1REPUBLIQUE DU SENEGALUNIVERSITE CHEIKH ANTA DIOP

DE DAKAR

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE

DEPARTEMENT DU GENIE CIVIL

PROJET DE FIN D'ETUDES EN VUE DE L'OBTENTION DUDIPLOME D'INGENIEUR DE CONCEPTION:

CONTRIBUTION A LA CONCEPTION DE FONDATIONSSUR LES SOLS GONFLANTS, APPLICATION AUX SOLS DE

LA SIPRES CAP DES BICHES

Prsent par: Mr Abdourahmane DIOP

Directeur interne: Professeur Ibrahima Khalil CISSE ESPDirecteurs externes:

1

Mr Ibrahima DIOUFMr Jean Louis GOMIS

ANNEE ACADEMIQUE 2004 - 2005

SipresTechbat

Contribution la concepti on de foudat ions sur les sols gonnants : application aux so ls du Ca p des Biches

A ma famille

A mes professeurs

A la Sipres

A tous ceux qui ont cr en 1110i

Comme ce sage qui disait: Celui qui m'coute est comme le sage qui a

bti sa maison sur le roc. La pluie est tombe, les torrents sont venus, les

vents ont souffl et se sont dchans contre cette maison , mais elle ne s'est

pas abattue car elle tait fonde sur un roc.

Pr ojet de Iin d 'tudes en vue de j' obtenti ondu dipl me d'ingnieur de conc eption

Abd ourahm ane DIOP

Contribution /;J conception de fondations s u r les so ls go n fla n ts : appli cation aux sols du Ca p des Biches

REMERCIEMENTS

Ma profonde gratitude s'adresse particulirement mes encadreurs: le

professeur Ibrahima Khalil CISSE, Chef du Laboratoire de Matriaux ,

Mcanique et Hydraulique de l'ESP This, monsieur Ibrahima DIOUF, Directeur

technique de la Sipres et monsieur Jean Louis GOMIS, Directeur Gnral de

Techbat pOLIr m'avoir accord leur confiance et leur soutien dans l'laboration de

ce projet de fin d'tudes.Je tiens remercier trs vivement et respectueusement Madame Ana BA DIA,

Prsident, Directeur Gnral de la Sipres pour sa collaboration et son soutien

prcieux.

Qu'il me soit permis de remercier monsieur Sidi Mouhammad Aissa MAMOUNE,

professeur l'universit de Tlemcen en Algrie pour avoir gracieusement mis

ma disposition de prcieux documents scientifiques, mais aussi pour ses conseils

et ses suggestions qui m'ont t d'un grand apport dans l'laboration de ce

mmoire.

Je transmets aussi mes vifs remerciements monsieur Raoul J AUBERTHIE de

l'Institut National des Sciences Appliques de Rennes pour avoir bien voulu

effectuer gracieusement des essais d'identification minralogiques et chimiques

sur les sols tudis.

Je transmets aussi mes remerciements monsieur Khadim GUEYE du CEREEQ

pour avoir bien voulu mettre ma disposition la bibliothque dudit centre.

Mes remerciements sincres vont aussi l'endroit de tout le personnel de la

Sipres et de Techbat dont l'accueil et la collaboration ont contribu me rendre

confiant dans l'laboration de ce projet.A tous ceux qui ont contribu de prs ou de loin l'aboutissement de ce travail,

j'adresse mes sincres remerciements.

_~ II

Projet de fin d'tudes en vu e de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de con ce pt ion

Abdourahmane DIOP

1Contributi on 1

Contrib ution il ln concept ion de fondat ions s ur les so ls gonna nts : a pplica t ion aux sols du Cap des n ich es

LISTES DES TABLEAUX

Tableau 1.1 : Diffrentes substitutions de quelques minraux du groupe des smectites 9

Tableau 1.2 : Dimensions caractristiques des minraux argileux 12

Tableau 2.1 : Activit de quelques minraux argileux 26

Tableau 2.2 : SS, YB et CEC de quelques minraux argileux , 27

Tableau 2.4 : Relations entre les caractristiques physiques courants et le gonflement 28

Tableau 2.5 : Relations entre les caractristiques physiques courants et le gonflement 29

Tableau 2.6 : Relations entre les caractristiques physiques courants et le gonflement 29

Tableau 3.1 : Stratigraphie du site .47

Tableau 3.2 : Analyse chimique par fluorescence aux rayons X 50

Tableau 3.3 : Composition chimique indicative 51

Tableau 3.4 : Analyse minralogique par diffraction aux rayons X 52

Tableau 3.5 : Caractristiques physiques des chantiJlons 53

Tableau 3.6 : Caractristiques mcaniques des chantillons 54

Tableau 3.7 : Poids des terres 55

Tableau 4.1 : Descentes des charges sur semelles 59

Tableaux 4.2.4.3 : Distribution des contraintes en profondeur des semelles .60

Tabl eau 4.4 : Rappel des pressions de gonfle ment 61

Tableau 4.5 : Caractristiques de portance des sols de fondations 65

Tableau 4.6 : Comparaison entre contraintes admissibles et contraintes appl iques 65

Tableau 4.9 : Rsultats d'essais de gonflement sur un sol trait 2% de chaux 68

Tableau 4.8 : Influence de la teneur en chaux sur la pression de gonflement... 68

Tableau 4.9 : Paramtres de gonflement des chantillons trait 4% de chaux 69

- - ~ ~_~ IV

Pr ojet de fin d' tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de concep tion

A bd o u r a h rna ne DIOP

Contr ibution la con cepti on de Iond auons sur les so ls gonfla nts : a pplica t ion a ux so ls du Ca p des Bich es

RESUME

Les nouveaux dfis archi tecturaux interpe llent avec force le concepteur pour une reJJ e prise

en charge des diffrents aspec ts lis au dimensionnernent et la scurit des ouvrages.

L' tude de la stabilit de ces ouvrages constitu e une des problmatiques majeures auxquellesl'in gnieur est souve nt confront. Par mi les causes d'instabilit d 'ouvrages les plus

rencontres dans le monde en gnral et au Sngal en part iculie r, le phnomne de retrait-

gonflement des sols d' assise est sans doute le plus dangereux et paradoxalement le moins

connu. Par consquent, le concep teur doit prend re en compte les effets induit s par ce

phnomne. Le prsent travail s ' insc rit dans le cadre de l'i dentifi cat ion tant qualitative que

quantitative des paramtres de gonflemen t des sols. On se penchera essenti ellement sur la

mise en place d 'out ils pra tiques, fac ileme nt utilisables par le concepteur , lesquels outils seront

ensuite tests et appliqus pour le cas des sols gonflants de la cit Sipres Cap des Biches . La

mise en place de ces outils est esse ntie llement base sur des essais au laboratoire et

l'o bservation des rsultats in situ. Sur 13 base des rsultat s de ces essa is de laboratoire, des

solutions seront proposes. Il s'agit de disposi tions construc tives permett ant de limiter les

variation s de la teneur en cali du sol. de la conception d ' une structure adap te pour rsister

aux efforts induits par Je phnomne du gonflement et d 'un traitement par la chaux du sol afin

de le rendre insensible aux varia tions de la teneur en eau.

Mots cls : argiles, sols gonflants, essais , solutions, dimensionnernent , fond ations,.. ..

vPr ojet de fin

Contribution il la conception de Ioud a tinns sur les sols gonna nts : a ppl ica t inn aux so ls du Ca p des Biches

TABLE DES MAl'IERESDdicaces .i

Remerciements .ii

Liste des figures .iii

Liste des tableaux iv

Rsum v

Table des matires vi

INTRODUCTION GENERALE 1

Chapitre 1: MINERALOGIE DES ARGILES ET

MECANISME DU GONFLEMENT 61.1 STRUCTURE DE BASE DES MINERA UX ARGIL EUX.. .. .. .. .. . .... .. .. 6

1.1.1 Elment ttradrique 7

1.1.2 Elment octadrique 7

1.2 CLASSIFIC ATION DES MINERAUX ARGILEU X 9

1.2.1 La kaolinite 10

1.2.2 La montmorillonite 10

1.2.3 L 'illitc 1]

1.2.4 La chl orite 11

1.2.5 Les intrastratifis 12

1.3 ECHANGES IONIQUES 131.4 CAPACITE D'ECHANGES CATIONIQUES 141.5 DIFFERENTS TYPES DE LIAISONS

AU SEIN DE S MATERIAUX ARGILEUX 14

1.6 INTERACTION ENTRE L'EAU ET LES MINERAUX ARGILEUX 14

1.7 INTERACTION ENTRE LES PARTICULES ARGILEUSES 16

1.8 LE PHENOMENE DU GONFLEMENT 16

1.8.1 Le gonflement au sens physico-chimique 17

1.8.2 Le gonfl ement au sens mc anique 20

1.8.3 Interprtation microscopique du gonfl ement 22

1.8.4 Synthse 24

Cha pitre 2 : CARACTERISATION ET MESURE DU GONFLEMENT 25

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ___ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ VI

Projet de fin d'tudes en vu e de l' obtenti ondu diplm e d 'in gnieur de conception

Abdoura hma ne DIOP

Conlr ibution il la conception de fondations sur les sols gonflants; application :lUX sols du Cap des Biches

2.1 IDENTIFICATION MINERALOGIQUE ET CHIMIQUE 252.2 IDENTIFICATION QUALITATIVE DU GONFLEMENT 26

2.2.1 Approche empirique 27

2.2.2 Estimation qualitative par des abaques 29

2.3 ESTIMATION QUANTITATIVE PAR DES CORRELATIONS 302.3.1 Pression de gonflement 30

2.3.2 Amplitude de gonflement 31

2.4 METHODES DIRECTES DE MESURE DU GONFLEMENT 32

2.4.1 Essais de gonflement au laboratoire 32

2.4.1 .1 Problmatique des pr ocdures d' essais 32

2.4.1.2 Pr ocdures permettant l' ch ant illon de gonfler 33

2.4. 1.3 Procdures empch ant l'chantill on de gonfler 35

2.4.2 Essais de gonflement in situ 36

2.4.2. 1 Mesure de l' amplitude de gonfl ement 36

2.4.2.2 Mesure de la pressi on de gonflement 37

2.5 FACTEURS INFLUANT SUR LE GONFLEMENT 37

2.5.1 Influence de l'tat initial du sol 38

2.5.1.1 Infl uence de la teneu r en eau initiale 38

2.5.] .2 Influence de la densit sche initi ale 392.5.2 Influence du chemin de contraintes .40

2.5.3 Influence du compactage .41

2.5.4 Anisotropie du gonflement .41

2.5.5 Synthse 42

2.6 EVOLUTION DU GONFLEMENT .42

2.6.1 Evolution du gonflement en fonction du temps .42

2.6.2 Evolution du gonflement avec l'paisseur 43

2.7 CINETIQUE DU GONFLEMENT ' " .44

Chapitre 3 : CARACTERISATION DES SOLS DE

LA SIPRES CAP DES BICHES 463.1 LOCALISATION DU SITE .46

3.2 STRATIGRAPHIE DU SITE .46_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ___ _ _ _ _ _ _ _ VII

Projet de fin d ' tudes en vue d e l'obt entiondu diplme d'ingnieur de conception

