Essai insitu géotechnique

Les essais géotechniques in situ permettent de caractériser le comportement mécanique du sol. Contrairement aux essais géophysiques, les essais géotechniques sollicitent les propriétés mécaniques des sols. Les essais géotechniques in situ peuvent être classés en fonction des types de résultats qu’ils permettent d’obtenir :  

Caractérisation des sols à la limite de la rupture mécanique.

Caractérisation des sols entre le comportement de repos et la rupture mécanique (relation contrainte-déformation).

Les pénétromètres statiques et dynamiques permettent d’obtenir le premier type de résultat.  Le sol sous la pointe de mesure est constamment en état limite puisqu’il est perforé par cette dernière. De ce fait, il n’est pas possible pos sible de déterminer les caractéristiques de déformation des sols (sauf par corrélation empirique). Le deuxième type de résultat peut être obtenu avec le pressiomètre, le scissomètre et les essais à la plaque, qui sollicitent le sol de son état de repos jus qu’à la rupture (valeur limite).

1-Pénétromètres Les essais pénétromètriques permettent la détermination d’une résistance limite des sols des  sols et se décomposent en plusieurs catégories : • pénétromètre dynamique : Enfoncement par battage.NF P 94-114 et NF P 94-115 • pénétromètre au carottier : Essai de pénétration standard (SPT).NF P 94-116 • pénétromètre statique : enfoncement constant avec un vérin à vitesse lente et constante.NF P 94-113

Le matériel se compose essentiellement d’un train de tiges, avec à son extrémité une pointe dont le diamètre est supérieure à celui des tiges. L’ensemble est enfoncé par chocs répétés avec une masse. La pointe étant plus large que le train de tige, un espac e entre la tige et le sol se crée à l’avancement de la pointe. Le matériel utilisé mesure l’énergie transmise par la masse. Cette charge sert à rompre le terrain au voisinage de la pointe. p ointe. L’enfoncement pour une charge donnée est donc d’autant plus faible que le terrain est résistant. La profondeur maximale d’investigation est liée à la capacité de pénétration de l’appareil lui -même (refus) ou des tiges qui frottent sur les parois. Mais également par la nature de l’énergie utilisée pour le battage des trains de tige (manuelle ou mécanique). L’injection ou non de boue de forage à base de bentonite dans l’espace entre le sol et les tiges, permet de différencier deux  types de pénétromètre dynamique. La bentonite permet de réduire très efficacement les frottements causés par des sols gonflants ou les éboulements. • avec bentonite : type A : NF P 94-114, 94 -114, décembre 1990. • sans bentonite : type B : NF P 94-115, 94 -115, décembre 1990. Dans le cas d’un battage manuel, la prospection va rarement au -delà de 10 mètres de profondeur. Pour les cas d’ un battage par énergie mécanique, la profondeur d’investigation peut atteindre plusieurs dizaines de mètres. Le nombre de coups nécessaires pour enfoncer la pointe pour un pas fixe (5-10cm) permet de déterminer la résistance du sol (Qd, MPa) pour ces différents diffé rents pas d’enfoncement. La formule dite des Hollandais prenant en compte le poids de la masse, sa hauteur de chute (énergie transmise) ainsi que le diamètre de la pointe, permet de déterminer un profil de pénétration dynamique.

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Intérêts Détermination des épaisseurs des différentes couches de sol. Contrôle de l’homogénéité d’un sol. Localisation des cavités et des discontinuités.

Inconvénients Pas de règles connues pour le dimensionnement des fondations à partir des mesures de résistance à la pointe (Qd). On ne peut qu’estimer un ordre de grandeur par des corrélations des corrélations effectuées effectuées avec d’autres essais in situ. Profondeur d’investigation limitée par les capacités du matériel (refus).

2-Scissomètre Cet essai en déformation des sols permet d’obtenir d’ob tenir une courbe continue de chargement du sol. Cette mise à contribution du sol se fait à partir d’un état dit de repos (en place) jusqu’à  une valeur jugée ultime (rupture) en fonction des objectifs des résultats. Le scissomètre est un appareil de prospection in situ permettant de mesurer la cohésion des sols fins (argiles molles, limons et vases). Il fait l’objet de la norme NF P 94-112. 94 -112.

