Guide Pratique Des Stations de Traitement Des Eaux (Www.livre-technique.com)
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G n i e c i v i l
X a v i e r L a u z i n
Guide pratique desstationsde
traitement deseaux
12566_lauzin_187.indd 1 7/10/09 12:21
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PDT-12566.indd 1 6/10/09 14:51:16
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Dans la mme collection
B. Seemann. Le contrle dtanchit, 2008Y. Xiong. Formulaire de rsistance des matriaux, 2002
collection eurocoDes
Eurocode 2J.-M. Paill. Calcul des structures en bton, 2009J. RouX. Pratique de leurocode 2, 2009J. RouX. Matrise de leurocode 2, 2009
Eurocode 5Y. Benoit, B. legRand et V. taStet. Calcul des structures en bois, 2e dition, 2009
Eurocode 6M. HuRez, N. JuRaSzek et M. Pelc. Dimensionner les ouvrages en maonnerie, 2009
Eurocode 8V. davidovici. Constructions parasismiques ( paratre en 2010)
Le programme des Eurocodes structuraux comprend les normes suivantes, chacune tant en gnral constitue dun certain nombre de parties :EN 1990 Eurocode 0 : Bases de calcul des structuresEN 1991 Eurocode 1 : Actions sur les structuresEN 1992 Eurocode 2 : Calcul des structures en btonEN 1993 Eurocode 3 : Calcul des structures en acierEN 1994 Eurocode 4 : Calcul des structures mixtes acier-btonEN 1995 Eurocode 5 : Calcul des structures en boisEN 1996 Eurocode 6 : Calcul des structures en maonnerieEN 1997 Eurocode 7 : Calcul gotechniqueEN 1998 Eurocode 8 : Calcul des structures pour leur rsistance aux sismesEN 1999 Eurocode 9 : Calcul des structures en aluminiumLes normes Eurocodes reconnaissent la responsabilit des autorits rglementaires dans chaque tat membre et ont sauvegard le droit de celles-ci de dterminer, au niveau national, des valeurs relatives aux questions rglementaires de scurit, l o ces valeurs continuent diffrer dun tat un autre.
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ditions Eyrolles61, bd Saint-Germain75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com
Le code de la proprit intellectuelle du 1er juillet 1992 interdit en effet expressment la photocopie usage collectif sans autorisation des ayants droit. Or, cette pratique sest gnralise notamment dans les tablissements denseignement, provoquant une baisse brutale des achats de livres, au point que la possibilit mme pour les auteurs de crer des uvres nouvelles et de les faire diter correctement est aujourdhui menace.
En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intgralement ou partiellement le prsent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans lautorisation de lditeur ou du Centre Franais dexploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris. Groupe Eyrolles, 2010, ISBN : 978-2-212-12566-5
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Sommaire
Remerciements
............................................................................ 1
Avant-propos ................................................................................. 3
Biographie ...................................................................................... 5
Partie I
Les tudes pralables
1.
Les tudes dimpact ................................................................ 82. Ltude du contenu ................................................................. 93. Ltude gotechnique ............................................................. 10
3.1 Rappels sur la classification des sols et leur comportement ................................................. 103.1.1 Origine des sols ........................................... 103.1.2 Structure des sols ......................................... 113.1.3 Identification des sols .................................. 123.1.4 Cas particuliers des sols pulvrulents
et des argiles ................................................ 193.2 Prsence deau dans les sols ....................................... 19
3.2.1 Eau libre ...................................................... 203.2.2 Eau capillaire ............................................... 243.2.3 Principes de la consolidation des sols ......... 25
3.3 Identification des risques potentiels ........................... 263.3.1 Risque karstique .......................................... 263.3.2 Risque inhrent aux sols gonflants
et rtractables ............................................... 273.3.3 Risque inhrent la ralisation de fondation
sur des sols htrognes .............................. 283.3.4 Risque inhrent linteraction des bulbes
de contraintes ............................................... 293.3.5 Risque inhrent une construction
sur des pentes .............................................. 29
-
II
3.3.6 Risque inhrent au gel et dgel des sols ........................................................ 32
3.3.7 Risque de liqufaction des sols ................... 333.4 Rle de ltude gotechnique, moyens
dinvestigation, missions normalises ........................ 343.4.1 Le rle de ltude gotechnique .................. 343.4.2 Les moyens dinvestigation ......................... 343.4.3 Les diffrentes missions gotechniques
normalises (selon la NFP 94-500 de dcembre 2006) ...................................... 57
3.5 Consultation du gotechnicien, interprtation du rapport gotechnique ............................................. 613.5.1 Consultation du gotechnicien .................... 613.5.2 Interprtation du rapport gotechnique ....... 61
3.6 Prise en compte au niveau du projet .......................... 68
Partie II
La conception des ouvrages
1.
