Programmation VBA, développement rapide dinterfaces Alexis Clay, OGI.
Sols Definition Structures Clay Mineral
-
Upload
rayane-kassal -
Category
Documents
-
view
374 -
download
3
Transcript of Sols Definition Structures Clay Mineral
1
GEOTECHNIQUEGEOTECHNIQUE
Chapitre 1. Définitions, caractérisations physiques, structure et identification
Les essais et les mesures in-situ
Chapitre 2. Mécanique des milieux continus appliquée aux sols: relations contraintes - déformations
2
Éléments de mécanique des sols F. Schlosser Presse ENPC
REFERENCES
Mécanique des sols G. Olivari Cours de l ’ENTPE
+ Autres références
Soil Mechanics Lambe T.W. & Whitman R.V.
Introduction à la géotechnique R.D. Holtz et al. École polytechnique de Montréal
GGééotechniqueotechnique
3
I-1 Généralités - définitionsI-1.1 Objet de la géotechnique et de la mécanique des sols
Reconnaissance du terrain Géologie appliquée, géophysique
Détermination des propriétés physiques, Géotechniquehydrauliques et mécaniques (objectif: comportement < 10m)
Les études:
technique du génie civil appliquée à l’étude des sols et des roches
Chapitre 1. Définitions, caractérisations physiques, structure et identification
GGééotechniqueotechnique
4
La mécanique des sols
⇒ précédé d’une reconnaissance du terrain⇒ précédé d’une réflexion sur les hypothèses à retenir
⇒ assortie d’un coefficient de sécurité suffisant
Est la partie de la géotechnique qui traite du calcul des déformations propres du terrain et des sollicitations exercées (poids propre du terrain et charges à supporter)
Sol
isotrope
homogène
….etc
L’étude (le calcul) doit être:
Marges de sécurité
une solution économique
GGééotechniqueotechnique
5
Chimiquedécomposition des minéraux par
oxydation, réduction, carbonatation, dissolution sous l’action de
l’eau,….etc
Sol: une formation naturelle de surface, meuble, d ’épaisseur variable qui résulte de la transformation d ’une roche-mère sous l ’influence de processus chimiques, physiques ou mécaniques.
Les grains ne sont pas soudés les uns aux autres mais frottent ou adhèrent entre eux.
mécanique, physique- cycles de gel - dégel
- variations thermiques
- érosion
- activités humaines, animales et végétales
I-1.2 Origine des sols et définition
Altération (désagrégation)
Pédologie(Sciences des
sols en agronomie)
Grains finsstructure cristalline identique à la roche mère
Grains très fins
structure cristalline différente de la roche mère
GGééotechniqueotechnique
6
Squelette solide (grains minéraux)
Eau libre
Eau capillaire faiblement liée
Eau adsorbée
Grains (particules) < 2 µ désagrégation chimique
Grains (particules) > 2 µ désagrégation physique ou mécanique
SOLSOL
Air
Air et vapeur d’eau
I-2 Éléments constitutifs d’un sol
Milieu tri-phasique
Eau
Gaz
Squelette solide (grains minéraux)
Eau
Gaz
Rôlecohésion, lubrifiant, transmission
des sollicitations
SOL secSOL sec
SOL humideSOL humide
SOL saturSOL saturéé
GGééotechniqueotechnique
7
D > 20 µ (0,02 mm)
D < 20 µ
SOLS GRENUSSOLS GRENUS
Granulaires Granulaires -- pulvpulvéérulentsrulents
Grains non minéraux - matières organiques
I-3 Différents types des sols
Résistance au cisaillement f ( forces de volume ou de pesanteur) - frottement
SableSable
SOLS FINSSOLS FINS
CohCohéérentsrents D < 20 µRésistance au cisaillement f ( forces de surface et
force entre particules - forces d’attraction Van der Wals et force de répulsion) - cohésion
ArgileArgile
SOLS ORGANIQUESSOLS ORGANIQUES TourbeTourbe
DDéécomposition composition des vdes vééggéétauxtaux
GGééotechniqueotechnique
8
Schéma d’un volume élémentaire de sol - Poids et volumes des différentes phases
I-4 Paramètres de définition des sols
Squelette solide
Eau
Gaz
PoidsPoids
Ws
Ww
Wa = 0
VolumesVolumes
Vs
Vw
Va
Vv
VW