Abdourahmane DIOP

1Contributi on ~ la conception de Fo nd atiou s s u r les sols gonflants: application a ux sols du Cap d es Bi ches

3.3 GEOLOGIE DU SITE .47

3.4 ANALYSES MINERALOGIQUES ET CHIMIQUES .473.4.1 Observation au microscope lectronique balayagc .48

3.4.2 Fluorescence aux rayons X .49

3.4.2 Diffraction aux rayons X 51

3.5 IDENTIFICATION PHYSIQUE 533.6 ESSAIS MECANIQUES 54

Chapitre 4 : SOLUTIONS PROPOSEES 564.1 MAINTIEN DE L'EQUILIBRE DE L'HUMIDITE

SOUS LE NIVEAU DES FONDATIONS 56

4.2 ADAPTATION DE LA STRUCTURE 58

4.2.1 Dimensionncment des fondations 58

4.2.2 Dispositions accompagnatrices 62

4.3 STABILISATION PAR LA CHAUX DES SOLS ETUDIES 65

4.3.1 Effcts de la chaux sur les proprits du sol 66

4.3.2 Procdures exprimental cs et rsultats 68

4.3.3 Techniques d'ajout de ch aux 694.3.4 Evaluation de la durabilit du traitement la chaux 71

CONCLUSION GENERALE 73

RECOMMANDATIONS ET PERSPECTIVES 74

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 75ANNEXES 76

Projet d e fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception

1Contr ibution ~ la co ncep tion de fond iltion s s u r les sols gonll :lfll s : ilpplication a ux so ls du Ca p de s l3i ch es

INTRODUCTION GENERALE

L'hydratation et la dess iccation des sols gonflants est la cause de nombreux domm ages :

fissurations de bt imen ts, so ulvem ent de fonds de fouilles, destru ctions de chausses, ruptures

de conduites, .. .. Ces sols se caractrisent par une trs grande sensibilit la variation de la

teneur en eau.

Jusque vers les annes 30, seul le tassement tait considr comme une source possib le de dgts

pour les fondations. C 'es t 1' United States Bureau of Reclamation (U .S.B.R.) ) [1] qui, lepremier met lacccnt SUI - le phnomne de gonflement. L'adaptation des constructions

1

Cont ribut ion il la co uccp tio n de rOlldat ions su r les sols gOlll1all(s : np p licati on a ux sols d u C a p des Biches

Les photos suivantes (0.1. 0.8.) montrent quelques exemples de d gradations enrgistres dansla cit :

fu.O.1 : Fissure au co in d'une fentre

(,

..-~-- ~~------~_ .-

~\. " .. ../ \

\\

i\\\

Fig.O.2 : Mur d'allge fissur

Projet de fin d ' l udes en v ue de l' obtent iondu diplme d' ing nieur de concept ion Abdourahm ane DIOP

2

Contr ibution il la conc eption de fond ati ons s ur les so ls go n na nls : a ppl icution a ux sols du Ca p des Biches

'.'

Fig.O.G: Pavs soulevs

;'

Fig.O.7 : Plancher + mur fendus

Fig.O.S : Plancher fissur en cours de reprise en sous-oeuvre

Projet de fin d' tudes en vue de l' obt ent iondu dipl m e d 'in gni eur de concep tion A bdo u ra hma ne DIOP

4

Cont ributi on :1 1:1 concepti on de rondation s s u r Ics so ls gonnant s : appli cation a ux so ls du C a p des Biches

Pour construire avec le minimum de risques les tranches restantes, la Sipres a adopt un systme

de fondations sur micropieux qui , naturellement induit des co ts de ralisat ion beaucoup plus

levs.

L'objectif de cette tude est donc de proposer la Sipres des so lutions efficaces prenant encompte le caractre expansif du sol et qui puissent assurer la prennit des constructions sur ce

genre de formation au moindre cot.

Le prsent rapport comporte quatre chapitr es.

Le premier chapitre est consacr aux aspect s fondamentaux des sols gonflants : la minralogie

des argiles et une approche sous plusieurs angles du mcanisme du gonflem ent.

Le deuxime chapitre traite de la caractrisation et cie la mesure du gonflement : les mthodes

d'identification minralogique , chimique et physique , les mthodes dapprc iation qualit atives du

gon fl ement dun sol, les mthod es de mesure des paramtres du gonflem ent, les facteurs

influenant le gonflement, l' volution et la cintique du gonflement.

Le trois ime chapi tre est consacr la caractrisation des sols sujets l'tude : il dcrit lesprocdures experimenta les utilises et donne, sur Ja base de rsultats dcssais did entificat ion, une

prvision du potcntie! de gonflement du sol.

Le quatrime chapi tre prsente les so lutions proposes, il parle des dispositions constructives

permettant de limiter les variations de la teneur en eau, de l'adaptation de la structure afin qu'ell e

puisse rsister aux efforts induits par le gonflement du sol el du traitement par la chaux du sol.

5Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu dipl me d'ingnieur de co nc e p tion Ab d o u ra hm ane DIOP

C untribution ~ la concepti on de fondations sur le s suis gonnants : application aux sol s du Ca p des Bich es

Chapitre 1MINERALOGIE DES ARGILES ET

MECANISME DU GONFLEMENT

La minralogie, une des plus anciennes parmi les sciences de la terre, a pour but ltude des

minraux, lments ou composs naturel s formants la crote terrestre et qui sont dpourvus

d'o rganisation et n' offrent que des assembl ages de molcules similai res, lies entre elles par une

force que l'on appelle affinit (Homeira, 1989). Elle a aussi pour but de recenser, reconnatre etdfinir les proprits et les conditi ons physico-chirniques d 'apparition et d' volut ion de toutes les

espces Ininrales.

Un min ral est un solide naturel et homogne qui possde une compos ition chimiqu e dfinie et

une structure atomique ordonne.

[n gL; nie ci\ il. le mot argile veut souvent dire un sol qui peut co ntenir en totalit ou C il partiecertains min raux argileux. Les minraux argileux sont des substances cr istalline s q UI ri ren t

esscnucllemcm leur origine de l'al tration ch imique et/ou phys ique de certains min ra ux

composant la roche. Les proprits des argiles intressant les applications de gnie civil et

d 'hydraulique dcoulent directement de la minralogie de ces dernires. Dans ce chapitre, on

prsente les principaux minraux argileux qui constituent la quas i-total it des minraux recenss

sur terre, leurs proprits gomtriques naturelles et leur structure lmentaire de base ainsi que

le mcanisme du gonflement.

1.1 STRUCTURES DE BASE DES MINERAUX ARGILEUX

La trs grande varit des espces argileuses dnombres dans la littrature peut parat re comme

dmesure. Il est cependant possible de leur trouver un dnominateur commun : la structure

cristalline des argiles peut tre considre, schmatiquement, comme un jeu de construction partir de deux motifs lmenta ires : un lment ttradriqu e et un lment octadrique [3].

Projet de fin d' tudes e n vue de J' obtent iondu diplm e d'in gnieur de concepti on A b d ourah rna nc DIOP

6

Contr ibution il la conc eption e fondation s s Ul' les sols go nlla n ts : application aux sols du Ca p des nich es

1.1.1 ELEMENT TETRAEDRIQUE

C' est une unit cristallin e Si04 dont l'ion central est la s ilice (Si4 +) et est entour par des ions,

d 'oxy gne (0-') comme montre la figure 1.1.Les ttradres sont lis en partageant un ion d'oxy gne de base pour former une couche

ttradrique (fig ure 1.2). La formule gnrale de cet ensem ble es t n[(Si20 s)2]. Les atomesd'oxy gne la base de chaque ttradre sont situs dans un mme plan et les sommets qui ne sont

pas jointifs pointent tous dans la mm e direction .

ato me d'oxy q n e

at ome de silic ium

1.1.2 ELEMENT OCTAEDRIQUE

C'es t une unit octa drique compose de six atomes d'oxygne ou d'hydro xyle entourant un

atome d'al uminium AI 2(OH)6, de magnsium Mg3(OH)6, ventuellement de fer ou d 'un autrelment.

Dans l'lment octadri que l'i on central est soit un ion d 'a luminium (A13+), soit un Ion demagnsium (Mg2+), ces dernier s sont entours pa r des groupements (O H-) hydroxyle s comme iles t montr la figure 1.3,

Les units octadr iques sont lies ensemble de telle sor te que chaque gro upement fonctionnel

(OH-) est partag entre trois units octadriq ues (voir figure J .4). La formul e gnra le de cegroupement est n[A b(OH )6] ou n[Mg3(OH)6] '

Les particule s d'arg iles l'e xcepti on des allophanes et des attapulgites sont co nstitues de

feuillet s : chaque feuillet rsulte de l'empilement de couches de silic e et d 'alumine.

On en distingue deux types esse ntiels :

feuill ets de type II I : ils rsultent de la co mbinaison d' une co uche ttradrique et d 'une

7Projet de fin d' tudes en vue e l'obtentiondu dipl m e d'in gnieur de con ception Abdourahman e DIOP

Conlribution !lIa conception ue fonu atiOIlS SlI r les sols gOllnanls : application aux sol s uu Cap ues Biclles

octadrique ; (voir I.S) .

.. \., ":

r ,;

. . ,l .. ," . ...

:' ; hydroxyle

atome d'aluminium. .- /. I ;".. / .

Pour ces minraux de type 1/1, la liaison entre feuillets est assure par une liaison hydrogne

entre les groupement s hydroxyles de la couche octadr ique de l'un des feuillets et les oxygnes

basaux de la couche ttr a drique du feuillet suivant. Ces liaisons sont consistantes; en

cons quence, les particule s composs de ce type de feuillet sont relativement inertes et leurs

caract risti ques sont peu influenc es par l'eau .

FiQ.ure 1.5 : Repr sentation schmatique de la structure du feu illet J/I

Feuillets de type 2/1 : les feuillets de ces minraux sont constitus d'une squence

d'empilements comprenant une couche octa drique alumineuse insre entre deux

couches ttradriques siliceuses. Dans l'espace compris entre deux feuillets conscutifs

sont localiss des cations, ventuellement hydrats, qui compensent le dficit de charge

induit par les substitutions atomiques affectant la structure du feuillet. Les minraux du

type des srnectites sont les plus reprsentatifs de ce type de feuillet.

La structure du feuillet de type 2/1 est symtrique. Entre les feuillet s, les ions oxygnes sont en

contact entre eux . Ces ions se repous sent; dans ces conditions (ex. cas de la montmorillonite),la liaison entre les feuillets est alors trs faible. Il en rsulte que l'eau peut facilement pntrer

entre les feuillets et causer ainsi le gonflement.

Projet de fin d 'tudes en vue de J'obtentiondu dipl me d'ingnieur de conception Abdourahmane DIOP

8

Contribution la conceptioll de fondali Olls s u r les sols gonnanls : application a u x sol s du Cap de s niches

Couche ttradrique

Couche octadrique

Couche ttradrique

t~AA~Pf:)-~iJij~-. . ' ., . ' ~ - ~_., . - 1 , , - ' . ' . ' .

