Sol (géotechnique)

Les sols ont deux origines principales :

• la désagrégation des roches par altération mécanique et physicochimique sous l'effet des agents naturels:
  • fissuration consécutive à la décompression, aux effets des chocs thermiques ou du gel,
  • attaque mécanique (chocs et frottements) dans un processus naturel de transport gravitaire glaciaire, fluvial, marin, éolien,
  • attaque chimique sous l'effet des circulations d'eaux agressives (acides ou basiques) ;
• la décomposition d'organismes vivants : végétaux (tourbes) ou animaux (craies).

On distingue également :

• les sols résiduels résultant de l'altération sur place des roches ;
• les sols transportés provenant du dépôt des produits d'altération préalablement repris par un agent physique de transport. Ce sont les sols transportés qui posent au concepteur d'ouvrages les problèmes les plus délicats.

Enfin, suivant leurs conditions de formation et de dépôt, les sols peuvent contenir des matières organiques en proportion plus ou moins élevée.

On soulignera que les processus mécaniques ou physiques d'évolution des roches ne permettent pas de réduire la dimension des grains en dessous de 10 à 20 μm, car les effets mécaniques, dus aux chocs ou au frottement liés à la masse des grains diminuent rapidement avec leur volume. Au-dessous de cette dimension, la fragmentation des grains se poursuit principalement par altération chimique qui entraîne la destruction de certaines des liaisons chimiques des minéraux. Elle s'accompagne d'une augmentation rapide de la surface des grains offerte à l'attaque chimique.

Un sol est un mélange de trois phases en proportions variables :

• La phase solide (notée s) ou squelette solide est constituée par les grains minéraux de l'agrégat ;
• La phase liquide (w), constituée par l'eau occupe les vides de l'agrégat. Si tous les vides sont remplis par l'eau, le sol est dit saturé; sinon, il est partiellement saturé ;
• La phase gazeuse (a) : dans un sol partiellement saturé une partie des vides de l'agrégat est remplie par du gaz, essentiellement de l'air.

Un échantillon de sol est notamment caractérisé par :

• sa porosité n = Vv / Vt, avec Vv le volume des vides et Vt le volume total de l'échantillon ;
• l'indice des vides e = Vv / Vs, avec Vs le volume occupé par les grains solides.

La porosité et l'indice des vides définissent la proportion de vide contenue dans le sol considéré.

• le degré de saturation Sr = Vw / Vv, avec Vw le volume d'eau que contient l'échantillon de sol ;
• la teneur en eau w = Pw / Pd, avec Pw la masse de l'eau contenu dans l'échantillon et Pd la masse sèche de l'échantillon.

Le degré de saturation définit la proportion d'eau dans les vides.

• la cohésion c :résistance au cisaillement sous contrainte normale nulle.

Il existe différents essais pour caractériser la nature d'un sol.

Analyse granulométrique :

Un tamisage permet de trier les particules de diamètre supérieur à 80 micromètres.

Une sédimentométrie permet ensuite d'analyser la répartition des éléments de diamètre inférieurs à 80 micromètres

Limites d'Atterberg : Cet essai permet de prévoir le comportement des sols pendant les opérations de terrassement, en particulier sous l'action des variations de teneur en eau. Il consiste à faire varier la teneur en eau d'une fraction de sol en observant sa consistance. Il existe deux limites dites d'Atterberg : la limite de liquidité et la limite de plasticité.

• wl : c'est la limite de liquidité qui caractérise la transition entre un état liquide et un état plastique.
• wp : c'est la limite de plasticité qui caractérise la transition entre un état plastique et un état solide.
• Indice de plasticité = Ip= wl -wp
• Indice de consistance = Ic = (wl - w) / Ip

• n = e / (1 + e)
• e = n / (1 - n)

Tout grain de sol, à sa surface, est chargé négativement électriquement. La molécule d'eau ${\displaystyle H_{2}O}$ est dipolaire mais électriquement neutre. Les centres de gravité des charges négatives et positives ne sont pas confondus ; la molécule a deux pôles : elle est ainsi orientée électriquement. Par conséquent, la molécule d'eau est attirée par la surface des grains. Il se forme alors des couches dites adsorbées.

Les liaisons électriques étant très fortes, les couches adsorbées ont des propriétés semi-solides; elles ne peuvent être détruites qu'en laboratoire par dessiccation totale de l'échantillon.