Ws poids des grains solides Ww poids de l’eau W poids total du sol
Vs volume des grains solides Vw volume de l’eauV volume total du sol
Vv volume des vides entre les grains Wa volume de l’air
W = Ws + Ww
V = Vv + Vs
V = Va + Vw + Vs
GGééotechniqueotechnique
9
I-4 Paramètres de définition des sols
Schéma d’un volume élémentaire de sol -Poids et volumes des différentes phases
Squelette solide
Eau
Gaz
PoidsPoids
Ws
Ww
Wa = 0
VolumesVolumes
Vs
Vw
Va
Vv
VW
γ γ γ γ poids spécifique total du solV
W =γ
γγγγs poids spécifique des particules solides s
s
VsW
=γ
γγγγd poids spécifique du sol à l ’état sec V
dsW
=γ
γγγγ poids spécifique déjaugé (lorsque le sol est entièrement immergé)w - γγγ =′
γγγγw poids spécifique de l’eauw
w
V
W w=γ
GGééotechniqueotechnique
10
I-4 Paramètres de définition des sols
Schéma d’un volume élémentaire de sol - Poids et volumes des différentes phases
Squelette solide
Eau
Gaz
PoidsPoids
Ws
Ww
Wa = 0
VolumesVolumes
Vs
Vw
Va
Vv
VW
La teneur en eau w
100%x w
W w
s
w=
L’indice des vides e
s
v
V
V e =
Le degré de saturation Sr
100%x V
VSr
v
w=
La porosité n
V
Vn v=
e1
en
+=&
GGééotechniqueotechnique
11
I-5 Relations entre les paramètres
Prenons Vs = 1
Donc Ws = γγγγs Vs = γγγγs
De même: e = Vv/Vs donc e = Vv
� γ = γ = γ = γ = W/V = (1+w)/(1+e) γγγγs
s e1
w1 γγ
++=
s n)(1 γγ −=d
s
ws
γγγγγ −=′
d
Schéma d’un volume élémentaire de sol - Poids et volumes des différentes phases
Squelette solide
Eau
Gaz
PoidsPoids
γγγγs
w γγγγs
Wa = 0
VolumesVolumes
1
Vw
Va
e
V(1+w)γγγγs=1+e
w
sr =G avec G w = e S
γγ
GGééotechniqueotechnique
12
.
I-5 Relations entre les paramètres GGééotechniqueotechnique
13
3
s
3 kN/m 28kN/m 26 >< γ3
s kN/m 26,5 ≅γ
3kN/mSOL e s γ w γ
3kN/m
Sable de Fontainebleau 10 %0,8627 16
30 %0,7726,7 19,7Argile verte de Sannoisien
16 %0,4926,2 18Limon d ’Orly
I-6 Valeurs de quelques paramètrespour différents sols en place
3
w kN/m 10 =γ
200 % 13,5Tourbe - sol organique
GGééotechniqueotechnique
14
I-3 Différents types des sols
D > 20 µ (0,02 mm)SOLS GRENUSSOLS GRENUS
Granulaires Granulaires -- pulvpulvéérulentsrulents Résistance au cisaillement f ( forces de volume ou de pesanteur) - frottement
SableSable
D < 20 µSOLS FINSSOLS FINS
CohCohéérentsrents D < 20 µRésistance au cisaillement f ( forces de surface et
force entre particules - forces d’attraction Van der Wals et force de répulsion) - cohésion
ArgileArgile
GGééotechniqueotechnique
15
16
Structure des sols
Comportement des sols grenus
Gros Grains (grosses particules) donc vides de grandes dimensions
Comportement des sols grenus sec Comportement des sols grenus humide≅≅≅≅≅≅≅≅
Forte perméabilité
Propriétés mécaniques fonction de
- dimension et forme des grains solides et
- l’état de compacité du sol
GGééotechniqueotechnique
17
Structure des sols
Comportement des sols fins
Petits Grains (particules fines) donc vides de faibles dimensions
Comportement des sols fins secs Comportement des sols fins humides≠≠≠≠≠≠≠≠
Faible perméabilité
Propriétés mécaniques fonction de
- la teneur en eau
- la composition minéralogique- la structure: organisation des particules et forces d’interaction
Les propriétés mécaniques évoluent solide liquide
GGééotechniqueotechnique
18
Structure des sols Comportement des sols fins
Limites d’Atterberg
La teneur en eau d'un sol à différents états et les comportements de ce sol
ωωωωLωωωωpωωωωs
Teneur en eau 0 ωωωω %%%%
Fragile Mi-solide Plastique LiquideÉtat
Limites d’Atterbeg: Liquidité, plasticité, retrait
Sans retrait
Avec retrait
I p = ωωωωL - ωωωωp
Indice de plasticité
I L = (ωωωωn - ωωωωp)/ Ip
Indice de liquidité
GGééotechniqueotechnique
19
Limite de plasticité
C'est la teneur en eau au-dessous de laquelle il n'est plus possible de confectionner des boudins de sol de 3 mm de Ø sans qu'ils se rompent ou s'émiettent.