Figure 1.5 : Rep~~?entation schmalique de la structure du feuillet 2/1

Le tableau 1-1 donne les diffrentes substitutions de quelques minraux du groupe des smectites.

1ableau \-\ : DIfterentes substitutions de quelque s mmerau x dl! groupe des smectltes.

Minraux Substitution dans la Substitution dans la

(groupe des sme ciires ) couche ttr adrique couche octadriqueMontmorillonite

1Non

11 Mo2' pour tous les A,Y:-'t::

Beidel lite Al x i pour S1 >

fNon

1 No ntronite AIH pour st F j, pour AIJi'oc1

1H cctorite r non LiT pOLIr MgL+jSaponite AI) ' pour Si4 Fe) 1 pour AIO"sauconite A1 3+ pour Si4.,. Zn- ' pour Mg-+

. . ..

1.2. CLASSIFICATION DES MINERAUX ARGILEUX

Les minraux arg ileux sont de trs petits cristaux co llodaux (de diamtre infrieur 1urn)qu'on ne peut voir qu' au microscope lectronique. Les cristaux ressemblent de mince s plaques

ou plaquettes constitues d 'un empil ement de feuillets structure atomique rpte. (Giroud etCould ;1972).Les liaisons de coval ence et les liaisons atomiques assurent les liens rigides du feuillet

lmentaire; des liaison s moins fortes mais trs importantes et essentiell es assurent l'assembl age

des feuillets lmentaires pour former des particules d' argiles qui comportent un nombre de

feuillet s plus ou moin s important selon le type d'argile.

Les forces de liaison entre les feuillets sont principalement les force s d 'attraction molculaires de

Van Der Vaals (liaisons faibl es), la liaison hydrogne (dans le cas des argiles, elle se forme avec

Projel de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de concept ion Abdo ura hmane DIOP

9

Co n tri b u tion il la co nce p tio n de fo nd ati o ns s u r les so ls go n n a nls : appl icati on ;I UX so ls du Ca p d es Bic hes

des atomes fortement lectronga tifs , gnra lement c'est l'oxygne) et les liaisons dues auxsubstitutions isomorphes.

Mais malgr la si mp lic it apparente de la structure des argiles, on en dnom bre un trs grand

nombre d'espces qui se dist inguent par les dfa uts 1is des substi tutio ns isomorp hes au

moment de la formation . Les minra ux argileu x les plus courant s so nt les suivan ts :

1.2.1 LA KALINITE

Elle est constitue d' une success ion de couches alternes de feuillets en ttradre (silice) et de.feuillet en octadre (alumine ou gibbsite) . A cause de l'empil ement d ' une couche de chacun desdeux feuillets de base, on considre la kao linite comme un minral argileux de type 1:1 (voirfigure 1.6). La couc he a une pa isseu r d 'environ 0,72 nm (7.2 A0) et s'tend indfi niment dansles deux autres directions.

La kaolinite a une surface spcifiq ue tota le de l' ordre de 40 60 m"/g. Les particules ont une

forme plate hexagonale d 'pa isseur de l'ordre de O, lp et de dia mtre moye n entre 0,3 p et 4 p.

Les principaux minraux apparents la kaolinite sont la dickite, la nacrite ct lhal loysiie.

AI

SI

AI

Si

AI

SI

7,2 A

1.2.2 LA MNTMRILLNITECompose d'une success ion de couches octadriqu es insres entre deux couches ttradriques,

elle est dsigne comme un minral 2/1. Les sommets des CT se confondent avec les hydroxyles

de la CO pour ne former qu 'une seule couche comme le montre la figure.

L'paisseur de chaque feuillet est d'environ 0,96 nm. Les plaquettes de la montm orillonit e ont une

forme quelconque et de taille trs petite, un diamtre moyen entre 0, 1 Il et 1 p et une paisseurla

P ro j et d e fin d ' tudes en v ue de l' obtentiond u dipl me d ' ingnieur de co n ce p t io n A bdou rah rn a n e DIOP

Co ntribut ion la co ncep tion d e fonda t ions s u r les so ls gon n:-l n ts : a p p lica t io n a ux sols du Cap d es Biches

moyenne entre 0,01 f.l et 0, 1 f.l . So us ce rta ines conditions, ces plaquettes peuvent gonfle r de faon

trs importante provoca nt un gonfle ment du so l (RAVIN A ; 1973) . Elle possde une surfacespcifique totale de l'o rdre de 800 m2/g et un espace interfeui llet de 9,6 A O l'in fini.

Les principaux minraux appa rents la mon tmor illonite sont : la montronite, la saponite. On

appe lle bentonite une rnontrnorillonit e trs pure et don t les particules sont trs fines.

SI el AI

AI cl Mg

/ Sl ot AI

1.2.3 L'ILLlTE

/n couches de H70 elcation s chnne ables

. ", . r: .. j ' -.." , - ' : ." . .1:', 1 ..

Si cl Al

AI et Mg

Si el AI

Si c l AI

AI c lM g

SI c l AI

~' . . ; J . , . ... . . - .,

1 9,6 A

f , ',(.

Composante importante des minraux argileux: l'j llite est un minral de type 2/1 comme lamontmorillonite . Cependa nt les espaces entre les feuill ets sont lis par des ions de potass ium qui

crent un lien trs fort entre les co uches, plus fort que le lien hydrogne.

S I l~ 1 A I

AI

SI c l III

S I ~I 1\1

K ' AI 9.6 A

SI e! AI

S I ~ I AIIII

SI cl AI

1.2.4 LA CHLRITE

Relativement moins frquente que les trois prcdentes, la chlorite est constitue de deux feuillets

Il

1

Pr oj et de fin d ' tu d es en v ue d e l' obt enti ondu d iplme d' ingnie ur de concep tio n Abd o ur a hm an c DIOP

Co ntr ibutio n il 1;:1 con cept ion de fondati on s S U I ' les so ls go nn:l n ts : a pplica tion a ux sols du Ca p des Biches

de montmorillonite relis par une couche d 'h ydroxyde de magnsium . C' est une rptition des

couches suivantes: un feuillet de silice, un feuillet d'alumine, un autre feuillet de silice et un

feuillet de gibbsite (AI) ou de brucite (Mg). (vo ir figure 1.1 0). On la consid re comme un minral2/ 1/ 1. L'paisseur de son feuillet est le doub le de celui de la kaolinite.

La liaison assez faible permet l'introduct ion de l'eau. Les argiles contenant un pourcentage

important de chlorite (> 15%) peuvent donc tre suje ttes au gonflement.La chlorite a une surface spcifique de SOm"/g.

(~d) :) S. d o?U lJ Lu V I ; l l~

i 1 ...-; : 1/i .i

1.2.5 LES INTRASTRATIFIESCe sont des minraux arg ileux dans lesquels alternent de faon plus ou moins rgulire des

feuillets de natures diffrentes ou, le plus souvent des espaces interfoliaires diffrents par

exemple illite-montrnori ll onit e, illite-chl orite. Les interstratifis sont les tapes des

transformations d'un minral argileux un autre.

Tabl eau 1.2 Dimensions cCtrac lerlstlgues des mln erau x arg ile ux

Nom Type Nombre de feuillets Diamtre d'unepar particules particule (A0)

Kaolinite 1/1 100-150 1

MontmorilI on ite 2/ 1 1 0,1

I1lite 2/1 10 0,3

Chlorite 2/ 1/ 1 1 0,1. .

Projet de fin drudes en vue de l'obtentiondu dipl me d 'in gni eur de co ncep tion Abdo ur ahm a nc DIOP

12

Contribution il la conception de fondati on s s u r lcs so ls go n na n ls : application a u x sol s du Cap des Biches

La figure suivante montre les observations au microscope lectron ique balayage dequelques minraux argi leux ,

Les microstructure s rencontres sont plus ou moins disperses et orientes de faon privilgie

dans une direction (figure 1.1 2). Les forces d 'attraction et de rpulsion lectrique conditionnent levolume occup par une masse donne de particules d'argiles, les divers arrangements

reprsentent gnralement id diffrence de teneur en eau. (Giroud el col ., 1972).

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1.3 ECHANGES IONIQUESUne autre caractristique importante des argile s est qu 'elles appartiennent au groupe des silicates.

Ce sont des aluminosilicates hydreux ajout s d'autres ions mtalliques , ce qui leur permet deconserver les proprits d 'changeurs de cations.

Lorsque les substit utions se produisent , un cation de valence leve est remplac par un cation de

valence moins leve, la particule d'argile acquiert alors une charge nette ngative (Lerou x,1972).

13Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de concepti on Abdourahrn ane DIOP

Co ntribut ion ;'1 la conce ption de fond ation s su r les so ls go nO:lu(s : a ppl icat ion a ux so ls du Ca p des Biches

La substitution de diffrents cat ions dans le feuillet octadrique est frquente et elle est l' origine

de diffre nts minraux arg ileux. Lorsque les ions de rechange son t peu prs de la mme

dimension, on qualifie cette substitution d 'isomorphe.

L'change ionique a une gra nde influence sur les li mites d' tat pour chaque type de minral;

1.4 CAPACITE D'ECHANGE CATIONIQUELa capac it d'c hange ca tionique (C.E,C) fait partie des carac tristiques les plus intressantes connatre pour tudier une argile. Elle permet de caractriser un dficit de charge ngative et

prsente la charge positive ncessaire pour atte indre la neutralit. En effet l'argil e peut adsorber

des cations H ~, K+, Ca++, NH4+ et des diples d'eau sur les faces basales et ventuellement dansles espaces interfoliaires. Ce phnomne de substitution superfic ielle d'ions est mesur pour un

sol argileux par sa C.E.C que "on dfinit comme le nombre de mi ll i q uivalents de cations

susceptibles d'tre adso rbs d'une faon rve rsible par] OOg de sol .

1.5 DIFFERENTS TYPES DE LIAISONS AU SEIN DESMATERIAUX ARGILEUX

Il est possible de distinguer les liaisons structurales trs fortes (covalentes, ioniques) au sein desmolcules mme et les liaisons entre particules minrales. Parmi ces derni res, il faut retenir,

classs par intens it de force croissante. ce qui suit :

>- Les f orces d 'attraction molculaire de VAN DER WAALS (nergie infrieure 2kcaJ/mole) qui sont en partie responsables de l'extrme cohsion des argiles sches.

>- Les liaisons par introduction d'ions dans la stru cture.

>- Les liaisons d 'hydrogne (varie de 2 10 kcal/mole) de nature lectrostatique.'> Les liaisons textura/es qui ne sont aut res que la cimentation des particules par un apport

externe (ex. : marnes) .

1.6. INTERACTION ENTRE L'EAU ET LES MINERAUXARGILEUX

Les minraux argileux sont des particules relativement petites et qui ont une surface spc ifique

importante. Il est donc probab le que ces minraux aient des su rfaces trs actives (ac tivit

Projet de lin d' tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'in gnieur de conce ption Ab dourahrn anc DIOP

14

Contribution ~ 1::1 conception de Iond a tions sur les sols gonn::lnts : applicati on ::lUX sols du Cap des Bich es

lpcollodale A = 01 'l" 2 501 ). Puisque l' activit de surface est lie la taille des

loeemen/s < fi - 10

particules, on comprend pourquoi la rnontmorillonite est plus active que la kaolinite.