La fondation ............................................................................ 721.1 Les fondations superficielles ...................................... 72
1.1.1 Textes rglementaires .................................. 721.1.2 Dfinition dune fondation superficielle ..... 721.1.3 Description des diffrents types
de fondations superficielles ......................... 741.1.4 Comportement dune semelle charge ........ 741.1.5 Principe de justification dune semelle
superficielle ................................................. 751.1.6 Cas particulier des radiers et dallage ........... 761.1.7 Exemple de fondations superficielles .......... 78
1.2 Les fondations profondes et semi-profondes ............. 811.2.1 Textes rglementaires .................................. 811.2.2 Dfinition dune fondation profonde
et semi-profonde .......................................... 811.2.3 Pieu soumis une charge verticale :
mode de fonctionnement ............................. 811.2.4 Efforts parasites ........................................... 821.2.5 Classification des fondations profondes ...... 831.2.6 Mode de ralisation ..................................... 85
-
Sommaire
III
1.3 Les renforcements de sols et fondations mixtes ......... 901.3.1 Textes rglementaires .................................. 901.3.2 Dfinition du renforcement ......................... 901.3.3 Principales techniques de renforcement ...... 91
2. Les structures .......................................................................... 1012.1 Notion de rsistance des matriaux ............................ 101
2.1.1 La compression/la traction .......................... 1032.1.2 La flexion pure ............................................ 1042.1.3 Les sollicitations leffort tranchant ........... 1062.1.4 La dformation deffort tranchant ............... 1072.1.5 La torsion ..................................................... 108
2.2 Le bton arm ............................................................. 1082.2.1 Historique du bton arm ............................ 1082.2.2 Textes rglementaires .................................. 1092.2.3 Le bton ....................................................... 1092.2.4 Les aciers ..................................................... 115
2.3 Le bton prcontraint ................................................. 1272.3.1 Le bton prcontraint : origine .................... 1272.3.2 Dfinitions du bton prcontraint ................ 1282.3.3 Principes du bton prcontraint ................... 1282.3.4 Les rglements appliqus ............................ 1312.3.5 Matriaux et technologie du bton
prcontraint .................................................. 1312.3.6 La mise en uvre de la prcontrainte .......... 1372.3.7 Les pertes de prcontraintes
( 3 du BPEL 91) ........................................ 1402.3.8 Actions et sollicitations
( 4 du BPEL 91) ........................................ 1452.3.9 Les classes de prcontrainte
( 6.1.2 du BPEL 91) .................................. 1492.3.10 Rgles complmentaires relatives
aux armatures passives ( 6.1.3 du BPEL 91) .................................. 151
2.3.11 Dfinition des sections ( 5 du BPEL 91) ........................................ 153
2.4 Lacier ........................................................................ 1542.4.1 Textes rglementaires .................................. 1542.4.2 Le matriau acier ......................................... 1542.4.3 Structure gnrale de lossature .................. 159
-
IV
2.5 Les matriaux composites .......................................... 1682.5.1 Composition des matriaux composites ...... 1682.5.2 Compatibilit des matrices
et des fibres .................................................. 1732.5.3 Caractristiques gnrales des matriaux
composites ................................................... 1732.5.4 Application des matriaux composites
la construction ........................................... 1743. Application aux ouvrages hydrauliques ................................. 176
3.1 Gnralits .................................................................. 1763.1.1 Environnement rglementaire ..................... 1763.1.2 Principaux ouvrages concerns ................... 1763.1.3 Diffrents types douvrages ......................... 177
3.2 Principales dispositions du fascicule 74 de mars 1998 .............................................................. 1773.2.1 Classement des ouvrages ............................. 1773.2.2 Contraintes lies au contenu ........................ 1783.2.3 Actions prendre en compte ....................... 1933.2.4 Ouvrages en bton arm .............................. 1943.2.5 Ouvrages en bton prcontraint ................... 1973.2.6 Dispositions particulires applicables
