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MASTERE    SPECIALISE

TUNNELS et OUVRAGES SOUTERRAINSDe la conception à l’exploitation

Module 1. Connaissances de base

1.2. Comportement mécanique des sols1.2. Comportement mécanique des sols

D. Branque, LGCB‐ENTPE

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CONNAISSANCES DE BASES:           Comportement mécanique des sols

CONTENU1. Définition géotechnique des sols2 Identification physique des sols2. Identification physique des sols3. Déformations et contraintes dans les sols (rappels de MMC)( pp )

4. Hydraulique des sols5. Consolidation et tassement des sols6. Résistance au cisaillement des sols

INSA Lyon  ‐ ENTPE                                                                                     MS TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS 2011‐2012

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Définition des roches et des sols

En géologie:

l h t té i d l’é t t t é t diffé t la roche est un matériau de l’écorce terrestre pouvant présenter différents états:

- solide et consolidé (ex: granite sain) Roches saines- solide et meuble (ex: sables, limons,…) Roches altérées

E é t h i

( )- liquide (pétrole)- gaz

En géotechnique:

la roche est une formation géologique dont les éléments sont fortement soudés entre eux (ex: granite sain),

le sol est une formation géologique dont les éléments ont des liaisons nulles (sable, gravier) ou faibles (limon, argile) entre eux.

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Formation des sols

Origine:

les sols proviennent de l’altération des roches + éventuellement présence de matières organiques (vase, tourbes)

Deux types d’altération des roches:

la désagrégation physique et mécanique des roches sous l’action de la température et des contraintes (pression d’eau liquide, poussée de la glace,…)

L’altération physico-chimiquepar hydrolyse pour les roches magmatiques et métamorphiques- par hydrolyse pour les roches magmatiques et métamorphiques

par dissolution des calcaires en présence d’eau + CO pour les roches

Ex: Granite (quartz + mica blanc + feldspath)

Arène granitique (grains de quartz + grains de mica blanc + particules d’argile

- par dissolution des calcaires en présence d eau + CO2 pour les roches sédimentaires

- Autres phénomènes d’altération des roches sédimentaires: hydratation

CaCO3 + CO2 + H2O Ca (Co3H)2 (bicarbonate acide de calcium)Karsts (vides) + argiles résiduelles

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Autres phénomènes d altération des roches sédimentaires: hydratation, oxydation à l’air humide (ex: pyrite)

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Formation des sols

Leur transport:

Pesanteur: éboulis, coluvions (bas de pente),... granulométrie très étalée

Vent : limons, loessstructure macroporeuse, affaissement en présence d’eau

Eau: alluvions fluviatiles, dépôts marins- alluvions anciennes matériau granulaire, faible compressibilité,

forte perméabilité- alluvions modernes contient + de fines, forte compressibilité,

faible perméabilité

Glace: moraines Glace: morainesgranulométrie très étalée, sol surconsolidé.

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Définition géotechnique des sols

Milieu tri-phasique

Solide + Liquide + Gazsquelette du sol vapeur d’eau, air- eau libre (nappe)

Ex: États partiellement

q p ,( pp )- eau adsorbée (feuillets d’argile)- eau capillaire (au dessus de la

surface piezo)

Phase Solide psaturés d’un sol Phase Solide

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Sols grenus Fragments de la roche mère

Sols fins Fragments de la roche mère: limonAltération physico chimique: argile

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Les argiles Particularités des argiles: Particularités des argiles:

Phyllosilicates d’alluminium hydratés Structure complexe: couches feuillets particules cristallites P ibilité d b tit ti i hi d’i

Couche tétraédrique

Possibilité de substitutions isomorphiques d’ions Propriétés particulières en présence d’eau

Les couches d’éléments:

Couche tétraédrique: 1atome de silicium (Si4+) & 4 atomes d’oxygène (O2-)

Couche octaédrique:

Atome de silicium

Atome d’oxygène

Couche1 atome d’aluminium (Al3+) & 6 hydroxyles (OH-)

Phase SolideAtome d’aluminium

Hydroxyles Les feuillets élémentaire:

Couche octaédrique

Feuillet 1/1 :1couche tétraédrique + 1 couche octaédrique(kaolinite)

Feuillet 1/1

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Feuillet 2/1:1 atome d’aluminium (Al3+) & 6 hydroxyles (OH-)(illites, smectites,…)

Feuillet 2/1

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Les argiles

Les particules élémentaires:

Empilement de feuillets élémentairesp

Les cristallites:

Unités morphologiques de plusieurs particules

E d bé

Unités morphologiques de plusieurs particules Différentes structures possibles: floculée, dispersée.

Structuresfloculées

Structuresdispersées

Eau adsorbée:

Substitution isomorphiques d’ions dans les feuillets d’argile déséquilibre électrique (+ ou -) sur les faces des particulesfaces des particules En présence d’eau, les ions H+ ou OH- se lient aux particules électroneutralité Mesure de la surface spécifique d’une argile: essai

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au bleu de méthylène Eau adsorbée dans le cas d’une surface de particule chargée négativement

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Les argiles

3 principaux types d’argile (/ 200)

La kaolinite:- feuillet élémentaire 1/1- aucune substitution d’ions- liaisons entre feuillet très stables

L’illite:- feuillet élémentaire 2/1- un (Si4+) sur 4 remplacé par (Al3+)

présence d’ions K+ entre les feuillets- présence d ions K+ entre les feuillets

La montmorillonite:- feuillet élémentaire 2/1

substitution d’ions (Al3+) par (Mg2+)- substitution d ions (Al3 ) par (Mg2 )- surface spécifique importante - forte sensibilité à l’eau- bentonite: au moins 60% de montmorillonite

Caractéristiques des 3 argiles principales

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