Dans la nature, il semble que les particules argileuses soient peu prs toujours hydrates,autrement dit on trouve des couches d'eau autour de chaque particule que l'on appelle eau

adsorbe . On sait que l'eau est une molcule dipolaire, elle a deux centres de charge distincts :

l'un positif et l'autre ngatif (voir figure 1.13). La surface de la particule d 'a rgile estgnralement charge ngati vement. Par consquent , la molcule d'eau subit une attraction

lectrostatique vers la surface du cristal d' argile . L 'eau est retenue au cristal par un lien

d'hydrogne (l 'hydrogne de j'eau est attir par les atomes d'oxygne ou d'hydroxyles chargsngativement la surface de l'argile, voir figure 1.J 4).L'ensemble const itu par la surface ngative du minral et par J'eau lie plus ou moins fortement

(l 'eau des premires couches) constitue la double couche . L'attraction de l'cau est trs forteprs de la sur face et diminue au fur et mesure que l'on s 'en loigne. La viscosit de l'eau

adsorbe est diffrente de celle de l'eau libre, et son limination ne s'effectue pas JOS oe 24h.

Q111

~.., :> ,H

Lieisons ~ _ /'hytlr ogne

Contribut ion n 1

Contribution il la conception de fondations SUI" les sols gonflants: application ;lUX sols du Cap des [liches

leur teneur en eau et peuvent, de ce fait, crer des dsordres dans les constructions. Le

phnomne du gonflement est caractris par une pression appele pression de gonflement note

Contribution il la conception de fondations sur les so ls gonflants: a p p lica t iou :lUX sols du Cap de s Biches

Couche de Sten (fixe la particule)

, 1

'ci( 1

Couche deGouy (couchediffuse)

1.1

Figu re 1-16: Schma de la doub le couche d'eau entourant une part icul e arg i leuse

A j'attraction des cations par la surface des particules d'argile s'oppose la tendance des ions diffuser el il se distribue r d'une manire homogne dans lea u. On a ainsi, autour de chaque

pan icule ( figure 1-16), la formati on d'une double couche lectrique comp ose :d'une couche fixe lie au solide. et

- d'une couche di ffuse en affinit avec cette particule.

Sans dtailler 1:1 th orie de 18 double couche : [5] nous en ci onnerons les principaux rsul tats.Dans un sol satur , J 'epaisseur de la dou ble couche associe une particule est donne par la

relation:

1/K = 1 Di;). TV87[, c; e2.Z 2O IIK est l 'epaisseur de la double couche en cm, Ejiq la constante dilectrique du milieu

liquide, k la constante de Boltzmann, T la temprature absolue en Kelvin, e la charge lectrique

d'un lectron, Z la valence des cations et Ciq la concentration ionique du milieu liquide (enions/m3) .

Le gonflement reprsentant l'extension des dou bles couches, ce phnomne se dveloppera en

particulier avec :

une diminuti on de la concentration du liquide interstitiel Cliq

une diminution de la valence des ions Z,

18Projet de lin d'tudes en vue de l' obtentiondu diplme d 'in gnieur de conception Ahdou rahm anc DIOP

Contribution il la con cept ion de fondat ions s u r lcs so ls gonnants : a p p lica t io n aux sols du C ap de s Biches

une augmentation de la constante dilectrique Eliq

une augmentation de la temprature T

Lors d'tudes exprimentales en laboratoire, Didier et Wong [4] ont mis en vidence l'influe ncenotable de la salinit du liquide interstitiel sur Je potentiel de gonfl ement des sols argileux. Ils

ont, en effet, constat que plus la concentrat ion en sels (NaC! par exemple) est faible , plus legonflement est important. Ces rsultats exprimentaux confirment bien l 'analyse fournie par la

thorie de la double couche .

A partir de cette thorie, Madsen [6], Sridharan et Jayadeva ont dtermin une relat ion entre lapression osmot ique de rpulsion Pr, le potentiel lectrique U au milieu des deux particules :

r , =2. Criq.k.T.(coshu-l) (1.2)Je potentiel U dpend lui-mme de la demi distance d entre deux particules d'argile et de la

valence des ions. Pour un sol dont la minralogie et le fluide interstit iel sont connus, la pression

P, dpend de 18 demi distance interpart iculaire dont elle est une fonction str icrement dcro issante.

1.8.1.2 Equilibre d'une particule argileuse dan s un milieu satur

Considrons deux particules argileuses que J'on peut reprsenter comme plates et parallles,

Quand elles sont immerges. c lics sont soumises, d'une part. il une pression extrieure SOllS for me

de contrainte effective o ' ct aux torees lectriques d'autre pan (voir figure 1. ] 7). Celles-c i secomposent de la pression osmotique de rpulsion P, et de la force "surfacique" d'attraction P-\ de

Van der Waals, qui dpend de la distance 2d entre les particule s et dcrot trs rapidement avec

cette distance .

Pour maintenir les particules la distance 2d , il faut que la contrainte nette (P. - PA ) quilibre

la contrainte de compress ion cr' et donc qu'elle soit rpulsive:

cr' cr'

Contribution il la conception de fondations sur les sols gonnanls : application aux sols du Cap des Biches

Sridharan et Jayadeva [7] ont con stat que , pour les matriaux argileux tels que la kaolinite ou lamontmorillonite, la force d'attraction de Van der Waals tait ngligeable devant la pression

osmotique de rpulsion , pour l'intervalle de pressions mesures habituellement en gotechnique.

Dans ces conditions, le mcanisme de gonflement s'explique de la faon suivante: lorsque la

contrainte effective baisse, l 'equilibre ne peut tre assur que par une diminution de la pression

osmotique de rpulsion, c'est--dire pour une minralogie du sol et une compos ition du liquide

interstitiel donnes, par un cartement des deux particules ; ceci tend par ailleurs diminuer

lgrement la force de Van der Waals. Ainsi, une diminution de contrainte effective se traduit au

niveau macroscopique par le gonfl ement interparticulaire des arg iles.

1.8.2 LE GONFLEMENT AU SENS MECANIQUELe phnomne de go nflement, de mme que le tassement , peut provenir d'un e modifi cat ion de

l 'etat de contraintes dan s le so l en prsence d'eau . II es t donc important de rappeler les bases de la

mcanique des sols appliques l'etat de co ntraintes dans un sol.

1.8.2.1 Contraintes dans un sol

Un sol est un systme constitu de 3 phases : une phase solide (les parti cules sol ides), une phaseliquide (eau en gnral) el une phase gazeuse (bulles d'air" ou fi lm d'air continu) Le sol estsatur si la phase gazeuse disp arat. c 'est --di re si tous les vides interp articulaires sont occup s

par l'eau. Dans un sol satur soumis une contrainte totale cr (g ostatique ou surch arge

extrieure), cette derni re se dcompose en :

cr ; (j ' + u (Postulat de Terzaghi) (1 .3)u dsignant la pression interstitielle savoir la pressi on de l'eau des pores et cr' la contrainte

effecti ve, c'est--dire la contrainte qui s'exerce rellement sur le sque lette solide. Si le sol est sec,

la pression interstitielle u est nulle et on a cr = cr'

Si l'lement de sol con sidr est situ sous la nappe phratique une cote Z , la pression

interstitielle est gale la pression exerce par la colonne d'eau sus-jacente soit u = y",zSi par contre, il se situe au -dessus de la nappe phratique, il peut tre satur ou non, selon les

caractristiques du mat riau qui le compose et la distance qui Je spare du toit de la nappe.

L'attraction entre les molcules adja cent es la surface d'un fluide (tension de surface) lui permet

Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abd ourahmane DIOP

20

Contribution il la conception de fondation s SUI' les so ls gonll::!nts : application aux sols du Cap des niches

de s' lever dans un capillaire au-dessus J e la ligne de pression atmo sphrique. La hauteur de

fluide dans le capillaire est donne par la loi de Jurin :

H cap20- cap ' cos Bcap

rcr.; (lA)

O C;C3p est la tension de surface, f C3 P le rayon capillaire, El ca p l'angle de contact solidelfl uide et

Yn le poids volumique du fluide. C'est ce phnomne qui permet un sol de retenir de l'eau au-dessus du toit de la nappe, par l 'intermedi aire de son rseau poreux. Il est caract ris par une

pression interstitielle ngative appele succio n.

Si l'lment de terrain n'e st pas satur. la pression interstitielle ngati ve est fonction de la

pression d'eau U'" et de la pression d'air Ua dans Je sol. Bishop [81 a propos une pression

interstitielle quivalente U * dfinie par : U of, = U 3 + X( U'" - U 3 )O X est un coefficient qui dpend du degr de saturation du sol: Xvarie entre 0 el l , ct est gal 1 pour un sol satur.

1.8.2.1 Gon flement d rl un e modi fication rie l'tat de contrain tes

Considrons un lment de sol satur ]'equilibre. Si une contrainte extrieure (Je est applique

cet lment de sol, ce lle-ci est immdiatement reprise par la phase liquide et au temps initial t

gal 0 on a :

{c;' = 0

Si l'on permet alors au sol de se drainer, un phnomne de consol idation va se dvelo pper,

correspondant l 'vacuation de l'e au et au transfert de contrainte de l'eau vers le squelette

solide. Un nouvel quilibre va alors s'tablir pour l'et at de contraintes :

Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de concepti on

{~, o= cre

Abdourahrnanc DIOP

21

Contribution ~ la conception de fondation s sur les sols gon tl a n ts : application :l U X sols du Cap des Biches

Si la contrainte (Je est alors supprime, le mme phnomne se produit , e t immdiatement :

{U = - (Je

a' = (Je

La pression interstitielle devient ngati ve (dans le domaine des succions) et oppose lavariation de contrainte totale . Dans des conditi ons de libre accs de l'eau , un phnomne de

gonflement va se dvelopper, exprimant l'absorption de l'e au et le transfert de contrainte

ngative de l'eau vers le squelette so lide, ju squ'a j'etat final:

{Tl = 0

(J' = 0

Nous dd uisons que la conso lida tion ex prime une diminution de la pression interst itielle ju squ'ason annulation alors que Je gonflement exprime la diminution de la succ ion (-u) jusqu'a sonannulation.

1.8.3 I~TEnPRETATION MICROSCOPIQUE DU GONFLEMENTLe gonflement. dont on con state les effets macroscop iques, se d veloppe en fait J'chelle

microscopique , et consiste en une rorganisation du squelette solide et du rseau poreux

constituant la texture du terrain.

1.8.3.1 Tex/ure des sols argileux

La texture dsigne la forme, la dimension et la disposition d'un certain nombre de minraux

naturellem ent groups en une popul ation au sein d'un matriau. L'tude de matriau x argileux au

M.E.B. (Microscope Electron ique Balayage) a permi s de cern er l' organisation des particulesd'argile et de dgager certaines textures.