GGééotechniqueotechniqueStructure des sols Comportement des sols fins
Limites d’Atterberg
20
Structure des sols Comportement des sols fins
Limites d’Atterberg
Limite liquidité
ωωωω
Nombre de coups (échelle logarithmique)
En tournant la manivelle, on actionne la came qui soulèvela coupelle et la laisse tomber d ’une hauteur normalisée
Outil à rainurer
Tracé du sillon à l’aide de l’outil à rainurer
ωωωωL
25
Le mortier est placé dans une coupelle et est séparéen 2 parties par une rainure. Des coups secs sont imprimés à la coupelle avec un appareillage spécial. Par définition, la limite de liquidité est la teneur en eau pour laquelle les deux lèvres de la saignée se rejoignent sur une longueur supérieure à 1 cm pour un nombre de coups donnés à la coupelle égale à 25.
GGééotechniqueotechnique
21
I-7 Structure des sols
I-7.2 Comportement des sols fins
Limon d’Orly 122436
Argile verte du Sannoisien 373067
SOL ωL IPωP
% % %
GGééotechniqueotechnique
22
Structure des sols Comportement des sols fins
Les argiles Très petites particules minérales d < 2 µm
Le comportement est fortement influencé par la structure cristalline de base
A. Structure cristalline
2 structures de base sont à l’origine de toutes les argiles
La silice tétraédrique SiO2 L’hydroxyde d’aluminium octaédrique Al(OH)3
Si
Schéma du feuillet de silice
Al
Schéma du feuillet en octaèdre d’aluminium
Vue isométrique d’un feuillet de silice en tétraèdre Vue isométrique d’un feuillet en tétraèdre
2 feuillets de base
GGééotechniqueotechnique
23
Structure des solsStructure des solsStructure des sols Comportement des sols finsComportement des sols finsComportement des sols fins
Les argilesLes argilesLes argilesB. Les différents types d’argile
Schémas de la structure de
la kaolinite
1 A° = 10-8 mm
1 nm = 10 A°
la MonmorilloniteL’illite
SiSi
SiAl
Liaison forte
Liaison faible
Sol non gonflant
Forte affinité avec l’eau - sol gonflant
GGééotechniqueotechnique
24
les Kaolinites (distance entre feuillets 7 Å),les Illites (distance entre feuillets 10 Å) ;
les Montmorillonites :(distance entre feuillets 15 Å à 25 Å).Les deux premières dont les distances entre feuillets sont faibles ne laissent quasiment pas pénétrer l'eau entre les feuillets. On a des argiles non gonflantes.Par contre les montmorillonites laissent pénétrer l'eau : ce sont des argiles gonflantes (smectiques, beidellites,...).
10042,0sec2sec
% ×<<=
mmsoldePoidsmsoldePoids
Argileµ
ArgileIp
A%
(%)=
Activité des argiles : Teneur en argilePar définition, la teneur en argile (exprimée en %) est égale à :
L'activité d'une argile est alors définie par :
A < 0,75 : argiles inactives
0,75 < A < 1,25 argiles normales
A > 1,25 argiles actives
GGééotechniqueotechnique
25
Structure des solsStructure des solsStructure des sols
Résultat de la désagrégation mécanique ou physique des roches
Particules de dimensions entre 2µ et 20µm
Distinction difficile entre argile et limon à l’œil nu
Propriétés « plastiques » dues à la présence de l’argile
Comportement des limons
GGééotechniqueotechnique
26
Les essais d’identification
La granulométrie des sols
Granulométrie des sols grenus
Tamis pour analyse granulométrique
TAMISAGETAMISAGE
Granulométrie des sols fins SEDIMENTATIONSEDIMENTATION
Dispersion des particules de sol dans l’eauOn mesure la variation de densité de la solution, en cours de décantation, à différents
niveaux , en fonction du temps, avec un densimètre
V = f(d2) loi de Stock
GGééotechniqueotechnique
27
III---8 Les essais d8 Les essais d8 Les essais d’’’identificationidentificationidentificationLa granulomLa granulomLa granulomééétrie des solstrie des solstrie des solsGranulométrie des sols grenus
Exemple de courbe granulométrique d’un sol très argileux
dp
% p
60d
d=
GGééotechniqueotechnique
28
Les essais d’identification
Paramètres indépendants: w, γγγγs , e
La teneur en eau 100%x w
W w
s
w=
Ws : masse après 24H à l ’étuve (105 °C) & Wh: Masse initiale du sol humide
100%x W
WW w
s
sh −=
Le poids spécifique des grains solides
s
s
VsW
=γ
Ws introduit dans un récipient contenant de l’eau distillée: Vs volume de l ’eau déplacée par le sol
L’indice des vides V
V e
s
v=V
W
11 e s
sγ−=
GGééotechniqueotechnique
29
Les essais d’identification
Essais propres aux sols grenus
La densité relative
100%x e e
e e D
minmax
maxr
−−=
Dr < 50% Sol lâche
Dr > 50% Sol dense
Essais propres aux sols fins
Forte teneur en montmorillonite sol sensible à l’eau
Analyse minéralogique DRX, ….