aux fondations ............................................. 1983.2.7 Dispositions particulires applicables
aux rservoirs surlevs ............................... 1993.2.8 Dispositions particulires aux coupoles ...... 2003.2.9 Application aux ouvrages circulaires
et paralllpipdiques .................................. 2003.3 Application de leurocode 2 partie 3
(Silos et rservoirs) : calcul des structures en bton .. 2013.3.1 Domaine dapplication ................................ 2013.3.2 Rfrences normatives ................................ 2013.3.3 Bases de calcul : comparaison EC 2
et fascicule 74 .............................................. 2013.3.4 Dispositions constructives
de leurocode 2 ............................................ 2044. Application aux ouvrages de btiments .................................. 207
4.1 Les contraintes de rsistance et de durabilit ............. 2074.2 Les contraintes de fonctionnement et dentretien ...... 2074.3 Les contraintes de scurit pour le personnel
et le public .................................................................. 207
-
Sommaire
V
4.4 Les contraintes architecturales et environnementales .................................................. 208
Partie III
Lexcution des ouvrages
1.
La priode de prparation ....................................................... 2102. Limplantation des ouvrages .................................................. 2103. Le terrassement et les fouilles ................................................ 2104. Lacceptation des sols de fondations ...................................... 211
4.1 Exemples de ralisation de fondations profondes et de rideaux ............................................................... 2114.1.1 Pieux fors la tarire creuse ...................... 2114.1.2 Parois moules ............................................. 212
4.2 Exemples de ralisation de fondations mixtes (radier/pieux) .............................................................. 217
5. Le prdimensionnement des ouvrages .................................... 2185.1 Prdimensionnement rapide des rservoirs
circulaires ................................................................... 2185.2 Exemple pratique de prdimensionnement
dun rservoir circulaire ............................................. 2225.2.1 Hypothses gnrales .................................. 2225.2.2 Dfinition des actions .................................. 2235.2.3 Dfinition de la gomtrie de louvrage ...... 2245.2.4 Dtermination des efforts dans la paroi ....... 2245.2.5 Dtermination des sections darmatures ..... 2325.2.6 Vrification du gradient thermique ............. 2335.2.7 Vrification des contraintes ......................... 234
5.3 Prdimensionnement des rservoirs paralllpipdiques ..................................................... 235
6. Les coffrages et les armatures ................................................ 2386.1 Coffrage ..................................................................... 238
6.1.1 Classement des parements .......................... 2386.1.2 Intrieur dun bassin tampon ...................... 2396.1.3 tat de surface des ouvrages
hydrauliques ................................................ 2406.1.4 La surveillance des travaux ......................... 241
6.2 Armatures ................................................................... 2416.2.1 Exemple sur les voiles dun dessableur ....... 2426.2.2 Traitement des reprises de btonnage ......... 242
-
VI
6.2.3 Spcificits des constructions en rgion o des dispositions parasismiques sont exiges ................................................. 243
7. La fabrication et la mise en uvre des btons ........................ 2508. Les contrles, les essais et les preuves ................................. 250
8.1 Essais soniques par transparence ............................... 2518.2 Essais par micro-sismique transparence ..................... 2548.3 Essais par impdance mcanique ............................... 2548.4 Carottage mcanique .................................................. 2558.5 Essai de chargement ................................................... 2568.6 Essai de mise en eau ................................................... 258
Bibliographie
.................................................................................261
-
Remerciements
Je tiens remercier lensemble du personnel de la direction oprationnelle de
lEau et de lAssainissement de la communaut urbaine de Bordeaux, et plus
particulirement P
ascal Botzung et Francis Lamarque, sans qui cet ouvrage
naurait probablement jamais vu le jour
.
-
A
vant-propos
Le prsent ouvrage a pour v
ocation premire de sensibiliser les non-spcialistes
du gnie ci
vil aux dif
frents problmes quils peuv
ent rencontrer lors de
llaboration et de la ralisation dun projet de station de traitement des eaux.