Van Olphen a propos une c lassification base sur J'associati on des particule s argileuses entre

elles, partir des critres: dispers , agrg (face contre face en agrgats) , flocul (associationd'agrgats ou de particules bord-bord ou bord- face), deflocul (aucune associati on entre lespart icules ou entre les ag rgats) (vo ir figure 1.18). Cette class ificati on ne repos e pas sur uneobservati on directe, mais sur les possibilits d'assemblage gomtrique.

Projet de fin d 'tudes en vu e de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de co n cep tio n Abd o ura hrn ane DIOP

22

Contribut ion I~ conce pti on de Innd a ti ons s u r le s so ls go n n ~ n ls : applic ation :lU X so ls du Ca p de s Bic hes

deflocul , dispers defloc ul, agrg

flocul bord-face, dispers

flocul bord-bord, dispers flocul bord-face, agrg flocul bord-bord, agrgFi gure 1.1 S : A rra ngement des pa rti cu les d'arg ile

1.8.3.2 Evolution de la texture au cours du go nOement

Vayssade et Parcevaux ont obtenu des rsultats trs significatifs sur plusieurs argiles composes

essentiellement de kaolinite et, en moindre importance, d'un interstratifi illite-smectite. Leurs

observations au M.E.B. ont montr que les sols tudis ont, J'tat naturel, une texture assez

compacte, constitue plus ou moins nettement d'ag rgats argileux individualiss et tasss les lins

contre les autres. Au gonflement. cette textur e volue en une configuration Cil agr gats spars

par des pores. La tail le des agrgats diminue et l'epaisseur des pores augmente au cours du

gonflement. La figure 1.19 illustre cette volution.

Deux classes de pores ont t mises en vidence pour l'essen tiel des sols tudis:

./ une classe de pores intra agrgats (rayon de pores infrieur 0,05 mm),

./ une classe de pores inter agrgats (rayon de pores suprieur 0,05 mm).Pour la kaolinite, la classe de pores intra-agrgats ne varie pas au cours du gonflement.

L'augmentation de la porosit est due uniquem ent j'augm entation de la porosit inter-agregats ;elle correspond une croissa nce des rayons de pores au cours du gonflement.

Dans le cas des argilites lites (compos es essentiellement de montmorill onite), les microtexturesinitiales sont relativement serres et denses (figure l-19- a) ; le gonflement se tradu it par desouvertures entre les feu illets arg ileux composant les agrgats. Ce phnomne d'expansion est

compens par la fermeture partielle ou totale des discontinuits initial es, c'est--dire des espaces

inter-agrgats (figure 1-1 9-b).

23Projet d e fin d ' tud es en v ue d e l'obt ent iondu diplm e d'ingnieur de conception Abd ourahman e DIOP

Contribution ,i ln conception de Io nda ti ons sur les so ls go n ll nn ts : a p p lica ti o n aux sol s du C ap des Bich es

,Photo 9 ':cn:;JLa) Avant gonflement b) Aprs gonflementFigure 1.19 : Observati on au MEE d'une texture argileuse

1.8.4 SYNTHESE

En rsum. le gonflement est le phnomne d'augmentation de volume de l'argile quand elle est

en contact avec l'eau qui s'interca le dan s la structure, Les minraux arg ileux prsentent un

dsq uilibre de charge lectr ique ngatif net . qui attire le ple positif des molcul es dipolaires

d'eau et des cations. En consquence, les mol cules d'eau forment une doubl e-couche dans

l'espace interfolio laire ct provoq uent le changement de vo lume,

Le phnomn e de gonflement peut provenir d'une mod ificat ion de l' tat de contraintes dans le sol

en prsence d'eau ; il expri me a lors la diminution de la succion jusqu' a son annulation.La disposition des diffrente s particul es, c'est--dire la texture Cl une influence important e sur la

forme du gonfl ement. Les observ ations au microscope lectronique balayage montrent que ,

pour la kaolinit e, Je gonflem ent est uniquement de type inter-agregats, au niveau des pores

interstitiels alors que pour les sme ctit es, le gonfl ement es t de type intra -agreg ats, c'est--dir e

entre les feuillet s.

24Projet de fin d 'tutles en v ue de l'obtentiondu diplme d'in gnieur tic concepti on Abdourahrnanc DIOP

Co ntri butio n la co nce ptio n de fnnd a tio ns s ur les so ls gon tl a n ts : a p p lica tio n au x sols du Cap des Biches

Chapitre 2CARACTERISATION ET MESURE

DU GONFLEMENT

Se prmunir contre les effets du retrai t et du gonflement des argiles suppose qu'on puisse disposer

d'outils ncessaires qui puissent permettre :

d'identifier la nature des minraux argileux prsents dans le sol;

d'identifier partir d'essais gotechniques simples les sols potentiel lement gonflants ;

d'estimer, dans une premire phase. les paramtres caract risant le gonflement part ir de

modles tenant com pte des caract ris tiques dtermines par les essais gotechn iques

courants.

de mesurer ces pararn t l'CS dans une seconde phase .

La quantification du phnomn e du gonflement est essentielle pour le dimensionncment des

ouvrages. Dans la suite, nous rcap itu lerons l 'ensemble des informations obtenues sur la

carac.risari on du phnomne du gonfl ement. Les mthodes indirectes rel iant le gonfl ement aux

paramtres gotechniques pcrmcucnt d'identifier les terrain s gonflants alors que les essais de

gonflement caractr isent plus prcisment le comportement gonflant d'un chantillon.

Accompagnes de prcaut ions exprim entales , les diffrentes procdures d'essais permettent de

dterminer les valeurs des paramtres du gonflement prendre en com pte dans le

cl imensionnement.

2.1 IDENTIFICATION MINERALOGIQUE ET CHIMIQUELe caractre gonflant d ' un sol est di rectem ent li sa minralogie et sa compos ition chimique.

En rail. la structure minralogique de certaines argiles, telles que les montmorilJ onites, comport e

des liaisons faibles. Ainsi, l' eau peut s' interposer entre les feuillets de certa ins minraux tels que

la silice et les repousser, provoquant ainsi une augmentation du volume.

Les aspects minralogique et chimique pourront tre tudis avec les techniques suivantes :

Proj et de fin d'tudes cn vue de l'obtcnti ond u d ipl m e d 'ingni eu r d e co ncep tio n Abdo u ra hm a nc DIOP

2S

1Contribution ~ la conception de fondati ons s ur les sols gonnants : applica tio n aux sols du Cap des Biches

La diffraction aux rayons X qui es t une mthode utilise pour identifier les diffrent es

familles de minraux argileu x prsents dans le sol;

L'observation au microscope lectronique balayage. qui fournit rapidem ent des

informations sur la morphol ogie et la composition chimique des particul es solides;

La fluorescence aux rayons X qui permet de faire l' analyse de la composi tion chimique

du matriau;

Essai de teneur en carbonate de calcium (CaCO)), qui permet de savoir si Je sol tudiest une argi le ou une marne d pend arnment de la teneur en CaCO,.

2.2 IDENTIFICATION QUALITATIVE DU GONFLEMENTLes paramtres d'identifi cati on simple sont: J'indi ce de plasticit , J'indice de retrait,

l' acti vit. la surface spc ifique, la c.e.C , . .. .

L 'activit est la quantit 1\. d fini e com me le rapport de l'indice de plas tici t lp la teneur Ci,

panic ules argi leuses . Elle dpend princ ipa lement de la nature min ral ogique : pour une mme

proporti on d'argile. l' acti, it de gonne mell l pourrau ll'c ! l'l S d iff rente s'il s'agit d'u ne

kaolin ire ou d'u ne montrnori llonit c. M ais il faut se garde r de l' uti lisat ion abu sive de ce

paramtre.

Le tableau ::! .I don ne les ac t i v i t s des particules arg ileuses les plus courantes .

Type de minral A

QuartzHalloy site hydrate 0,1

Calcite 0 ,18Muscovite 0,2Kaolinite 0 ,46

Halloysite d shydrate 0,5Elite 0,90

Montmori Iionite calci que 1,5

MontmoriJl onite sodique 7,5, ' .Tableau 2- J : ActiVite de quelques parti cules ar gileu se s

La surface spcifique est la surface cumule de toute s les particule s dan s une quantit donnede matriau . Plus les particules sont petites, plus la surface spcifique est importante. Cette

Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abd ourahmarie DIOP

26

Co n ll-ih ul io n la con ception de Io uda ti nn s s u r les so ls go n Oa n ts : appli cn t ion aux sol s ou C ap d es Bich es

quantit physique intrinsque au matriau s'exprime en m~/g . Il existe deux surfaces spcifiques :la surf ace spcifique externe. que l'on peut associer au niveau interparticuJaire ; c'est ln surfacene comprenant pas la partie comprise entre les feuillets des minr aux argileu x ;

la surf ace spcifique interne, associe au niveau interfoli aire des minrau x argileux (et desphyllosilicates en gnra l), el le es t access ible j'eau et l'ethylne - glycol dans le cas desminraux gonflants comme les smectites.

La capacit d'change cationique (c.E.e) fait partie des caractristiques les plusintressantes connatre pour tudie r une argile ;

Le tableau 2.2 prsente les va leurs des surfaces spc ifiques et de bleu ainsi que de la capacit

d'change cationique de quelques minraux ,

Cableau 2-2: Surfaces s )clflques, valeurs de bleu et C.L C. de,quelqu es nllncraux Jn.uk ux

iV1 in raux Kaolinite1

Ilite Monunorillonite~ lI rfa c c interne (1ll 2/g) 0 1 :3 0-55 6 UO - ~(}U

1 Surface externe ( ~11 2/g ) J0-30 1 80-120 SOSurface totale (Ill e/ g) JO-30 1 JOO-15 inO-SCl nValeur de bleu VB (en g de bleu/ l OOg de so l) 1 1 1 3,6 3J1

[ Capacit d'change (meq/ ]00 g)-

3 - J5 1 J0--/0 -:O-i':f}l. -

Une relation entre la surface spc ifique totale Sp et la valeur de bleu de la phase argi leuse VB a

t mise en vidence par Tran Ngoc Lan:

SP = 21 YB x Pl (2- 1)

L'essai au bleu de mthylne, facile et rapide ra liser, reprsente un trs bon indicateur du

potentiel de gonflement d'un sol par la mesure de sa surface hydrophil e.

2.2.1 Approches empiriques

La litt rature co ntient un nombre co ns idra ble d'ap proc hes empi riques qUI perm ettent

d'apprcier le potentiel de gonflement des sols argileux, De trs nombreux auteurs ont reli

les limit es d'Auerberg ou des grandeurs tire s de celle- ci , comme l'i ndice de plast icit Ip et

l 'ind ice de retrait IRau go nflement sous di ffrente s form es.

Certains auteurs relient le potentiel de go nflement un seu l paramtre. Ains i et comme le

mont rent les tableaux 1-5-a , b, et c, Altm eyer, Ranganath am et Sa tyanarayana, Snethen [9Jproposent des class ifi cariori s qui donnent respectivement le potentiel de gonflement en

Projet oc fin dtudcs en vue o c l' o btentiondu diplm e o'ingnieu r oc con ception Abd o u rahm anc DIOP

27

Contribution il 1;) conception de fonation s sur les sols gonnants : app lica t ion aux sols du Cap des Biches

fonction de la limite de retrait IYn , de l'ind ice de retrait III et de l'indice de plasticit Ip .