GGééotechniqueotechnique
30
Les essais dLes essais dLes essais d’’’identificationidentificationidentification
Essais propres aux sols finsEssais propres aux sols finsEssais propres aux sols fins
Teneur en matière organique
Teneur en CaCO3
Pb de compressibilité
Résistance mécanique augmente avec le % de CaCO3
0 - 10% de CaCO3 Argile10 - 30% ==== Argile marneuse30 - 70% ==== Marne70 - 90% ==== Calcaire marneux90 - 100% ==== Calcaire
Une oedeur caractéristique
GGééotechniqueotechnique
31
Classification des sols
Un bouteur àchenilles Un murUn sol
1er cas: Formation d’un mur
grains très fins d<20 µSol cohérent
2er cas: Formation d’un talus
grains séparés, gros d>20 µSol frottant
3er cas: ÉcoulementSol organique
Classification grossière!
GGééotechniqueotechnique
32
Classification des sols
Sols à granulométrie uniforme 2 10 D
60 D <
20 µ
SOLS GRENUS SOLS FINS
Diamètredes grains
Cailloux
20 mm
Graves
2 mm
Sables fins
Gros sables
0,2 mm
Limons Argiles
2 µ
GGééotechniqueotechnique
33
Les différentes classifications des sols reposent en général sur la classification américaine USCS(Unified Soils Classification System) dont les bases sont :
• le pourcentage d'éléments gros et fins (< 80 µm)• la forme de la courbe granulométrique,• les limites Wl et Wp ainsi que l'indice Ip.
Classification des sols
GGééotechniqueotechnique
34
Classification des sols
Sols à granulométrie non uniforme
Sols grenus 50% d’éléments en poids > 80µ
2 10 D
60 D >
Sols fins 50% d’éléments en poids < 80µ
Sols organiques Teneur en matière organique élevée
GGééotechniqueotechnique
35
a) Éléments du sol :G : grave.S : sable.L : limon ou sols limoneux.A : argile ou sols argileux.T : tourbe.O : sols organiques.
Sols à granulométrie non uniformeClassification des sols GGééotechniqueotechnique
b) Granulométrie :b : bien gradué.Toutes les dimensions de grains sont représentées , aucune ne prédomine.
m : mal gradué. Une (ou plusieurs) dimension de grains prédomine.
c) Plasticité du sol :t : très plastique(limite de liquidité élevée).
p : peu plastique(limite de liquidité faible).
36
a) Éléments du sol :G : grave.S : sable.L : limon ou sols limoneux.A : argile ou sols argileux.T : tourbe.O : sols organiques.
Sols à granulométrie non uniformeClassification des sols GGééotechniqueotechnique
b) Granulométrie :b : bien gradué.Toutes les dimensions de grains sont représentées , aucune ne prédomine.
m : mal gradué. Une (ou plusieurs) dimension de grains prédomine.
c) Plasticité du sol :t : très plastique(limite de liquidité élevée).
p : peu plastique(limite de liquidité faible).
37
a) Éléments du sol :G : grave.S : sable.L : limon ou sols limoneux.A : argile ou sols argileux.T : tourbe.O : sols organiques.
Sols à granulométrie non uniformeClassification des sols GGééotechniqueotechnique
b) Granulométrie :b : bien gradué.Toutes les dimensions de grains sont représentées , aucune ne prédomine.
m : mal gradué. Une (ou plusieurs) dimension de grains prédomine.
c) Plasticité du sol :t : très plastique(limite de liquidité élevée).
p : peu plastique(limite de liquidité faible).
38
60
10u
dC
d=
260
10 30
( )c
dC
d d=
×
Cœfficient d’uniformité (Cu) ou coefficient de Hazen
Cœfficient de courbure (Cc)
Suivant la forme granulométrique et la valeur des 2 coefficients, on dira que la granulométrie est étalée ou serrée, continue ou discontinue, bien graduée ou mal graduée.
On détermine les caractéristiques du sol par 2 coef ficients : GGééotechniqueotechnique
39
Classification des sols
Sols à granulométrie non uniforme
GGééotechniqueotechnique
40
GGééotechniqueotechnique
41
Casagrande’s PI-LL Chart
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Liquid Limit
Pla
stic
ity In
dex
A-line
U-line
montmorillonite illite
kaolinite
chlorite
halloysite
42
Autre classification :Une autre type de classification des sols fins a été mis au point par le "Public Road Administration", mais qui n'est pas applicable aux sables et graviers habituels. Dans un échantillon de sol donné, on admet qu'il y a en proportion variable du sable, du limon, et de l'argile. On utilise alors un diagramme triangulaire.
