Essais au laboratoire et in-situ

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Cours CTN 504
Mécanique des sols
L i L i , ing., Ph.D
Professeur en géotechnique
Département de génie de la construction
Bureau: A-1484
Courriel: [email protected]
Éteindre votre cellulaire, SVP!
Essais de mesure
en laboratoire et/ou sur le terrain
Contenu
• Échantillonnage
• Mesures au laboratoire
– Torvane
– TV
– Cône suédois
• Mesures in situ
–
–
–
–
SPT
Scissomètres
CPT
Caractérisation des argiles
Contenu
• Échantillonnage
• Mesures au laboratoire
– Torvane
– TV
– Cône suédois
• Mesures in situ
–
–
–
–
SPT
Scissomètres
CPT
Caractérisation des argiles
• Le prélève des échantillons dépend de l’objectif.
• Un échantillon non-remanié (impossible!) est nécessaire s’il
s’agit de mesurer la résistance de cisaillement et la
caractéristique de consolidation.
• Un échantillon remanié est suffisant s’il s’agit des essais pour
classification ou limites d’Atterberg.
• Carottier fendu (« standard split spoon ») est un des
échantillonneurs les plus connus et utilisés. Plus de détail
sera donné avec l’essai SPT (standard penetration test). Il
fournit des échantillons remaniés.
• Tube Shelby, Piston stationnaire et l’Échantillonneur de
Denison sont les trois méthodes les plus utilisées pour
obtenir des échantillons non remaniés.
(a) L’échantillonneur Tube Shelby
est un tube métal à paroi
mince. Pour obtenir un
échantillon, le tube Shelby est
poussé hydrauliquement dans
les sols. Après prélèvement,
l’échantillon est laissé dans le
tube pour transport ou sorti
par une poussée hydraulique.
(b) Piston stationnaire est une
adaptation du Tube Shelby par
l’ajout d’un piston qui sert à
pousser le tube mince dans les
sols non remaniés à partir du
fond du forage.
Échantillonneurs de catégorie non-remaniée: (a)
Tube Shelby; (b) Piston stationnaire (tiré de
McCarthy 2002)
 L’échantillonneur de Denison est
un échantillonneur à double
parois. Le tube extérieur tourne
pour couper les sols.
L’échantillon est contenu dans le
tube intérieur.
 Cette méthode permet d’obtenir
des échantillons dans des sols
durs ou cimentés tandis que les
deux premiers seront dangereux
à appliquer dans cette situation.
Échantillonneur de Denison (tiré de
McCarthy 2002).
Contenu
• Échantillonnage
• Mesures au laboratoire
– Torvane
– TV
– Cône suédois
• Mesures in situ
–
–
–
–
SPT
Scissomètres
CPT
Caractérisation des argiles
Essai au Torvane (TV)
Essai au pénétromètre (PP)
Essai au cône suédois
Contenu
• Échantillonnage
• Mesures au laboratoire
– Torvane
– TV
– Cône suédois
• Mesures in situ
–
–
–
–
SPT
Scissomètres
CPT
Caractérisation des argiles
Essai de pénétration standard (SPT)
 Cette technique consiste à battre
dans le sol un tube ouvert de 25
mm de diamètre entre les étapes
de forage.
Composantes du système de SPT
Système de battage
Échantillonneur
Procédure de SPT
 Cette procédure a été normalisée en notant le nombre de coups requis pour
avancer l’échantillonneur de 300 cm, après une pénétration initiale de 150 mm.
 Le nombre de coups requis pour chaque 150 mm de pénétration doit être noté.
 L’indice N est le nombre de coups total requis pour les deux derniers 150 mm, soit:
N = N1 + N2
L’essai doit s’arrêter si N0, N1 ou N2 > 50 ou N0 + N1 + N2 > 100. On considère ces cas
comme refus (rencontre de bloc, sol dense ou roche-mère).
150 mm
N0
150 mm
N1
150 mm
N2
Application des données de SPT
 Avant tout, il faut mentionner que le SPT doit être utilisé pour les sols sableux en
général.
 Il faut être très prudent de l’utiliser pour les argiles.
Corrélation entre l’indice de SPT et la
compacté du sol pulvérulent en place (tirée
de Morin 1994)
Relation empirique entre l’angle de
friction  et l’indice N de SPT
(Philipponnat et Hubert 2005)
Exercice 1
Les essais de pénétration standard (SPT) donnent les résultats suivants dans un sable,
en coups de marteau par 15 cm d’enfoncement :
10, 10, 12
12, 11, 12
11, 11, 11
Comment qualifiez-vous ce sable? Quel est sa résistance au cisaillement?
Essai scissométrique de chantier
(Field van shear test, FVT ou VST)
• Cette technique est la plus couramment utilisée pour déterminer la résistance de
cisaillement des argiles en condition non-drainée, cu.
• Le scissomètre est recommandé pour les argiles molles à raides; il ne doit pas être
utilisé pour les sols non cohérents.
•
L’essai consiste à insérer le moulinet
scissométrique dans le sol, et le tourner
jusqu’à la production d’une rupture.
•
La résistance au cisaillement en condition
non drainée peut être estimée à partir du
couple à la rupture et les dimensions du
moulinet.
Essai FVT (tirée de McCarthy 2002)
Le moulinet devrait avoir un rapport hauteur sur diamètre de 2
(classiquement 100 mm / 50 mm).
Moulinet rectangulaire
Moulinet conique (tiré de McCarthy 2002)
Moulinet rectangulaire
cu 
Où T
H
D
a
2Tf
D H / D  a / 2 
3
= couple maximum mesuré
= hauteur du moulinet
= diamètre du moulinet
= coefficient de la répartition
du cisaillement sur les faces
supérieure et inférieure du
cylindre de rupture.
Pour une répartition uniforme
(hypothèse habituelle), on déduit
a = 0.66. En prenant en compte
la condition H/D = 2, on obtient:
cu 
6Tf
7 D
3
Moulinet conique
cu 
Tf
 D  0 . 37 2 D  d
3
3
3

