Les désordres liés aux fondations superficielles représentent une part minoritaire des sinistres décennaux (moins de 3,5% en fréquence), mais constituent le 2ème poste de coût en maisons individuelles après les revêtements de sol. Selon le rapport de l’Agence Qualité Construction 2020, un sinistre de fondation coûte en moyenne 5 à 10 fois plus cher qu’un désordre courant, avec des réparations pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers d’euros.
La cause principale ? L’absence ou l’insuffisance d’étude géotechnique, notamment d’essais de compressibilité en zone argileuse.
Dans l’article précédent sur la distribution des contraintes sous charges, nous avons vu comment calculer les contraintes apportées par un ouvrage dans le sol. Mais connaître les contraintes ne suffit pas : il faut aussi prévoir les déformations qu’elles vont provoquer. C’est précisément le rôle de l’essai œdométrique.
Cet essai de laboratoire mesure la compressibilité d’un sol, c’est-à-dire sa capacité à se déformer sous l’effet d’une charge verticale. Il permet de répondre à des questions cruciales : de combien va tasser mon bâtiment ? Le sol est-il surconsolidé ? Quels sont les risques de tassements différentiels ?
Dans cet article, vous allez découvrir :
Prêt à maîtriser cet essai fondamental ? C’est parti !
#1 : Qu’est-ce que la compressibilité des sols ?
La compressibilité d’un sol est sa capacité à réduire son volume sous l’effet d’une charge verticale. Ce phénomène résulte de la réorganisation des grains solides et de l’expulsion progressive de l’eau interstitielle, entraînant une diminution de l’indice des vides.
#1.1. Définition de la compressibilité : réorganisation du squelette du sol
Imaginez une éponge gorgée d’eau que vous comprimez lentement. C’est exactement ce qui se passe dans un sol argileux saturé sous une charge : les grains se rapprochent, l’eau est expulsée, et le volume total diminue.
Ce phénomène repose sur le principe des contraintes effectives de Terzaghi : σ = σ’ + u
La contrainte totale (σ) appliquée se répartit entre le squelette solide (σ’, contrainte effective) et l’eau interstitielle (u, pression interstitielle). C’est uniquement la contrainte effective qui provoque la déformation du sol.
#1.2. Différence entre compression œdométrique et consolidation
Attention à ne pas confondre :
La compression est instantanée dans les sables perméables. Dans les argiles peu perméables, elle prend du temps : c’est la consolidation, que nous étudierons dans le prochain article Essais de consolidation.
#1.3. Pourquoi mesurer la compressibilité avant construction ?
L’essai œdométrique permet de :
Selon la loi ELAN 2020, cet essai fait partie des études de sol obligatoires en zone argileuse.
L’essai œdométrique mesure la compression unidimensionnelle (déformation latérale empêchée, εᵣ = 0). Il se distingue de l’essai triaxial qui étudie le comportement du sol sous chargement tridimensionnel et sert principalement à déterminer les paramètres de résistance au cisaillement (c’, φ’). Pour le calcul des tassements verticaux sous fondations, l’essai œdométrique reste la référence normative.
#2 : Comment fonctionne l’essai œdométrique ?
L’essai œdométrique consiste à comprimer une éprouvette cylindrique de sol entre deux pierres poreuses, en appliquant des charges verticales par paliers successifs de 24 heures, tout en empêchant toute déformation latérale. On mesure le tassement vertical à chaque palier pour construire la courbe de compressibilité.
#2.1. Principe de l’essai : compression unidimensionnelle sans déformation latérale
L’essai simule les conditions de compression unidimensionnelle d’une couche de sol en profondeur, où les déformations latérales sont empêchées par les couches adjacentes. C’est ce qu’on appelle les conditions œdométriques.
Le terme « œdomètre » vient du grec oidêma (gonflement) et metron (mesure), bien qu’on mesure surtout la compression !