GGééotechniqueotechnique
43
Hétérogénéité des sols
Stratification
Homogénéité: variations horizontale et variation avec la profondeur
Couches horizontales
Variations continues de caractéristiques Coupes géotechniques
Matériau homogène: propriétés identiques en tout point
si non hétérogène
Dispersion moyennes statistiques(paramètres d’identification)
GGééotechniqueotechnique
44
III---7 Structure des sols7 Structure des sols7 Structure des sols III---7.27.27.2 Comportement des sols finsComportement des sols finsComportement des sols fins
III---7.27.27.2---222 Les argilesLes argilesLes argiles C. L’eau adsorbée
Les particules d’argiles sont très plates longueur >>> épaisseur
Attraction et Adsorption des couches d’eau Surface spécifique = Surface / volume
Montmorillonite 800100-10003
Valeurs moyennes des dimensions relatives, des épaisseurs et des surfaces spécifiques des minéraux argileux les plus communs
(d ’après Yong et Warkentin 1975)
Argile Épaisseur type
Surface spécifique
Diamètre (l) type
nmm2/g SP/γγγγs
nm
Illite 8010 00030
Kaolinite 10 - 20300 - 400050 - 2000
Exemples de Sp: Cube 1x1x1 cm Sp=0,6/mmCube 1x1x1 mm Sp=6/mmCube 1x1x1 µm Sp=6000/mm
Cube Sp = 6/LSphère Sp = 6/d
Viscosité élevée Élimination à des température . 200 °C - 300 °CPropriétés de l’eau adsorbée
GGééotechniqueotechnique
45
46
Chapitre 2 Chapitre 2
La mLa méécanique des milieux continus appliqucanique des milieux continus appliquéée aux solse aux sols
relations contraintes relations contraintes -- ddééformationsformations
II-1. Préambule
II-2. Rappel des principaux résultats de MMC utilisés en mécanique des solsII-2.1 Notion de contrainteII-2.2 Les équations de l’équilibreII-2.3 Notion de déformation
II-3. Distribution des contraintes dans les sols saturés: principe de TERZAGHIII-3.1 Contraintes dans les solsII-3.2 Application des équations de l’équilibre aux solsII-3.3 Notion de loi de comportement II-3.4 Lois de comportement des sols
⇒ Comportement à court terme ⇒ comportement à long terme
GGééotechniqueotechnique
47
Préambule
Principe de base de la MMC Après déformation Deux points voisins restent voisins
Un sol milieu polyphasé écoulement d’eau sous les sollicitations
Soit le sol ≡≡≡≡ 2 milieux continus distincts
sol sec & eau
Soit le sol est un milieu continue non drainé
Milieu homogène & isotropepropriétés identiques en tout point & identiques dans toutes les directions
Après cisaillementplan de glissement
GGééotechniqueotechnique
48
Distribution des contraintes dans les sols saturésPrincipe de TERZAGHI
Contraintes dans les sols saturés
1fr
2fr
ifr
nfr
(I)
(II)
P
Fr
Massif de sol saturé, homogène et isotropeMilieu continu
Contrainte totale σσσσ
La pression de l’eau dans le
sol est appelée pression
interstitielle u
La contrainte du squelette solide dans le sol est
appelée contrainte
effective σσσσ'
u+′= σσττ ′=
Sol sec σσσσ = σσσσ'
GGééotechniqueotechnique
49
Distribution des contraintes dans les sols saturés: Principe de TERZAGHI
Application des équations de l’équilibre aux sols
Sol indéfini à surface horizontale
M
X
Z
γσσσσz
Sol soumis à l ’action de la pesanteur γ
Cas de plusieurs couches de sol
i1
.dn
iiz ∑
== γσ
d1
d2
dn
γγγγ1
γγγγ2
γγγγn
zz .γσ =
GGééotechniqueotechnique
50
Distribution des contraintes dans les sols saturDistribution des contraintes dans les sols saturééss
Lois de comportement des sols
La notion de contraintes effectives permet de distinguer pour les sols saturés⇒ Comportement du liquide interstitiel⇒ Comportement du squelette solide u+′= σσ ττ ′=
Comportement à court terme Comportement à long terme
Sous la charge appliquéeÉvacuation complète de l’eau sous pression
Sous la charge appliquéeL’eau n’a pas le temps de s ’évacuer
comportement du squelette solidecomportement à la fois
du squelette solide et de l’eau
Analyse en terme de contrainte effectiveAnalyse en terme de contrainte totale
GGééotechniqueotechnique
51
52
Pour la lecture des tableaux de classification, les symboles utilisés ont la signification suivante :
a) Éléments du sol :G : grave. Le gravier en est la fraction principale.S : sable.L : limon ou sols limoneux.A : argile ou sols argileux.T : tourbe.O : sols organiques.
b) Granulométrie :b : bien gradué. Toutes les dimensions de grains sont représentées , aucune ne prédomine.m : mal gradué. Une (ou plusieurs) dimension de grains prédomine.
c) Plasticité du sol :t : très plastique (limite de liquidité élevée).p : peu plastique (limite de liquidité faible).