L'indice de retrait est dfini comme la diffrence entre la limite de liquidit et la limite de

retrait.

\\' ( :/~.1P or euriel de

: gonflememi -1 - 811

-

, L -- ~ - C~'J~:".\",

-

-

je , :1.;

Tableau 2.3.a: Potentiel degonflement d'aprs

Altmeyer (1955).

r, 1~:) ) Po reritiel degontl-?mell.

CI-

.2(: L.d~.~ )~ I ~.L~ ~:_ 1. : -

-, ~ _- : ': t~~ . ~,"

. f-=; :01'(, ,.

Tableau 2.3.b: Potenti el de gonfl ementd 'aprs Ranganatham etSatyanarayana (1965).

l" 1::

Co n tri bu tio n fi la co nce ptio n de foud a tio us s u r les so ls go nlla n ts : a p p licatio n a ux so ls d u Ca p d es Bich es

P2 Pourcenl Potentie l de(%) Ir (%) WR age de retrait

retra it> 28 > 35 < 10 > 30 Tr s le v

20 - 13 25 - 40 10 - 15 20 -30 Elev< 13 15-30 15-25 10-20 MoyenTa blea u 7.S-a :_Potentie l de re tra it d' apr s Holt z

et Gib bs

_.

Potentiel de r, (%) WR \V I (%)gonfl ement (% )Fai ble < 18 > 15 20-35Moy en 15-25 10- 15 35-50

For t 25 - 35 7 - 12 50-70Tab lea u 2 .5- b :_Pot entie l de go nfle ment

d'aprs H oltz, Dakshanamu rthy

Le tableau suiva nt donne un rs um de l' experti se du USBR, base sur de nombreuses

recherc hes sur les argiles gonfl ante s et ex pans ives .

Ten eur en Indice de Limit e de Expans io n probab le en % de iacoll odes pia st ici t Re tra it Potent ie l de var iatio n de vo lume t ota le (dan s

(% - 1 PM) 1p WR gonnem ent les co nd itions sc hes il satures)sou s une surcharge de 6.9 "P af------

> 28 > 35 < Il Trs lev > 3020-3 1 25-4 1 7-1 2 Elcv 20-3013-23 15-2S 10-1 6 , Moven 10-20 1-: ' s 1 : 18 '. 15 Faible - 101 1 1

Tableau 2i!... Expans ion proba bl c se lon les donnees d'e ssa is de class ificat ion d'a pr s Go l i z

2.2.2 Estimation qu alitati ve par d es abaques

A ba q LI es de Casa g r a llde

Casagrande LI suggr une dmarche s implifie, base sur les limites d'Att erberg. L'abaque

de plasticit de Casagran de peut donn er autant de renseignem ent s pert inents que les essais

d'iden tifica tion minra logiq ue.

Les argiles gonflante s se placent de fa on presque parall le sur la ligne U dfinie par

l, = 0,9.(wl - 8) et s itue au dess us de la lign e A dfinie pa r lp= O, 73 .(w l - 20).Cependant une argile appa rtenant la band e dte rmin e par ces deux droites peu t ne pas tre

gon flante puisque des so ls mous peuvent par fois s'y placer.

Les dnomina tions dp endent de la position dans le diagramme : Argile au dessus de la ligne

A Limons en desso us ; pe u plast ique s s i \VI 50

Proje t de fin d ' tudes e n v ue d e l' ob te nti ondu di pl m e d ' in gnieur d e con cep tio n A bdo u r a h ma ne DIOP

29

Co ntr ibution il la conceplion tic fontl al iolls su r k s sols go nna nls : ~l p p li c a t i o n au x suis du Ca p des Biches

( J.l S S, f1( )110,. Of S \ ': ' l S / 111s P "' ~, LE DI.... P, "'/ .11.' E C' E c S.\I~R.t."O E.:;;-z,J!" 1. '.1 ".. ~ '11).:',

11J.:-,.. l h , II'IIl : l ''!.. P I .) ~.li :IU~ Tr.~. r1aS1i:11I-:- /y 1r 41 1!;,'II,. ....o ," -" ',-

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Fiuur c 2.1: Diagr amme de CasaQrande

2.3 ESl' IJ\1Al'ION QANTITAl'IVE PAR DES CaRRELAl'IONSDans la phase de reconnaissance prlim inaire . et une fois le car act re gonflant du sol pressenti.. il

est possible d'obtenir une estimation des paramtres du gonfle ment (amplitude et pression) ilpartir de nombreuses cor rlations proposes dans la littrature. Ces expressi ons empinques

mettent en relation les paramt res de gonflemen t avec les paramtres gotechniques dtermins ~

partir des essais d'ident ificat ion. Mais il faut se garder d'une util isation abusive de ces express ions

dont les valeurs ne doivent servir que 101's des tudes d'avant-projet sommaires.2.3 .1 P ress ion d e go nfle m en t

A partir d'une tude statistique sur 200 chantillons, David et Komornik ont dduit une relation

qui permet d'estimer la pression de gonflement:

Log (P g)= 2,08.WR+O, 006688 yd -2,69w+O,132 (2.2)La pression de gonflement Pz est donne en kPa ; la limite de liquidit W L et la teneur en eau

naturelle w sont en chiffre dcimal tand is que le poids volumique sec yd est en kN/m3.

En se basant sur les rsultats de 270 essais de gonflement raliss sur divers sols, Vijayvergiya etGhazzaly ont propos deux mod les qui permettent d'obtenir la pressio n de gonflement.

]log P =- (OAw, - w + 23.6)

g 12

Proje t de fin tI' tudes en vue de l' oht ent iondu di plme tI'ingnieu r tic conce ptio n

(2 ,3)

Abtlou ra hma ne DIOP

30

Contribution la conception de fondations sur les sols gonnants : application :lUX sols du Cap des Biches

(2.4)

Dans ces modles, la pression de gonflement Pg est donne en kPa ; le poids volumique sec est

en kN/m3, la limite de liquidit W1 et la teneur en eau naturelle w sont en chiffre dcimal.

2.3.2 Amplitude de gonflement

Pour l'amplitude de gonflement, les modles donnent gnralement le gonflement libre . Pour des

sols contenant entre 8 et 65 % d'argile, Seed et al. proposent une relation entre le taux de

gonflement Cg et l'indice de plasticit Ip . Le taux de gonflement est dfini comme tant le

pourcentage de gonflement d'un chantillon d'argile compact l'optimum Proctor et soumis

une charge de 7 kPa. Ce taux de gonflement est donn par la relation suivante :

=10-5 .1 2.24Cg p

Le modle propos par O'Neil et Ghazzaly s'crit:

e ==2.77+0.113w,-0.27wgtandis que le modle propos par Johnson et Snethen s'crit:

log g == 0.36w, - 0.0833w + 0.458

(2.5)

(2.6)

(2.7)

Dans les relations prcdentes, Cg est le gonflement libre en pourcents ; WI et w s'expriment en

chiffre dcimal pour la premire relation et en pourcents pour la seconde.

Sur la base de 270 essais de gonflement, Vijayvergiya et Ghazzaly ont tabli les corrlationssuivantes :

1logEg ==-(0.4w,-w+5.5)12

1log == - (6.242yd +0.65w, -130.5)s 19.5

(2.8)

(2.9)

o rd est en kN/m 3, et f: en pour cents, wl et w sont en chiffre dcimal pour la premire

relation et en pourcent pour la seconde.

31Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahmane DIOP

1Contribution ~ la conception de fondat ions sur les sols gonnants : application aux sols du Cap des l3iches

Le gonflement libre, obtenu partir des modles ci-dessus, peut tre rduit dans le cas o Je sol

serait soumis une pression de confinement av l'aide de la formule suivante propose par

Gogol]:

(2.10)

o av est la contrainte de confinement exprime en kPa

Remarques

Snethen [9] qui a valu le potentiel de gonflement in situ pour 20 types de sols de diffrents sitesdes USA et tudi 17 diffrentes techniques d'identification au laboratoire, conclut que les

relations les plus reprsentati ves du potentiel de gonflement se basent sur les limites de liquidit

et de plasticit .

D'aprs Seed et al, le potentiel de gonflement trs lev corre spond un gonflement libre

suprieur 25 %, un potentiel lev un gonfl ement compris entre 5 et 25 %, un potentiel moyen

un gonflement compris entre 1.5 et 5 % ct un potentiel faible un gonflement infrieur 1,5%.

Il est important de soul igner que ces relations et classifications sont essentielle ment dtermines

partir de sols reconstitus . Le potentiel de gonflement ainsi dtermin ne tient pas compte de la

macrostructure , de la fissuration , de l'tat de contraintes et des conditions de succion en nature,

qui ont une influence importante sur le comportement in situ du sol.

2.4 METHODES DIRECTES DE MESURE DU GONFLEMENT

2.4.1 Essais de gonflement au laboratoire

2.4.1.1 Problmatique des procdures d'essais

Les procdures d'essais de gonflement tirent leur diversit de la complexit du phnomne

analys, des nombreuses varits de matriaux gonflants et d'une longue pratique empirique.

Il semble illusoire , en effet, de chercher qualifier mcaniquement un sol susceptible de

gonfl er par une procdure universelle de laboratoire.

Les procdures d'essai s se distinguent principalement par les modalits d'application des

charges sur l'prouvette (charge de mise en imbibition, dure des paliers, taux dedchargement d'un palier l'autre , etc .), par leurs mthodes de suivi en temps. L'oedorntretait le seul appareillage prconis pour la rali sation des essai s de gonflement ; ces

Projet de fin d'tudes en vile de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahmane DIOP

32

Contribution ~ la co nce ption de Iond arion s sur Ics sols gonn ::l nts : applicati ou aux sols du Caf} des n iches

procdure s ont pu tre transposes , au moins dans leur prmcipe, au cas de l'appareill age

triaxi aJ. Elles ont donn lieu de nomb reuse s vari antes d'essais , avec l'utilisat ion

d'appareill ages et de mth odol ogies spc ifiq ues, voire de co mbinaisons de procdures.

Les procdure s sont presque toute s bases sur des essa is par paliers avec imbibition. A

chaque tape de J'essai, le gonflement se droule sous une contrainte ax iale constante en

principe jusqu' atteindre la stabilisation de la dformation.En toute rigueur, les param tre s dterminer (en gnral , pression de gonflement, amplitudede gonflement, indice de gonflement) pour ca ractriser les terrains gonfla nts ne sont pas lesmmes selon que l'obj ectif choisi est d'empcher le gonfle ment, de s'ass urer qu'il se produirade faon progres sive , de construire l'ouvrage ap rs achvement du processu s de gonflement.