L’œdomètre : composition et types de cellules
Composants principaux :
- Anneau rigide : contient l’éprouvette (ø 60-70 mm, hauteur 20-25 mm)
- Pierres poreuses : permettent le drainage en haut et/ou en bas
- Piston : transmet la charge verticale
- Comparateur : mesure le tassement (précision 0,01 mm)
- Bâti de chargement : applique les charges par paliers
Deux types de cellules :
Les échantillons proviennent de sondages carottés réalisés lors de la mission G2 AVP.
#2.2. Protocole de l’essai œdométrique en 5 étapes (24h par palier)
Étape 1 : Préparation de l’éprouvette
Étape 2 : Installation dans l’œdomètre
Étape 3 : Chargement par paliers
Étape 4 : Déchargement
Étape 5 : Exploitation
Durée totale : 2 à 3 semaines
#2.3. Drainage simple ou double : choix des conditions de drainage
Deux configurations possibles :
Le choix dépend des conditions in situ identifiées lors de l’étude hydrogéologique.
#2.4. Variantes de l’essai œdométrique
L’essai œdométrique à chargement par paliers (norme NF P94-090-1) reste la référence normative française pour le calcul des tassements. Sa durée relativement longue (2 à 3 semaines) a toutefois conduit au développement de variantes plus rapides depuis les années 1960.
Essai à vitesse de déformation contrôlée (CRS) : le chargement est appliqué en continu à vitesse constante au lieu de procéder par paliers. La durée est réduite à quelques heures, et les résultats sont comparables à l’essai classique après corrections appropriées.
Essai œdométrique à drainage radial : le drainage horizontal est favorisé pour accélérer la consolidation des sols peu perméables, réduisant ainsi la durée totale de l’essai.
Ces essais alternatifs permettent des prévisions de tassement aussi fiables que l’essai par paliers (précision ±10-20%) et sont largement utilisés dans les laboratoires modernes. Cependant, leur interprétation nécessite des corrections spécifiques et une expertise adaptée. Dans le cadre de cet article, nous nous concentrons sur l’essai par paliers, qui reste le plus couramment pratiqué et enseigné.
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#3 : Comment interpréter la courbe œdométrique ?
La courbe œdométrique représente la variation de l’indice des vides (e) en fonction du logarithme de la contrainte effective verticale (log σ’ᵥ). Elle présente trois zones distinctes : recompression (pente Cs), compression vierge (pente Cc), et déchargement, séparées par un point de rupture appelé pression de préconsolidation σ’p.
#3.1. Construction de la courbe e = f(log σ’v) en échelle semi-logarithmique
Pour chaque palier de chargement, on calcule :
Indice des vides :
e = (Vᵥ / Vₛ) = (eₛ × Gₛ × γw) / γd – 1
Avec :
On trace ensuite e en ordonnée et log(σ’ᵥ) en abscisse. L’échelle semi-logarithmique est essentielle car la compression suit une loi logarithmique.
#3.2. Courbe œdométrique : recompression (Cs), compression vierge (Cc) et déchargement
Note : La trajectoire de déchargement dépend de l’amplitude du déchargement. Dans le cas présent, il s’agit d’un déchargement partiel ; la courbe remonte avec une pente Cs sans nécessairement revenir vers les faibles contraintes.
Zone 1 : Recompression (AB)
Zone 2 : Compression vierge (BC)
Zone 3 : Déchargement (CD)
Le point B marque la transition entre recompression et compression vierge : c’est la pression de préconsolidation σ’p.
#3.3. Déterminer la pression de préconsolidation σ’p (méthode Casagrande)
Pourquoi ne peut-on pas lire σ’p directement sur la courbe ?
Sur une courbe œdométrique réelle, la transition entre recompression et compression vierge n’est jamais une cassure nette. Le passage est progressif et arrondi, ce qui rend la lecture directe de σ’p subjective et peu reproductible.
Le problème :
La cause physique : σ’p représente le moment où la structure du sol commence à se détruire progressivement – ce n’est pas un phénomène instantané mais une transition mécanique graduelle.