GGééotechniqueotechnique
53Limites d’Atterbeg: Liquidité, plasticité, retrait
Rés
ista
nce
àla
com
pres
sion
sim
ple
I-7 Structure des sols
I-7.2 Comportement des sols fins
I-7.2-1 Limites d’Atterberg
ωωωωLωωωωpωωωωs
Teneur en eau 0 ωωωω %%%%
Fragile Mi-solide Plastique LiquideÉtat
I p = ωωωωL - ωωωωp
Indice de plasticité
I L = (ωωωωn - ωωωωp)/ Ip
Indice de liquidité
54
I-8 Les essais d’identification
I-8.3 Essais propres aux sols grenusI-8.3.1 Essai d’équivalent de sable (de propreté de sable)Propreté des sables Ps (P 18-597)
Ps = 100 (h2/h1)
Es = 0 argile pureEs = 20 sol plastiqueEs = 40 sol non plastiqueEs = 100 sable pur et propre
h1
55
Thixotropie des boues argileusesCertaines boues argileuses (bentonites) à grains fins du type Montmorillonites, ont la propriété de passer quasiment directement de l'état liquide lorsqu'elle sont agitées à l'état solide. Ces bentonites sont utilisées en particulier pour les forages dans le sable car avec le sable il se forme un voile solide sur les parois du trou, ce voile solide (cake) étant parfaitement imperméable tandis que le centre du trou reste mou.
56
I-8 Les essais d’identification
I-8.1 La granulométrie des sols
I-8.1.1 Granulométrie des sols grenus
Ouverture des mailles carrées des tamis en millimètres
Exemple d’une série de tamis pour un essai granulométrique
Tamis pour analyse granulométrique
TAMISAGETAMISAGE
57
III---7 Structure des sols7 Structure des sols7 Structure des sols III---7.27.27.2 Comportement des sols finsComportement des sols finsComportement des sols fins
III---7.27.27.2---222 Les argilesLes argilesLes argilesB. Les différents types d’argile
Atomes d ’aluminium, de fer, de magnésium
Atomes d’oxygène
Vue isométrique de la structure atomique de la montmorillonite(d’après grim, 1959)
OH Hydroxyles
Atomes de silicium ou d’aluminium
Ca++, Li+,
K+, Fe++
58
I-6 Essai au bleu de méthylène
La valeur au bleu du sol, ou VBS , est alors donnée par la formule: v rn w q VBS VBS = V x 0,01 rn 1+w x100xq :
volume de bleu de méthylène verséen cmj : masse de sol humide soumis àl'essai en g : teneur en eau de l'échantillon : en g pourcentage de passant à 5mm : en g de bleu pour 100g de sol
59
I-7.1 Comportement des sols grenus
Gros Grains (grosses particules) donc vides de grandes dimensions
Comportement des sols grenus sec Comportement des sols grenus humide≅≅≅≅≅≅≅≅
Forte perméabilité
Propriétés mécaniques fonction de- de dimension des grains solides et
- de l’état de compacité du sol
I-7.2 Comportement des sols fins
Petits Grains (particules fines) donc vides de faibles dimensions
Comportement des sols fins secs Comportement des sols fins humides≠≠≠≠≠≠≠≠
Faible perméabilité
Propriétés mécaniques fonction de la- teneur en eau
- composition minéralogique
- structure: organisation des particules et forces d’interaction
Les propriétés mécaniques évoluent solide liquide
I-7 Structure des sols
60
Construction
I-1 Généralités - définitionsI-1.1 Objet de la géotechnique et de la mécanique des sols
/ Terrain - terre - sol Un support d’ouvrage
Matériaux naturels ou dérivés Un massif (barrage en terre, mur de soutènement)
Résistance mécanique,
Fondations,
Tassement,
Stabilité,
…etc
Chapitre 1. Définitions, caractérisations physiques, structure et identification
61N. SivakuganN. N. N. SivakuganSivakuganSivakugan
Duration = 15 mins.
62SIVA
Copyright©2001
Elements of Earth
12500 km dia
8-35 km crust % by weight in crust
O = 49.2Si = 25.7Al = 7.5Fe = 4.7Ca = 3.4Na = 2.6K = 2.4Mg = 1.9other = 2.6
82.4%
63SIVA
Copyright©2001
Soil Formation
Parent Rock
Residual soil Transported soil
~ in situ weathering (by
physical & chemical
agents) of parent rock
~ weathered and
transported far away
by wind, water and ice.