Où T = couple maximum mesuré
D = diamètre du moulinet
d = diamètre des tiges.
Correction des résultats de FVT/VST (CGS 2006)
c u corr
  c u site
Coefficient de correction µ pour
les essais de scissomètre FVT ou
VST (tiré de Morin 1994)
Exercice 2
Les essais de scissomètre avec un moulinet rectangulaire donnent Tf = 100 N.m. Le
moulinet a une longueur standard de 100 mm et un diamètre de 50 mm. Les limites
d'Atterberg sont données comme suit:
wL = 90% et wP = 30%.
Calculer les résistances au cisaillement non-drainée, mesurées et à utiliser dans les
conceptions.
Essai de pénétration (statique) au cône (CPT)
• L’essai CPT consiste à enfoncer une pointe (cône) de 10 cm2 de
section (avec un angle de 60o) dans le sol à vitesse constante.
• Cette technique a été initialement développée au Pays-Bas, pour
cette raison elle s’appelle parfois « Cône de Dutch »
• Deux types de cône est couramment utilisés:
– Cônes mécaniques (« cône de Dutch » et « cône de Begemann »)
– Cône électrique (« cône électrique » et « cône de Fugro »)
Pénétromètre mécanique au cône de Dutch
CPT de base
Cette technique est la base de pénétromètre
mécanique au cône.
en état contracté
en état
étendu
Pour tester le sol, le tige extérieur est poussé si bien
que l’ensemble du pénétromètre est enfoncé.
À une profondeur voulue, le tige (ou tube) extérieur
est bloqué à la position tant que le tige intérieur est
poussé avec une force pour avancer le cône d’une
distance prédéfinie (50 mm usuellement). La
pression de résistance au cône qc peut être estimée
en divisant la force appliquée requise par la section
du cône (10 cm2) ou enregistrée par une cellule de
pression.
Cette technique permet de mesurer seulement la
pression de résistance au cône (appelée aussi
capacité portante de pointe), qc
50 mm
Pénétromètre mécanique au cône
de Dutch (tiré de McCarthy 2002)
Pénétromètre mécanique au cône de friction
une modification de CPT de Dutch
Cette nouvelle configuration est connue comme « Cône de
Begemann ».
tête de
pression
tubage de
friction
La modification consiste à l’ajout d’une manche de friction
(tubage de friction) au dessus de la partie du cône.
en état contracté en état étendu
CPT au cône de Begemann
(tiré de Das 2004)
Pénétromètre mécanique au cône de friction – CPT de Begemann
La résistance de friction est calculée comme la
différence des deux valeurs mesurées.
Tout s’avance
L’essai se fait en deux étapes à une profondeur donnée:
1) La tête et le manche de friction s’avance comme
une seule unité. On obtient ainsi une résistance
totale (qc + fs).
2) Le manche de friction est bloqué et le cône s’avance
seul. On obtient ainsi la capacité portante qc.
Le cône
s’avance
Mesure de
(qc + fs)
Mesure de
qc
CPT de Begemann
(tiré de McCarthy 2002)
Application de CPT
Formule d'interprétation pour obtenir
la résistance non drainée, cu ( = f):
Classification des sols à partir de
mesure de CPT de Begemann
(Philipponnat et Hubert 2005)
Résumé de CPT
• Avantage: mesure continue de la résistance à travers tout la profondeur.
• La présence des couches très minces pout être détectée.
• Une technique très appliquée aux sites où se trouvent des sols pulvérulents (sans
cohésion) (avec les méthodes conventionnelles, il est très difficile d’obtenir des
échantillons non remaniés à partir des sols pulvérulents sous le nappe d’eau).
• Applicable pour les sols cohérent ou non cohérent.
• Inconvénient: impossible de prélever des échantillons, lente et exige une personne
qualifiée pour l’étalonnage et l’interprétation des résultats.
Caractérisation des argiles sur le terrain (CGS 1994)

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