2.4.1.2 P rocdures permettant l' chantillon de gonner

3) La m thode du gonOemenf libreDans cet essai, le gonflement est dit libre puisque l'chantillon n' est soumis qu ' la charge du

piston, ceci d 'ail leurs pour des raisons de commodit. L'es sai consiste placer l'c hantillon dans

la cellule oedom trique et de lui appliquer la charge due au piston. L'chantillon est ensuite mis

en contact avec de l' eau, ce qu i va provoquer son gonflement. Ce dernier est suivi l'aide de

comparateurs jusqu' la stabilisation des dformations verticales. Aprs cette phase, descontraintes croissantes sont appliques par palier sur j'chantillon jusqu' le ramener sa hauteurinitiale (Stamatopoulos et col, 1987 et Frydman et col, 1987). La dformation maximale obtenueentre le dbut et la fin de l'imbibition reprsente l'amplitude de gonflem ent. La contrainte

verticale ncessaire pour ramener l'chantillon son tat initial de dformation dfinit la pression

de gonflement. Il existe une procdure semblable celle-ci, elle utilise l' appareil triaxial et

dfinit donc une pression de gonflement isotro pe. Dans ce cas, l'chantilIon est plac dans la

cellule triaxiale et soumis une faible pression isotrope de confinement 03-Cp, 0 3 est la

pression de la cellule alors que Cp est une contre pression utilise gnralement pour amliorer la

saturation. Le gonflement de l'chantillon se produira lors de la saturation. La variation de

volume de l'chantillon et la quantit d'e au absorbe sont lues directement sur les burettes

prvues cet effet. L'chantillon est ensuite ramen son volume initial par l'applicat ion de

pressions isotropes croissantes. La pression isotrope applique la fin de cette phase dfinit la

pression de gonflement isotrope.33

Projet de fin d ' tudes en vue de l' obtenti ondu dipl me d ' ingnieur de concep tio n Abdoura hrna ne DIOP

Contribution ~ 1

Contribution il la conception de fondations sur les sols gonflants : appti cation aux sols du Cap des Biches

(chemin b). L'chantillon est de nouveau soumis chargement croissant pour le soumettre denouveau une contrainte proche de la contrainte 00 ' (chemin c). A partir de ce moment,l'chantillon est hydrat par l'intermdiaire d 'une pierre poreuse par le haut. Cet apport d'eau

provoque un gonflement reprsent par le chemin D'O. A partir du point D, un dchargement par

palier est effectu pour ramener l'chantillon la contrainte 01 (trs faible). Il se produit denouveau un gonflement qui est beaucoup plus important que celui obtenu sec .

Huder et Amberg dfinissent la pression de gonflement comme la contrainte axiale minimale

qu 'il faut appliquer l'chantillon pour que lors de l'hydratation, il ne se dveloppe pas de

gonflement.

2.4.1.3 Procdures empchant le gonflement de l'chantilon

Contrairement aux mthodes dcrites plus haut , les essais suivants ne permettent pas

l'chantillon mis en contact avec J'eau de changer de volume. Le principe cons iste bloquer le

piston de I 'oedorntre sur le bti afin d 'empcher la dformation verticale de l'chantillon. La

co ntrainte de gonflement vert icale est mesur e l'aid e d'un capteur de force intercal entre la

cellule et le bti.

Le principe peut tre appliqu l'aide de l'appareil triaxial. La dformation verticale de

lccharu i l lon est empche en bloquant le piston de la ce llule au bti . La raction verticale sur le

piston est mesure l'aide d'un capteur de force intercal entre le bti de presse et la cellule. Un

capteur de pression, branch directement sur la cellule, permet de lire la contrainte radiale de

gonflement.

a) GonOement selon la norme ASTM D-4546-90-Mtlwde CEn plus des mthodes A et B dcrites ci-dessus de la norme ASTM-O et qui permettent

l'chantillon de gonfler, cette norme propose une troisime procdure o l'chantillon est

empch de gonfler. Une contrainte initiale est applique l'chantillon, Cette contrainte est

prise gale soit la contrainte des poids des terres soit la pression de gonflement estime par

ailleurs. La lecture initiale est e ffectue aprs 5 minutes puis l'prouvette est humidifie . Le

gonflement est empch par application de faibles charges. Les dformations maximales tolres

entre deux paliers de chargements conscutifs doivent tre comprises entre 0,005 mm et 0,01

mm. Une fois le gonflement stabilis, un cycle de chargement-dchargement selon le chemin

oedomtrique (norme ASTM 0-2435-90) est appliqu. La pression de gonflement est corrigeselon la procdure dcrite par Rama et col, (1988). Elle correspond au point d'intersection de

35Projet de lin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahrnane DIOP

Contribution il la conception de fondations sur les sols gonflants; application aux sols du Cap des Biches

l'horizontale correspondant l'indice des vides du point de courbure maximal et de la tangente

la courbe de consolidation .

b) Mthode LCPC sans variation de volumeLe laboratoire central des ponts et chausses propose deux mthodes pour mesurer les paramtres

de gonflement des sols: la premire avec variation de volume et la seconde sans variation de

volume. Dans cette dernire , l'chanti llon est humidifi en bloquant son gonflement par

application de charges verticales . Une fois la contrainte maximale atteinte, l'chantillon est

dcharg pour le remettre sous la contrainte des poids des terres O"vo en respectant au moins trois

valeurs intermdiaires de manire diviser le chemin de dchargement en quatre paliers gaux.

La pression de gonflement est donne par la contrainte applique sur l'chantillon quand ce

dernier ne prsente plus de tendance au gonflement.

La diversit des mthodes montre que la pression de gonflement 0 g n'est pas une grandeur

intrinsque au matriau mais dpend fortement du chemin de chargement et de l'tat initial du

sol.

2.4.2 Essais de gonflement in situ

2.4.2.1 Mesure de l'amplitud e de gonflement

La mesure de l'amplitude de gonflement est possibl e in situ , mais elle est souvent trs longue

et ncessite plusieurs mois de lecture . Cette mesure la surface d'un sol peut tre ralise par

simple contrle topo graphique autour d'un jalon gradu plant trs profondment. On peutaussi utiliser un expanso-collapsometer : c'est un appareil qui permet d'adapter un essai de

plaque la mesure du gonflement; un dispositif d'humidification est mis en place sous la

plaque. Des essais ont t raliss au Maroc par le Laboratoire Public d'Essai s et d'Etudes

(LPEE) pour le contrle du gonflement en vue de l'tud e des fondation s de support de canauxet des fondations de btiment.

36Projet de fin d'tudes en vue de J'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahmane DIOP

Contribution il la conception de fondations s u r les sols gonnants : a pplicat ion aux sols du Cap de s Biche s

.f:' . ..:

Figure 2.2 : Appareil de Ferreira et Lacerda

2.4.2.2 Mesure de la pression de gonflement

Les essais mcaniques in situ classiques (pntromtre, pressiomtre) sont impuissants pourdceler et tudier ce genre de prob lme. Le temps relat ivement long de dveloppem ent du

gonflement dans les sols explique en partie le faible nombre d'essais in situ, car la ralisation

d'essais mobilisant des qu ipes et du mat riel pendant des dur es importantes ne saurait tre

envisage.

Dans le cadre de la recherche , on peut instrum enter un puits en plaant un anneau de mesure

JnU I1l de capteurs d'effort et d'extensomtres et en enregis trant j'volution de la pression degonfl ement aprs saturation du puits.

Flavigny et AI ont dvelopp un dispositi f pressiomtrique conu pour oprer faible profondeur

dans des conditions habituell es d'essai s,

j 1s'agit de deux sondes pressiomtrique s superposes relies chacune un systme de mise en

pression entre lesquelles se trouve un dispositif d'humidifi cation. La sonde suprieure est dvolue

aux essais pressiomtriques normau x tandis que la sonde infrieure permet pendant

J'humidification de raliser un essai de gonflement libre ou de gonflement volume constant

2.5 FACTEURS INFLUANT SUR LE GONFLEMENT

Les mthodes les plus cour antes de mesure des paramtre s de gonflem ent viennent d'tre

rappeles, Cette diversit de mthodes entrane des rsultats diffrents pouvant avoir des

variations assez importantes. Les modalits d'appl ication des charges sur l'prouvette, le taux de

37Projet de fin d 'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahmane DIOP

Contribution il la conception de fondations sur les sols gonflants: a pplicat ion aux sols du Cap des niches

chargement (par palier, continu ou brutal), les mthodes de SUIVI en temps rel, peuventgalement influencer la mesure du gonflement.

Ce paragraphe consiste mettre en vidence, sur la base des rsultats donns dans la

littrature, J'influence de ces facteurs sur le gonflement

2.5.1 Influence de l'tat initial du sol

2.5.1.1 Influence de la teneur en eau initiale du sol

En gnral, la capacit de gonflement diminue avec l'augmentation de la teneur en eau initiale

des chantillons cornpacr s la mme densit initiale.

Krornoko cit par Guiras-Skandadji insiste sur le fait que la pression de gonflement estd'autant plus importante que la teneur en eau est faible et que le maximum de gonflement est

obtenu pour une teneur en eau w = WOP 1 - 2%.

Hachichi et FJeureau montrent qu'il y a une tendance la diminution du gonflement lorsque

la teneur en eau initiale augmente et que l'augm entation de la teneur en eau ne conduit une

diminution du gonflement qu'au dessus de la limite de retrait.

DOl utl"CS pensen t que la teneur en eau initial e dtermine la structure initial e du sol, par

consquent des chantillons la mme teneur en eau initiale aboutissent la mme variation de

volume indpendamment du chemin de contrainte suivi, alors qu'une faible diffrence de teneur

en eau de 0,5% 1% donne des variations de volume diffrentes pour Je mme chemin de

contrainte suivi (Barden et col. 1969).Edil et Alanazy (Cit par Guiras, 1996), trouvent que la teneur en eau initiale des chanti lionscompacts la mme densit sche a une influence considrable sur les paramtres du

gonflement, la pression latrale et verticale du gonflement augmentent lorsque la teneur en eau

diminue. (Figure 2.3)L'influence de la teneur en eau initiale dpend des caractristiques du sol et des conditions de

l'essai. Pour les essais de gonflement libre ou sous charges constantes, la pression de gonflement

augmente quand la teneur en eau initiale diminue pour la mme densit sche. Pour les essais de

gonflement volume constant, la pression de gonflement est indpendante de la teneur en eau

initiale (Guiras, 1996)0

38Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahmanc DIOP

Contribution il la conception d e fondations sur les sols gonflants: application aux sols du Cap des Biches

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Figure 2.3 : e ffet de la teneur en ea u initia le sur le gonflement par la procdure du gonflement libre avec

..QJ!= 6.9 kpa

Cependant, quelques articles montrent que la pression de gonflement maximale est

indpendante de la teneur en eau initiale:

Korninc et Ogata [9J trouvent que pour une bentonite Na faiblem ent corn pact e, le taux degonflement est indp endant de la teneur en eau initiale. En revan che, ils montrent une

dpendance entre le taux de gonflement et la teneur en eau initi ale pour de fortes densits

sches.

2.5.1.2 Influence de la densit sche initiale du sol

Tous les auteurs s'accordent pour indiquer que la densit sche initiale influence de faon

importante la pression de gonflement. Les rsultats relatifs l'influence de la densi t sur la

pression de gonflement indiquent que la valeur de celle-ci augmente lorsque , toutes valeurs tant

gales par ailleurs , la densit sche augmente . Mais certains auteurs trouvent qu'il y a un lger

effet de la teneur en eau . Nous prsentons ci-dessus quelques rsultats.