64SIVA
Copyright©2001
Parent Rock
~ formed by one of these three different processes
igneous sedimentary metamorphic
formed by cooling of
molten magma (lava)
formed by gradual
deposition, and in layersformed by alteration
of igneous &
sedimentary rocks by
pressure/temperaturee.g., limestone, shale
e.g., marble
e.g., granite
65SIVA
Copyright©2001
Residual Soils
Formed by in situ weathering of parent rock
66SIVA
Copyright©2001
Transported Soils
Transported by: Special name:
� wind “Aeolian”
�sea (salt water) “Marine”
�lake (fresh water) “Lacustrine”
�river “Alluvial”
�ice “Glacial”
67SIVA
Copyright©2001
68SIVA
Copyright©2001
Basic Structural Units
0.26 nm
oxygen
silicon
0.29 nm
aluminium or
magnesium
hydroxyl or
oxygen
Clay minerals are made of two distinct structural units.
Silicon tetrahedron Aluminium Octahedron
69SIVA
Copyright©2001
Tetrahedral Sheet
Several tetrahedrons joined together form a tetrahedral sheet.
tetrahedron
hexagonal
hole
70SIVA
Copyright©2001
Tetrahedral & Octahedral Sheets
For simplicity, let’s represent silica tetrahedral sheetby:
Si
and alumina octahedral sheetby:
Al
71SIVA
Copyright©2001
Different Clay Minerals
Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals:
1:1 Clay Mineral (e.g., kaolinite, halloysite):
72SIVA
Copyright©2001
Different Clay Minerals
Different combinations of tetrahedral and octahedral sheets form different clay minerals:
2:1 Clay Mineral (e.g., montmorillonite, illite)
73SIVA
Copyright©2001
Kaolinite
Si
Al
Si
Al
Si
Al
Si
Al
joined by strong H-bond
∴no easy separation
0.72 nm
Typically 70-100 layers
joined by oxygen
sharing
74SIVA
Copyright©2001
Kaolinite
� used in paints, paper and in pottery and pharmaceutical industries
Halloysite� kaolinite family; hydrated and tubular structure
� (OH)8Al 4Si4O10.4H2O
� (OH)8Al 4Si4O10
75SIVA
Copyright©2001
Montmorillonite
Si
Al
Si
Si
Al
Si
Si
Al
Si
0.96 nm
joined by weak
van der Waal’s bond
∴easily separated
by water
� also called smectite; expands on contact with water
76SIVA
Copyright©2001
Montmorillonite
� A highly reactive(expansive) clay
� montmorillonite family
� used as drilling mud, in slurry trench walls, stopping leaks
� (OH)4Al 4Si8O20.nH2O
high affinity to waterBentonite
swells on contact with water
77SIVA
Copyright©2001
Illite
Si
Al
Si
Si
Al
Si
Si
Al
Si
0.96 nm
joined by K+ ions
fit into the hexagonal
holes in Si-sheet
78SIVA
Copyright©2001
Others…
� A 2:1:1 (???) mineral.
� montmorillonite family; 2 interlayers of water
� chain structure (no sheets); needle-like appearance
Chlorite
Vermiculite
Attapulgite
Si Al Al or Mg
79SIVA
Copyright©2001
A Clay Particle
Plate-like or Flaky Shape
80SIVA
Copyright©2001
Clay Fabric
Flocculated Dispersed
edge-to-face contactface-to-face contact
81SIVA
Copyright©2001
Clay Fabric
� Electrochemical environment (i.e., pH, acidity, temperature, cations present in the water) during the time of sedimentation influence clay fabric significantly.
� Clay particles tend to align perpendicular to the load applied on them.
82SIVA
Copyright©2001
83SIVA
Copyright©2001
Scanning Electron Microscope
� common technique to seeclay particles
plate-like structure
� qualitative
84SIVA
Copyright©2001
Others…
X-Ray Diffraction (XRD)
Differential Thermal Analysis (DTA)
� to identify the molecular structure and minerals present
� to identify the minerals present
85SIVA
Copyright©2001MEB: Etude de la texture
- Le traitement modifie notablement la texture de l’argile. Il diminue le nombre de pores ayant une grande dimension mais il connecte les pores.
- La taille des agrégats de l’argile diminue également.
5µm
Foca purifiée Traitée à 10% de chauxFoca purifiée
5µm
FoCa
86SIVA
Copyright©2001MET « coupe » : Etude de l’influence du traitement
Non traitée traitée
-Le sol traité est plus compacte: le nb. moyen de feuillets par paquet passe de 10 à 20 environ
- La disparition des feuillets individuels et la présence de très peu de paquets ouverts
FoCa
FoCa
87SIVA
Copyright©2001
• Apparition des nouveaux pics CAH (7.6A° et 3.67A° ) -
CAH: Ca3Al2O6 XH20 (02-0083, J.C.P.D.S) néoformé par la réaction pouzzolanique
• Absence des pics de la chaux libre après 28 jours: consommation totale de la chaux
• Augmentation de l’intensité des pics de la calcite ( carbonatation de la chaux)
• Après 28 jours de maturation à 49°C: augmentation des pics de CAH et apparition d’autre nouveaux
pics (3,04°A et 2,786°A), correspondant àCSH : Ca1.5SiO3.5XH2O (33-0306, J.C.P.D.S).