Il sadresse donc en priorit aux responsables du process ainsi quaux jeunes
ingnieurs v
oulant sinitier aux spcifi
cits du gnie ci
vil des rserv
oirs.
Il en a rsult une or
g
anisation tripartite base sur celle du f
ascicule 74 du
CCTG et correspondant aux dif
frentes phases que sont les tudes pralables, la
conception et enfi
n la ralisation des structures.
Une place importante a t f
aite au matriau bton pour son utilisation majori
-
taire dans les ouvrages de rtention des eaux ainsi quaux matriaux composites
que les caractristiques mcaniques et ph
ysico-chimiques rendent particuli
-
rement intressants dans le cas de milieux fortement agressifs.
Enfi
n, louvrage, conu dans une priode de transition entre lapplication de la
rglementation franaise et celle de la normalisation europenne, aborde les
grandes lignes de la partie 3 de leurocode 2 relati
v
e au calcul
des structures
bton des silos et rserv
oirs.
-
Biog
raphie
Spcialis dans le contrle des ouvrages de gnie ci
vil, Xa
vier Lauzin est
ingnieur chef de projet lagence Socotec de Bordeaux.
Il intervient g
alement comme enseignant au Cnam de Bordeaux et lOf
fi
ce
international de leau de Limoges.
-
Partie 1
LES TUDES PRALABLES
-
8
1.
Les tudes dimpact
Le f
ascicule 74 dfi
nit les dif
frentes tudes mener pralablement la
conception de la station. Il sagit :
de lapplication de la loi du 3
jan
vier
1977 sur le projet architectural joindre
au ni
v
eau du permis de construire
;
de lapplication de la loi du 10
juillet
1976 sur la protection de la nature
;
de lapplication de la loi du 20
aot
1985 sur les mer
gences des bruits
proximit des installations classes.
Est g
alement dfi
nir au pralable lappartenance de louvrage certaines
rubriques des installations classes.
Le dcret n
93-743 modifi
par le dcret
97-1133 du 8
dcembre
1997 et le
dcret
2006-503 de mai
2006 classent les stations dpuration des agglomra
-
tions dassainissement ou dispositifs dassainissement non collectifs en fonction
de la char
ge brute de pollution or
g
anique traiter (en DBO5)
:
suprieure ou g
ale 600
kg
: installation soumise autorisation
;
comprise entre 12 et 600
kg
: installation soumise dclaration.
Dautres rubriques peuv
ent galement classer une station, telles que : la capacit des dversoirs dorage ; les rejets deau pluviale ; lpandage des boues ; les quipements techniques (digesteur, chaufferie au biogaz, etc.).Larrt du 22 juin 2007 relatif au traitement des eaux uses des agglomrations dassainissement (JORF n 162) prcise galement quelques points pouvant intresser le gnie civil : article 9 : les bassins dorage raliss dans lenceinte de la station doivent
tre tanches et conus de faon faciliter leur nettoyage et la prvention des odeurs lors des vidanges . Cette disposition rend lutilisation de clapets de dcharge prohibe et demande rflchir sur les solutions rapides (24 heures maximum) de maintenance ;
article 12 : les ouvrages sont rgulirement entretenus de manire garantir le fonctionnement des dispositifs de traitement et de surveillance . La conception des ouvrages devra prendre en compte la possibilit dinspection priodique du gnie civil ;
article 13 : les stations dpuration ne doivent pas tre implantes dans des zones inondables, sauf en cas dimpossibilit technique. Cette impossibilit doit tre tablie par la commune [], notamment en veillant maintenir la station dpuration hors deau et permettre son fonctionnement normal .
-
Les tudes pralables 9
La prise en compte des exigences de ces diffrentes tudes dimpact peut donc influencer le choix du site dimplantation de la station, dautant plus que lon se place lintrieur du tissu urbain ou dans des zones risques.
2. Ltude du contenuIl est important, pralablement la conception dun ouvrage, de connatre de faon prcise son contenu. Cette connaissance passe par lanalyse des caract-ristiques mcaniques et physico-chimiques du liquide ou du gaz.