#3.4. La méthode de Casagrande : une solution normalisée
Casagrande (1936) a proposé une construction graphique reproductible qui force une lecture cohérente entre essais :
Méthode de Casagrande (la plus utilisée) :
- Identifier le point d’inflexion I sur la courbe (point de courbure maximale)
- Tracer la tangente à la courbe au point I
- Tracer l’horizontale passant par I
- Tracer la bissectrice de l’angle formé entre tangente et horizontale
- Prolonger la partie vierge (pente Cc) vers le haut
- L’intersection entre bissectrice et prolongement donne σ’p
Importance de σ’p :
σ’p représente la mémoire du sol. Elle indique la contrainte maximale supportée historiquement (ancien remblai disparu, retrait glaciaire, vieillissement).
Rapport de surconsolidation :
OCR = σ’p / σ’ᵥ₀
Avec σ’ᵥ₀ : contrainte effective actuelle in situ
Causes de surconsolidation :
Précision de la méthode : ±10 à 20% selon la qualité de la courbe et l’expérience de l’opérateur.
Phrase clé à retenir pour rapports/examens 🎓
« La pression de préconsolidation ne peut pas être lue directement sur la courbe e-log σ’v en raison du caractère progressif de la transition entre recompression et compression vierge. La méthode graphique de Casagrande permet d’en donner une estimation reproductible et normalisée. »
#4 : Quels sont les paramètres clés à déterminer ?
L’essai œdométrique fournit cinq paramètres essentiels : l’indice de compression Cc (pente zone vierge), l’indice de recompression Cs (pente zone surconsolidée), le coefficient de compressibilité aᵥ, le module œdométrique Eₒₑ𝒹, et le rapport de surconsolidation OCR. Ces paramètres permettent de calculer les tassements prévisibles.
#4.1. Indice de compression Cc : mesure de la compressibilité vierge
Définition :
Cc = – Δe / Δ(log σ’ᵥ)
Cc mesure la pente de la partie vierge. Plus Cc est élevé, plus le sol est compressible.
Interprétation :
Corrélation empirique (Terzaghi & Peck) :
Cc ≈ 0,009 (wₗ – 10%)
Avec wₗ : limite de liquidité
#4.2. Indice de recompression Cs : comportement en zone surconsolidée
Définition :
Cs = – Δe / Δ(log σ’ᵥ) (zone surconsolidée)
Relation typique : Cs ≈ Cc / 5 à Cc / 10
Cs est toujours nettement inférieur à Cc. C’est pourquoi les sols surconsolidés tassent peu.
#4.3. Coefficient de compressibilité aᵥ et mᵥ
Coefficient de compressibilité volumique :
aᵥ = – Δe / Δσ’ᵥ (en kPa⁻¹ ou MPa⁻¹)
Coefficient de compressibilité linéaire :
mᵥ = aᵥ / (1 + e₀)
Ces coefficients permettent le calcul direct des tassements (approche linéaire).
#4.4. Module œdométrique Eₒₑ𝒹
Définition :
Eₒₑ𝒹 = (1 + e₀) Δσ’ᵥ / Δe = 1 / mᵥ (en kPa ou MPa)
Le module œdométrique est l’inverse de mᵥ. Plus il est élevé, moins le sol est compressible.
Ordres de grandeur :
Relation avec le module pressiométrique :
Pour les argiles : Eₒₑ𝒹 ≈ Eₘ / 2 à Eₘ / 4
(Eₘ : module pressiométrique Ménard)
#4.4. Rapport de surconsolidation OCR
Déjà vu au #3.4. :
OCR = σ’p / σ’ᵥ₀
Signification géotechnique :
L’OCR influence fortement le comportement au cisaillement du sol.