Le matériel se compose d’un train de tiges au bout duquel est positionné un moulinet d’acier à 4 pales. En surfa ce, un système de mesure impose un couple (moment rotatif) au moulinet. La rotation provoque le cisaillement du sol au voisinage des pales et une surface de cisaillement se crée à l’interface entre le volume le  volume de sol entrainé par le moulinet et le massif de sol en place. Une surface de cisaillement se crée également sur les deux surfaces horizontales délimitées par le moulinet. La surface retenue pour le calcul de la résistance au cisaillement est essentiellement celle définie par la surface latérale du cylindre. Pendant que l’essai est effectué (rotation du moulinet), on mesure simultanément la rotation appliquée ainsi que le moment de torsion T nécessaire pour engendrer cette déformation. On estime donc une fonction contrainte emplacement décrivant le comportement comportement mécanique du sol, de l’état de repos jusqu’à la rupture.

Intérêts • Détermination de l’angle de frottement des sols. • Détermination de la cohésion des sols non drainés. • Permet de déterminer la stabilité au glissement des remblais. Inconvénients • Pour que l’essai soit interprétable, il doit être réalisé dans un sol saturé faiblement  perméable. • Les sols doivent être dans des conditions non drainées. • Intervalle vertical minimal entre deux mesures : 50 centimètres. • Nécessite un sol sol mou. • Mise en place délicate.

3-Pressiomètre L’essai pressiométrique consiste pressiométrique  consiste à descendre à une profondeur donnée, une sonde cylindrique gonflable dans un forage aux dimensions calibrées. Les variations de volume de sol au contact de la sonde sont mesurées en fonction de la pression radiale exercée.L’ensemble des paramètres obtenus permet, par l’utilisation de codes de calculs normés, de déterminer la contrainte de rupture sous une fondation superficielle ou une fondation profonde, ainsi que le tassement d’une fondation superficielle. Cet  essai obéit à la norme NF P 94-110.

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Le matériel se compose d’une sonde pressiométrique et d’un contrôleur pression -volume (CPV). Ces deux éléments composent le pressiomètre Ménard :  Sonde pressiométrique : Deux cellules de garde (contenant de l’air) permettent de maintenir la forme cylindrique de la sonde principale (contenant de l’eau) pour la mesure de la déformation des sols. Les déformations de la sonde principale étant bornées en haut et en bas par les cellules de garde, la déformation de la cellule de mesure est principalement radiale et l’essai pressiométrique est un essai en déform ation plane.  A noter que les sondes de type E (cellules superposées) sont principalement utilisées pour les essais effectués au sein de sols mous à moyennement consistants. Et les sondes de type G (cellules emboitées) sont à utiliser pour des essais essais dans des sols raides.

 Contrôleur de pression-volume (CPV) : Dispositif permettant de mesurer les pressions et les volumes d’eau injectés lors de la dilatation de la sonde. La détente de la réserve de gaz permet de pousser la colonne d’eau vers la cellule principale. A noter que la pression au sein de la sonde de mesure d oi toujours être supérieure à celle des cellules de garde.

Intérêt Détermination du comportement contrainte-déformation des sols. Détermination de la résistance au cisaillement des sols. Détermination de la portance des fondations. Calcul du tassement des fondations.

Inconvénient Le trou de forage doit être calibré au diamètre de la sonde pressiométrique (60 mm). Le sol au bord du trou ne doit pas être déstructuré par l’outil de forage ou les fluides utilisés. Nécessité de connaitre, préalablement aux mesures, un log stratigraphique stratigraphiqu e pour déterminer l’implantation des mesures.

4-Essai à la plaque Ces essais visent à contrôler la qualité des sols en évaluant leur déformabilité (tassement sous charge). Ce sont des essais nécessitant du matériel lourd (principalement la masse mobile), mais dont la mise en place est rapide. Ces essais s’appliquent aux plates-formes plates-formes d’ouvrages de terrassement devant supporter des charges statiques ou des sols pour déterminer leur niveau de portance (traficabilité).