Le fascicule 74 du CCTG ainsi que les rgles professionnelles font rfrence, en ce qui concerne les rservoirs en bton, aux normes FD P 18-011 et NF EN 206.1 (elles seront dtailles ultrieurement dans le chapitre rserv au matriau bton). Il convient cependant dinsister sur la ncessit de faire tablir une analyse de leffluent brut entre de station (analyse de leau et des gaz) de faon sassurer de la compatibilit physico-chimique des matriaux choisis et de leffluent. Labsence de cette tude pralable conduit gnralement des surcots relativement importants.
Voici un exemple de rapport danalyse sur un effluent brut entre station :
1 Objet Prlvements journaliers deau et dair raliss sur une semaine au niveau du
collecteur de la STEP CANTINOLLE EYSINES (33). dtermination de la concentration en H2S dans lair au niveau du collecteur, dtermination des caractristiques de leffluent journalier au niveau du
collecteur en ce qui concerne les concentrations suivantes : pH, sulfates, ammonium, magnsium, CO2 libre et H2S.
2 Mthodologies de mesurage appareillage utilis Prlvement dair : barbotage de lair prlev au niveau du collecteur dans
deux absorbeurs contenant de lactate de zinc 2 % puis dosage ultrieur en laboratoire de H2S par colorimtrie.
Prlvement deau : un prleveur chantillonneur ISCQ modle 3700 a permis un prlvement de 80 ml toutes les 10 min coules.
3 Rsultats
Les prlvemnets ont t raliss au niveu du collecteur de la station dpuration.
3.1 Prlvements dair
Date Teneur en H2S (mg/m2 20 C)
du 21/05 11 h 30 au 22/05 9 h 1,45
du 22/05 9 h au 23/05 9 h 0,003
du 23/05 9 h au 24/05 9 h 0,18
du 27/05 9 h au 28/05 9 h 0,32
-
10
3. Ltude gotechniqueLe choix du mode de fondation (fondation superficielle, fondation profonde, renforcement de sol, etc.) et ladaptation au sol du projet sont assujettis la ralisation dune tude gotechnique. Le fascicule 74 du CCTG distingue diff-rents types dtudes. Ltude gotechnique pralable comprenant quatre tages :
1er tage : lenqute de sol ; 2e tage : ltude gotechnique qualitative ; 3e tage : ltude dtaille ; 4e tage : la proposition dun systme de fondation.
Ltude gotechnique dexcution comportant la vrification de la faisabilit des dispositions prvues et ladaptation aux problmes poss. Ces tudes doivent en particulier dfinir de faon prcise les lments suivants : contrainte de calcul ; dformation ; stabilit des pentes ; zones karstiques ; contraintes hydrologiques du site et analyse de leau de la nappe.
3.1 Rappels sur la classification des sols et leur comportement
3.1.1 Origine des sols
Il est de coutume de sparer les roches des sols par le seul fait que les sols peuvent tre dlits par agitation dans leau.
3.2 Prlvements deau
Date pH SO42
(mg/l)NH4+ (mg/l)
CO2 libre
(mg/l)
Mg2+ (mg/l)
H2S (mg/l)
du 21/5 11 h 30 au 22/05 9 h 7,7 31 61,2 20,4 8 5,70
du 22/05 9 h au 23/05 9 h 7,55 13 57,6 22,0 7 1,10
du 23/05 9 h au 24/05 9 h 7,75 7 76,5 23,1 8 0,80
du 27/05 9 h au 28/05 9 h 7,4 9 107 25,3 8 0,80
-
Les tudes pralables 11
Les sols meubles sont gnralement dcomposs de la faon suivante : les sols rsiduels dus laltration des sols en place (par exemple schistes
dcomposs en argile) ; les sols transports (dus aux glaciers en mouvement, leau des rivires, aux
dpts en milieu lacustre et fond de mer, laction olienne) ; les sols provenant de la dcomposition dorganismes vivants (par exemple les
vgtaux donnant des tourbes, la craie ou le sable corallien).
3.1.2 Structure des sols
Un sol est un assemblage de trois lments : des grains solides ; de leau ; de lair (ou du gaz).
3.1.2.1 Les grains solides
Ils forment le squelette du sol. La forme et la dimension de ces grains peuvent tre trs variables. Ils sont classs selon leur taille (diamtre moyen D). On distingue alors les catgories suivantes : blocs rocheux : D > 200 mm ; cailloux : 20 < D < 200 mm ; graviers : 2 < D < 20 mm ; sables graviers : 0,2 < D < 2 mm ; sables fins : 20 m < D < 0,2 mm ; limons : 2 m < D < 20 m ; argiles : D < 2 m.Cette classification est susceptible dtre modifie par la norme exprimentale XP 94-011 Identification et classification des sols et des roches .