Diffractogrammes RX
de l’argile non traitée (ANT) et
traitée (AT) à10% de chauxaprès
28 et 90 jours à 20°C
et après
28 jours à 49°C0
50
100
150
0 10 20 30 40 50 60 70
ANTAT 28 Js-20°CAT 90 Js-20°CAT 28 Js-49°C
CA
H
CA
H
2 θ (degrees)
Inte
nsiti
es
CA
H
CA
H
Cal
cite
CA
H
CA
H
CA
H
CS
H
CS
H
Évolution de la minéralogie avec le traitement
FoCa
88SIVA
Copyright©2001
La chaux (Calcia): 93% Ca(OH)22, elle contient 6,7% de la calcite (impureté)
2. Caractérisation des matériaux de l’étude
-0,3
-0,25
-0,2
-0,15
-0,1
-0,05
0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Température (°C)
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
DTG
TG
Ca
(OH
)2
DT
G (
mg
/ m
in)
TG
(%
)
Cal
cite• La composition minéralogique:
Ca(OH)2: 93% ; (320°C-460°C)
Calcite : 6,7%
Courbes ATG-TG de la chaux hydratée séchée à 105°C
Chaux
89SIVA
Copyright©2001
Casagrande’s PI-LL Chart
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Liquid Limit
Pla
stic
ity In
dex
A-line
U-line
montmorillonite illite
kaolinite
chlorite
halloysite
90SIVA
Copyright©2001
91SIVA
Copyright©2001
Specific Surface
� surface area per unit mass (m2/g)
� smaller the grain, higher the specific surface
e.g., soil grain with specific gravity of 2.7
10 mm cube1 mm cube
spec. surface = 222.2 mm2/g spec. surface = 2222.2 mm2/g
92SIVA
Copyright©2001
Isomorphous Substitution
� substitution of Si4+ and Al3+ by other lower valence (e.g., Mg2+) cations
� results in charge imbalance (net negative)
++
+ + +
+
+
__ _
_ _
_
_
___
_
_
_
_
_
_
_
_
_
__
__
positively charged edges
negatively charged faces
Clay Particle with Net negative Charge
93SIVA
Copyright©2001
Cation Exchange Capacity (c.e.c)
� capacity to attract cationsfrom the water (i.e., measure of the net negative charge of the clay particle)
� measured in meq/100g (net negative charge per 100 g of clay)
milliequivalents
known as exchangeable cations
� The replacement power is greater for higher valence and larger cations.
Al 3+ > Ca2+ > Mg2+ >> NH4+ > K+ > H+ > Na+ > Li+
94SIVA
Copyright©2001
A Comparison
20-3080Chlorite
80-120800Montmorillonite
20-3080-100Illite
3-1010-20Kaolinite
C.E.C (meq/100g)
Specific surface(m2/g)
Mineral
95SIVA
Copyright©2001
Cation Concentration in Water
+++ +
+
++
+
+
+
+
+
+
+
++ +
+
+
+ +
++
++
+
+
+
+
+
+
++
+
++
+
+
+
++
+
+ + +
+
+ +
+
+
+
+
+
+
+
+ ++
+
+
+
++
++
+
+
+
+
+
+
++
+
++
+
+
+
+ +
+
cations
� cation concentration drops with distance from clay particle
- -- -- -- -- -- -- -
clay particle
double layer free water
96SIVA
Copyright©2001
Adsorbed Water
- -- -- -- -- -- -- -
� A thin layer of water tightly held to particle; like a skin
� 1-4 molecules of water (1 nm) thick
� more viscous than free water
adsorbed water
97SIVA
Copyright©2001
Clay Particle in Water
- -- -- -- -- -- -- -
free water
double layer
water
adsorbed water
50 nm
1nm
98SIVA
Copyright©2001
99SIVA
Copyright©2001
Summary - Clays
� Clay particles are like plates or needles. They are negatively charged.
� Clays are plastic; Silts, sands and gravels are non-plastic.
� Clays exhibit high dry strength and slow dilatancy.
100SIVA
Copyright©2001
Summary - Montmorillonite
� Montmorillonites have very high specific surface, cation exchange capacity, and affinity to water. They form reactive clays.
� Bentonite (a form of Montmorillonite) is frequently used as drilling mud.
� Montmorillonites have very high liquid limit (100+), plasticity index and activity (1-7).