dépend de trois paramètres principaux :
🔹 La cohésion (c) : l’adhésion entre les particules du sol.
🔹 L’angle de frottement interne (𝜙) : la résistance due à l’interverrouillage des grains.
🔹 La pression interstitielle (u) : l’influence de l’eau dans les vides du sol.
Elle est essentielle en géotechnique pour assurer la stabilité des pentes, des fondations et des ouvrages de soutènement. 💡🏗️
Résistance au cisaillement des sols : définition et importance
La résistance au cisaillement « τ » d’un sol est définie par la loi de Coulomb :
- τ = résistance au cisaillement du sol (Pa ou kPa),
- c = cohésion du sol (Pa ou kPa),
- σ = contrainte normale effective (Pa ou kPa),
- φ = angle de frottement interne du sol (°)
Cette formule s’applique aux sols cohérents (argiles) et aux sols granulaires (sables, graviers), où :
- Les argiles ont une cohésion importante mais un faible frottement interne.
- Les sables et graviers ont une cohésion quasi nulle mais un frottement interne élevé.
Différents Type de Comportement des Sols « à Court et Long Terme »
Le comportement d’un sol dépend en général des conditions de drainage de l’eau, de la perméabilité du sol, ainsi que de la vitesse de chargement .
À court terme, quand une charge est appliquée rapidement, l’eau dans le sol ne peut pas s’échapper, et la résistance est contrôlée par la cohésion non drainée.
À long terme, l’eau peut s’échapper, et la résistance devient influencée par la pression interstitielle et la contrainte effective, entraînant un comportement drainé.
Ces deux situations sont cruciales pour évaluer la stabilité du sol.
🔸 À Court Terme
- Juste après l’application d’une charge, l’eau interstitielle ne peut pas s’échapper immédiatement, donc l’eau supporte toute augmentation de la contrainte totale, consolidation primaire.
- La pression interstitielle (u) augmente, ce qui réduit la contrainte effective (σ′).
- La résistance au cisaillement est principalement contrôlée par la cohésion non drainée Cu.
En conditions non drainées, l’angle de frottement non drainé (ϕu) est souvent considéré comme nul (ϕu=0∘) dans les analyses en contraintes totales.
Cela signifie que la résistance au cisaillement du sol ne dépend pas de la contrainte normale appliquée, mais uniquement de la cohésion non drainée (Cu). D’où la forme simplifiée du critère de Mohr-Coulomb en conditions non drainées :
🔸 À Long Terme
À long terme, sous l’effet du drainage, la pression interstitielle se dissipe progressivement, ce qui entraîne une transition du comportement non drainé (contrainte totale) vers un comportement drainé (contrainte effective).
MESURE DES CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES
Le comportement des sols et leurs caractéristiques mécaniques sont évalués à travers trois principaux essais.
Ces essais sont réalisés en variant les conditions de charge, de consolidation et de drainage pour obtenir des informations sur la résistance et la déformation du sol dans des scénarios variés.
1.Essai Triaxial
- Objectif : Mesurer la résistance au cisaillement du sol dans des conditions contrôlées et déterminer la déformation sous diverses contraintes.
- Paramètres mesurés :
- Cohésion (c) : La résistance interne du sol sans friction.
- Angle de frottement (ϕ) : La résistance au cisaillement dépend de la contrainte normale.
- Module de déformation (E) : La rigidité du sol sous charge.
- Utilisation : Essai complet, applicable à la fois aux sols cohésifs (argiles) et non cohésifs (sables). Il est plus adapté pour des conditions complexes comme les sols saturés et les contraintes diverses (consolidé-drainé, non drainé, etc.).
- Choix : Privilégié pour les analyses avancées sur la résistance au cisaillement et la déformation.
2.Essai de Cisaillement Direct
- Objectif : Mesurer la résistance au cisaillement sous des conditions simples, principalement pour les sols fins ou granulaires.
- Paramètres mesurés :
- Cohésion (c) : Résistance du sol sans influence de la friction.
- Angle de frottement (ϕ) : Résistance au cisaillement en fonction de la pression normale.
- Utilisation : Adapté aux sols fins comme les argiles et les sables fins, où il est important de mesurer la résistance au cisaillement sans déformations complexes.
- Choix : Idéal pour des sols peu compressibles ou ceux dont la granularité est faible, où un test plus rapide est requis.
3.Essai de compression simple
- Objectif : Mesurer la résistance à la compression et observer les déformations sous une charge appliquée.