Sont galement prendre en compte : la forme des grains : ronde, anguleuse, de type plaquette, etc. ; la nature minralogique des grains.
3.1.2.2 Leau
En dehors de leau de constitution du rseau cristallin, il existe dans les chan-tillons de sol : une eau libre qui circule entre les grains ; une eau lie par les tensions capillaires (si lensemble des vides entre grains
est combl deau, on dit que le sol est satur) ;
-
12
une eau lie par attraction lectrique entre la charge ngative la surface dune plaquette argileuse par exemple, et leau elle-mme (eau adsorbe).
3.1.2.3 Lair et le gaz
Dans le cas o le terrain nest pas satur en eau (au-dessus dune nappe phra-tique par exemple), lespace entre les grains contient de lair ou du gaz issu de la dcomposition des matires organiques (mthane en gnral).
3.1.3 Identification des sols
Les essais didentification des sols sont raliss en laboratoire partir dchan-tillons prlevs sur le site et ont pour but de donner une premire connaissance du matriau. Ils permettent de le classer par rapport des sols dj connus. La premire srie dessais caractrise limportance relative des trois phases. Dans le schma ci-dessous, on a regroup dans une mme case et sans vide lensemble du squelette solide.
Fig. 1 : paramtres didentification des sols
partir de ce schma, un certain nombre de dfinitions sont couramment employes.
Poids spcifique des grains
Il est, la plupart du temps, gal 27 kN/m3, sauf pour des terrains dorigine vgtale qui peuvent descendre 10 kN/m3 ou des minraux ferreux qui attei-gnent 35 kN/m3.
Poids spcifique du sol (densit humide)
Cest le poids spcifique apparent du sol avec son eau.
O O Air (a) Va Vv e
P
PW
W
Eau (w)
Vw V
1 + e
PS S Grains (s) Vs 1
Poids Poids
spcifique Volume Volume avec
Vs = 1
sPsVs------=
= PV
-
Les tudes pralables 13
Poids spcifique du sol sec (densit sche)
Cest le poids spcifique aprs avoir t leau.
Poids spcifique de leau
Poids spcifique djaug
Cest le poids spcifique du sol, en tenant compte de la pousse dArchimde (sol satur).
De gd = on tire
De w = la saturation, on tire
Donc :
w et s tant des constantes.On tire la densit maximum pour une teneur en eau donne, la courbe tant une hyperbole (voir fig. 2, p. 12).
dPsV-----=
wPwVw------- 10 kN/m3=
' = w
s1 e+------------
1 d-----
1 s----
e
s----=
e w s
---------
e
s----
w
w------=
w
w------
1 d-----=
1 s----
-
14
Fig. 2 : courbes de compactage pour une nergie donne E1 > E2
3.1.3.1 Granulomtrie
Les valeurs telles que lindice des vides, la densit sche, la porosit, caract-risent globalement lchantillon.
Pour dcrire plus correctement un sol, il est utile davoir une valeur statistique de la dimension des particules, cest lobjet de la granulomtrie.Pour sparer les grains selon des valeurs dcroissantes, on utilise des tamis mailles carres de plus en plus petites, et il suffit de peser la quantit de terrain refusant de passer dans chaque tamis pour pouvoir tracer ensuite la courbe granulomtrique.
Lordonne reprsente, en pourcentage du poids total, le poids cumul spar par chaque tamis. Labscisse reprsente le logarithme de la maille du tamis.
Cette mthode est utilise jusquau tamis le plus fin qui est de 80 m.
17
1610
E1
E2
20
18
-
Les tudes pralables 15
Fig. 3 : courbes granulomtriques
Fig. 4 : exemple danalyse granulomtrique
Cailloux Graviers Sables Siltsgrossiers fins
trsfins
A100 %
200 100 50 20 10 5 2 1 0,5 0,2 0,1 0,08
80 %
60 %
40 %
20 %
0mm
AB C
!"#$$%$$&'&( $
)
*+,
*,
!,
!,
-",
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1,23('#45
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