Les différents essais  Mesure du module sous chargement statique à la plaque (EV2) (NF P 94-117-1). - Il s’applique aux platesplates -formes d’ouvrage de terrassement et d’assainissement destinées à la construction d’infrastructures routières, ferroviaires, dont les les matériaux sont constitués par des éléments dont le Dmax est inférieur à 200 mm.

Coefficient de réaction de Westergaard (NF P 94-117-3). - Permet d’évaluer la déformabilité et la compacité, sous des charges concentrées de courte durée, de la couche de sol située sous le dallage, pour une pr ofondeur ofondeur de l’ordre du diamètre de la plaque utilisée. Le coefficient de Westergaard sert au dimensionnement des dallages (NF P 11-213-1, 2, 3 et 4  – DTU  – DTU 13.3). 

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 Essai à la dynaplaque, Module sous charge dynamique à la plaque Edyn (NF P 94-117-2). - La dynaplaque est un générateur d’impulsion appliquant sur le sol à prospecter une  sollicitation dynamique équivalente à celle provoquée par le passage d’un essieu de 13 tonnes roulant à 60 km/h, au moyen d’une plaque restituant la charge d’une masse tombant sur un amortisseur.

Principe des essais Pour effectuer ce test, une plaque rigide est utilisée (600 mm, 750 mm ou 762 mm), les dimensions de cette dernière sont fonction de la nature du sol à analyser. La dimension de la plaque est fonction de l’estimation de la charge maximale à appliquer et de l’épaisseur de la couche de sol à prospecter. De la taille de la plaque dépend la charge maximale applicable au sol. Pour opt imiser la surface de contact entre la plaque et le sol, il est co nseillé d ’interposer une couche de sable entre la plaque et le sol. plaque ø600 mm : 1979 daN applicables. plaque ø750 mm : 3093 daN applicables. plaque ø762 mm : 3192 daN applicables.

Un vérin, surmonté d’une cellule dynamométrique transmet la charge à la plaque e n prenant appui sous un massif de réaction (généralement un camion dont un essieu est chargé à au moins 8 tonnes). Les déformations sont mesurées à l’aide d’une poutre de Benkelman comportant un comparateur au centième.

L’épaisseur de sol prospecté avec cette c ette méthode est équivalente au diamètre de la plaque utilisée. Une attention toute particulière est donc à porter au volume d’investigation pour une prospection de sols ou de structures multicouches, comme dans le cas d’une route (couche de fondation, couche d’assise,…).

Intérêt Possibilité d’effectuer de nombreux essais sur une plate-forme. plate-forme. Données et essais normés, les résultats sont directement intégrables dans des codes de calcul et de validation de qualité. Dispositif facile à déplacer.

Inconvénient Le site à prospecter doit être praticable pour permettre au massif de réaction d’être amené sur le site (8 tonnes minimum). La teneur en eau du sol influence fortement les résultats. Les difficultés d’interprétation viennent du faible volume de sol investigué. L’emprise au sol de l’ensemble du matériel (massif de réaction et poutre de Benkelman) est importante.

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Rendements des méthodes présentées : D’après la Fédération professionnelle de l’Ingénierie, on peut retenir pour les m t h od o d es es p r c d em em m en e n t n on o n c e s , l e s r en en de d e m en e n ts t s s ui u i v an an ts ts :  

• Essai de pénétration dynamique : 40 à 60 ml par jour. • Essai scissométrique : 20 à 30 essais par jour. • Forage destructif pour essai pressiométrique 64mm avec ou sans tubage, avec ou sans  boue de forage : 0-10m de profondeur : 20 à 30 ml par jour. 10-20m de profondeur : 18 à 27 ml par jour. 20-30m de profondeur : 16 à 24 ml par jour. Tubage : ralentit la progression de 5 à 8 minutes par mètre linéaire. Boue de forage : ralentit la progression de 3 à 5 minutes par mètre linéaire. • Essai pressiométrique (pression < 5MPa). Sonde standard : 0-10m de profondeur : 15 à 20 essais par jour. 10-20m de profondeur : 14 à 18 essais par jour. 20-30m de profondeur : 13 à 16 essais par jour. • Essai à la plaque. 150 essais par jour. Les nouveaux points de mesure ne doivent pas être dans la zone d’influence des  effets de tassement des essais antérieurs

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