- Paramètres mesurés :
- Résistance à la compression : Force nécessaire pour déformer le sol.
- Déformation sous charge uniaxiale : Comment le sol se tasse ou se déforme sous pression.
- Utilisation : Essai simple souvent utilisé pour des sols non consolidés, ou ceux qui ne peuvent pas être testés dans des conditions triaxiales, comme des sols plus meubles ou des matériaux non saturés.
- Choix : Recommandé pour des tests rapides sur des matériaux à faible résistance ou pour des sols à comportement homogène sous charge.
Choix selon les besoins :
- Comportement complexe et sol saturé : Choisissez l’essai triaxial .
- Sol fin ou non saturé : Choisissez l’essai de cisaillement direct .
- Matériaux non consolidés ou sols meubles : Choisissez l’essai de compression simple .
Essai triaxial en géotechnique : principe, types et paramètres clés
L’essai triaxial est l’un des tests les plus utilisés en géotechnique pour évaluer la résistance mécanique des sols. Il permet de mesurer la résistance au cisaillement, la cohésion et l’angle de frottement interne sous différentes conditions de charge et de drainage.
Principe de l’essai triaxial
Un échantillon de sol cylindrique est placé dans une enceinte remplie d’eau, soumise à une pression confinante (σ3) pour simuler les conditions du sol en profondeur. Une contrainte axiale (σ1) est ensuite appliquée jusqu’à la rupture du sol, tout en contrôlant le drainage et la pression interstitielle selon le type d’essai.
Types d’essais triaxiaux
1.Essai Triaxial Type UU – Non Consolidé, Non Drainé
- Principe : L’échantillon n’est pas consolidé avant le cisaillement, et aucun drainage n’est permis pendant l’essai. Ce type d’essai simule des conditions immédiates après un chargement rapide.
- Paramètres mesurés :
- Cohésion apparente (Cuu) : Résistance à la rupture sans effet de la friction, évaluée sous les contraintes totales.
- Angle de frottement apparent (ϕuu) : Résistance au cisaillement vérifiée sous les contraintes totales.
2.Essai Triaxial Type CD – Consolidé, Drainé
- Principe : L’échantillon est d’abord consolidé sous une contrainte verticale, puis soumis à un cisaillement où le drainage est autorisé. Ce type d’essai simule des conditions à long terme où le sol peut se drainer.
- Paramètres mesurés :
- Cohésion efficace (c′) : Résistance à la rupture du sol, après prise en compte de la pression interstitielle.
- Angle de frottement effectif (ϕ′) : Résistance au cisaillement, basée sur les contraintes effectives, après évacuation de l’eau interstitielle.
3.Essai Triaxial Type CU+u – Consolidé, Non Drainé avec Mesure de la Pression Interstitielle
- Principe : L’échantillon est consolidé sous une contrainte verticale avant le cisaillement, mais aucun drainage n’est autorisé pendant le test. La pression interstitielle est mesurée pendant l’essai.
- Paramètres mesurés :
- Cohésion efficace (c′) : Résistance à la rupture du sol, après prise en compte de la pression interstitielle.
- Angle de frottement effectif (ϕ′) : Résistance au cisaillement basée sur les contraintes effectives.
- Cohésion non drainée (Cu) : Mesure de la résistance à la rupture du sol sans drainage.
- Taux d’augmentation de la cohésion non drainée avec la pression de consolidation (λcu) : Évolution de la cohésion non drainée en fonction de la pression de consolidation appliquée.
Importance de l’essai triaxial
Cet essai est essentiel pour la conception des fondations, des remblais et des ouvrages de soutènement. Il permet d’anticiper le comportement des sols sous charge, de dimensionner les structures géotechniques et de prévenir les risques de rupture ou de tassement excessif.
C’est un test incontournable pour assurer la sécurité et la durabilité des infrastructures ! 🚧🌍
Paramètres obtenus lors de l’essai triaxial
En plus des paramètres de résistance, l’essai triaxial permet de déterminer les modules de déformation , qui sont essentiels pour les calculs de tassement et la modélisation du comportement des sols :
- E50: Module de déformation en petite déformation
- → Décrit la rigidité du sol pour une déformation de 50 % de la résistance maximale.
- Eréf: Module de référence
- → Utilisé dans la modélisation numérique des sols (ex. PLAXIS).
- Eur: Module de rechargement/unloading
- → Décrit la capacité du sol à récupérer sa forme après déchargement.