Sridharan et al ont men 32 essais de gonflement volume constant avec quatre teneurs en eau

initiales et diffrentes densits initiales (figure 2-4) ; les rsultat s montrent une relation entre lapression de gonflement et la densit. On constate que la pression de gonflement croit de faon

exponentielle avec la densit sche et qu'elle est lgrement lie la teneur en eau initiale.

39Projet de lin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnicur dc conccption Abdourahm ane DIOP

Contribution la conception de fondations sur les sols goufla nrs : a pplicatio n :lUX sols du Cap des Biches

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Figure 2 . ~ :. variation de la pre ssion de gonflement en fonction de la den sit sche initiale

L'tude exprimentale mene par Komine et Ogata , portant sur les caractristiques de la bentonite

compacte, diffrentes densits et teneurs en eau initiales , permet de tirer les conclusions

suivantes :

la courbe de dformation en foncti on du temps dpend fortement de la densit sche

initiale. de la pression verticale et de la teneur en eau initiale;

le tau>, de gonfleme nt en fonction du temps est ind pendant de la teneur en eau initiale

pour des faibles densit s, mais en dpend normm ent pour des densit s leves :

la pression de gonflem ent maximum croit exponentiellement avec l'augmentation des

valeurs de la densit initiale, mais elle est peu dpendante de la teneur en eau initiale.

D'autres recherches sur l'influence de la densit sche ont t menes en utilisant d'autres

procdures de mesures . Les rsultats obtenus confirment cette proportionnalit entre les

paramtres du gonflement et la densit sche initiale (Biarez et col. 1990).

2.5.2 Influence du chemin de contraintesDavid et Kormonik ont effectu un premier essai sur un chantillon intact soumis une charge de

1180 kPa, puis dcharg et humidifi , la pression de gonflement mesure est de )020 kPa et lepourcentage de gonflement est de 8% lors du dchargement. Pour le mme sol, un chantillon

remani, humidifi sous une faible charge, aboutit une pression de gonflement de 30 kPa et un

pourcentage de gonflement de 0,8%. lis expliquent la diffrence des valeurs observes par

l'augmentation du nombre de particules orientes perpendiculairement la charge extrieure et

l'augmentation de la densit cause par Je prchargement.

40Projet de lin d'tudes en vu e de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahmane DIOP

Contribution il la conception de fondations sur les sols gonflants : application aux sols du Cap des Biches

Sridharan et al., Alonso et al. [9] affirment que la pression de gonflement dpend normmentdu chemin de contraintes, et que les rsultats obtenus varient pour diffrents chemins de

contraintes.

Alonso et al. prcisent encore que cette pression n'est pas une proprit fondamentale du sol

expansif, mais plutt l'effet de plusieurs comportements (mcanique et hydrique) et des cheminsde contraintes extrieures imposs.

2.5.3 Influence du compactageLes diffrentes mthodes de compactage aboutissent des structures diffrentes ce qui influence

les paramtres de gonflement.

Mukerjee et satyanarayana [9] concluent que les valeurs de pression de gonflement etd'amplitude de gonflement pour un sol fortement gonflant compact statiquernent sont plus

importantes que les valeurs du mme sol compact dynamiquement.

Edil et Analazy arrivent au mme rsultat : la pression de gonflement verticale ct latrale d'un

chantillon compacte statiquement est plus importante que celle d'un chantillon compacte

dynamiquement. Ce rsultat serait d

1Contribution il la conception de fondations sur les sols gonOants : application aux sols du Cap des Biches

par rapport la direction du compactage . Ils mettent en vidence le caractre directionnel duphnomne et concluent que :

la pression de gonflement dpend de J'orientation des prouvettes;

au dbut de J'humidification la valeur la plus leve de la pression de gonflement est

donne par l'prouvette dont la direction de compactage concide avec l'axe de

l'oedomtre ;

le rapport initial entre la pression de gonflement mesure sur un chantillon dont l'axe

de compactage concide avec l'axe de l'oedomtre, et un autre dont l'axe est

perpendiculaire vaut 0,58. Ce rapport augmente ensuite avec Je temps pour atteindre

une valeur voisine de j'unit, ce qui indique que la forte anisotropie initiale tend disparatre avec la progression du gonflement.

2.5.5 Syn thseCe paragraphe nous a montr que le gonflement des sols argileux est influenable par

plusieurs facteurs ; celui-ci dpend fortement de la teneur en eau initiale et de la densit sche

initiale du sol.

L'tude de l'influ ence du mode de compactage a t aborde par plusieurs auteurs . Les

diffrente s mthodes de compactage aboutissent des rsultats diffrents.

Un autre aspect mis en vidence par des essais sur chemin triaxial est l'anisotropie.

2.6 EVOLUTION DU GONFLEMENTLe gonflement des sols argileux est un phnomne trs lent du fait de la faible permabilit des

argiles et de la diminution continuelle du gradient en fonction du temps qui tend drainer l'eau

dans le sol.

2.6.1 Evolution du gonflement en fonction du temps

L'volution du gonflement avec le temps est lie d'une part, la rpartition du gonflement

interparticulaire et du gonflement interfoliaire et d'autre part, l'volution de l'hydratation.

Le gonflement interparticulaire tant une raction pseudo - lastique au dchargement , sa raction

est lente et peut durer plusieurs annes, mme lorsque la succion est compltement annule.

Le gonflement interfoliaire est beaucoup plus rapide et aurait tendance se stabiliser assez vite,

aprs quelques saisons voir quelques mois seulement.42

Projet de fin d'tudes en vue de J'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahmane DIOP

1Contribution la conception de fondations sur les sols gonnants : application aux sols du Cap des Biches

L'volution de l'hydratation qui gouverne les deux phnomnes est souvent trs lente et

progresse de faon plus ou moins continue, en particulier sous un btiment o elle alimente en

permanence Je gonflement interfoliaire. En consquence, dans des cas similaires, il faudrait 5

la ans pour voir se stabiliser les mouvements de gonflement au centre d'un btiment (Mouroux,J989) .Les courbes d'volution du gonflement en fonction du temps obtenues au laboratoire sont

similaires celles de la consolidation.

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Cont r ibut ion fi la co ncep tion d e ron d :1ti ()n ~ su r les so ls go n n:1 nts : ap plica t io n a ux so ls d u Ca p de s Bich es

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'1Contribution il la conception de fondations sur les sols gonnants : application aux sols du Cap des Biches

en fonction du temps. JI faut noter que pour des faibles charges, la cintique du gonflement peut

durer plusieurs annes pour atteindre la stabilisation .

Les procdures de mesure du gonflement ne peuvent nullement tre gnralises. Le procd

dpend troitement des critres de fiabilit et d'conomie.

Dans une premire tape, une hirarchisation de ces procdures a permis de prsenter et de

dfinir l'ensemble des cas qui peuvent se prsenter tenant compte des besoins des tudes.

En second lieu et afin de s'intresser l'volution du gonflement en fonction du temps, par

analogie aux paramtres de consolidation, il a t propos deux coefficients (Gp) et (Gs)caractrisant respectivement Je gonflement primaire et le gonflement secondaire.

En dernire tape et dans un souci d'enrichissement des procdures de mesure du gonflement, il a

t introduit l'tude de la cintique du gonflement qui a permis une bonne approximation du taux

de gonflement final .

Projet de fin d'ludes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abdourahrn ane DIOP

45

Contribution :i la conccpt io n de fond ations sur les sols gonflants : applicati on aux sols du Car des Biche s

Chapitre 3

CARACTERISATION DES SOLS

DE LA SIPRES CAP DES BICHES

Souvent, les campagnes de reconnaissance gotechnique ne prvoient pas la mesure des

paramtres de gonflement. Ceci est totalement justifi par le cot qu'ils induisent travers letemps que prennent de pareils essais. Pour un gotechnicien, systmatiser ce genre d'essais est

donc une aberration , d'autant plus qu'il est tout fait possible d'apprcier et d'estimer les

paramtres de gonflement d'un sol partir d'autres paramtres gotechniques simples et

rapides mesurer , l'ingnieur doit disposer de ces outils. Les valeurs des paramtres estims

indirectement conditionneraient la conduite des essais de la campagne de confirmation. Bien

sr, la mesure directe des paramtres de gonflement est incontournable avant la phase

d'excution si les paramtres gotechniques simples font pressentir un caractre expansif du

sol.

3.1 LOCALISATION DU SITE

La prsente tude a t ralise sur des sols provenant de la tranche 4A de la cit Sipres Cap

des biches (Dakar, Rufisque) . Les sols ont t caractri ss par une tude minralogique etchimique afin de voir et mieux comprendre la constitution des minraux argileux et par une

tude gotechnique base sur des essais d 'identification physique simples (analysegranulomtrique, limite d'Atterberg ... ). Ces essais ont t compl ts par des mesures directesdes paramtres du gonflement.

3.2. STRATIGRAPHIE DU SITE

La stratigraphie est une branche de la gologie qui tudie les roches sous forme de couches ou

strates.

Les puits J 4 ont t raliss en allant de la tranche 3B vers la mer. La stratigraphie du site

rvle que le bloc de marne se dveloppe avec la proximit de la mer jusqu ' occuper toute laprofondeur du site.

Vraisemblablement il se dveloppe, en allant vers la mer, un processus de sdimentation:

argile noirtre ---. argi le noirtre beige ---. argile beige --. bloc de marne______________________________46Projet de fin d'tudes en vue de l'obtentiondu diplme d'ingnieur de conception Abd ourahrnane DIOP

Contribution il 1:1 conccption dc fondations sur les sols gonflants : application aux sols du Cap dcs Biches

NPuits Profondeur (m) Type de sol chantiIJon

-

a 0,6 remblais sable de dune- - ~ ---

Puits 1 0,6l ,2 argile noirtre 11,2 1.5+ argile beige 4

0,3 argile beige noirtre '"l-'Puits 2 0,3 0,75 Argile beige 4

partir de 0,75 bloc de marne 2

Puits 3 a 0,75 bloc de marne 2 partir de 0,75 bloc de marne 2

a 0,5 bloc de marne 2Puits 4 partir 0,5 bloc de marne 2

Tabl eau 3. j : Stratigraph Ie du site

Cette impression est confirme par les tudes gotechniques effectues par le Centre d 'tudes

du btiment et des travaux publics (ex. CEREEQ) lors de la ralisation de la centrale du Capdes biches en 1963 selon lesquelles l'argile noirtre se transformait en marne .

3.3. GEOLOGIE DU SITELes sols du Cap des biches se sont dvelopps partir des formations de calcaires et marno-

calcaires de l'Yprsien et de ceux du Luttien Suprieur. Ce sont des calcaires trs durs,

compacts , grains fins, et renferment des rognons de silex . Se dbitant facilement en plaques

ou en dalles, ils donnent des moellons pour la construction (pierres de Rufisque) [la].

3.4. ANALYSES MINERALOGIQUE ET CHIMIQUELe potentiel de gonflement d'un sol argileux est directement li sa minralogie. En fait la

structure minralogique de certaines argiles, telles que les montmorillon