#5 : Exemple de calcul et d’interprétation
Exemple de calcul œdométrique complet avec nomenclature
📊 Résultats expérimentaux
| σ’v (kPa) | ΔH (mm) | Δe | e |
|---|---|---|---|
| 10 | 0,05 | 0,01 | 0,84 |
| 20 | 0,11 | 0,02 | 0,83 |
| 40 | 0,22 | 0,04 | 0,81 |
| 80 | 1,30 | 0,12 | 0,73 |
| 160 | 2,27 | 0,21 | 0,64 |
| 320 | 3,24 | 0,30 | 0,55 |
| 640 | 4,11 | 0,38 | 0,47 |
📋 Récapitulatif
#6 : Valeurs typiques selon les types de sols
L’indice de compression varie considérablement selon la nature du sol, de 0,1 pour un limon à plus de 3 pour une tourbe. Connaître ces ordres de grandeur permet de détecter rapidement des résultats aberrants et d’estimer la compressibilité avant essai.
#6.1. Tableau comparatif (données françaises)
| Type de sol | Origine | Cc | Eₒₑ𝒹 (MPa) |
|---|---|---|---|
| Tourbe | Caen | 3,5 | 0,2-0,5 |
| Argile vasarde très plastique | Palavas | 0,7 | 1-3 |
| Argile molle très plastique | Lanester | 0,6 | 1-4 |
| Argile molle organique | Cubzac-les-Ponts | 1,2 | 1-5 |
| Argile peu plastique | Narbonne | 0,2 | 5-15 |
| Limon argileux | Plaine de l’Aude | 0,13 | 8-20 |
| Limon | Orly | 0,1 | 15-40 |
| Argile raide surconsolidée | Versailles | 0,15 | 10-50 |
#6.2. Compressibilité des argiles molles vs argiles raides surconsolidées
Argiles molles (normalement consolidées) :
Argiles raides (surconsolidées) :
#6.3. Limons et tourbes : cas particuliers de compressibilité
#6.4. Facteurs influençant la compressibilité des sols fins
- Teneur en eau : plus w est élevé, plus Cc augmente
- Limite de liquidité : Une relation empirique couramment admise est Cc ≈ 0,009 (wL – 10), principalement valable pour les argiles.
- Matière organique : augmente fortement Cc
- Structure du sol : sols floculés plus compressibles
- Histoire des contraintes : OCR déterminant
Questions fréquentes sur l’essai œdométrique
Quelle est la différence entre Cc et Cs ?
Cc (indice de compression) caractérise la compressibilité du sol en compression vierge (σ’v > σ’p). Les déformations sont irréversibles et importantes.
Cs (indice de recompression) caractérise la compressibilité en recompression (σ’v < σ'p). Les déformations sont quasi-réversibles et beaucoup plus faibles.
Ordre de grandeur : Cs ≈ Cc/5 à Cc/10 pour les argiles.
Pourquoi attend-on 24 heures à chaque palier de chargement ?
Le délai de 24 heures par palier (norme NF P94-090-1) permet d’assurer la consolidation primaire complète du sol et la dissipation de la surpression interstitielle.
- Sable fin : quelques minutes
- Limon : quelques heures
- Argile : 12 à 24 heures
- Argile très plastique : > 24 heures
24h est un compromis raisonnable pour la plupart des sols fins (éprouvette de 20 mm).
Peut-on utiliser l’essai œdométrique pour les sols granulaires (sables, graviers) ?
Techniquement oui, mais en pratique NON.
- Consolidation instantanée : les sols granulaires sont très perméables (< 1 minute)
- Compressibilité faible : Cc < 0,05 pour les sables denses
- Effet de bord : le confinement latéral n’est pas représentatif
Alternative : module pressiométrique Ménard (EM) ou corrélations empiriques (SPT, CPT).
Comment choisir entre un essai à drainage simple ou double ?
Drainage simple : évacuation par une seule face, chemin de drainage = H.
Drainage double : évacuation par les deux faces, chemin = H/2, consolidation 4x plus rapide.
- Argiles peu perméables (cv < 10⁻⁸ m²/s) : drainage double recommandé
- Sols moyennement perméables : drainage simple suffisant
- Mesure de cv : drainage simple pour une interprétation plus simple
Quelle est la précision de l’essai œdométrique pour prévoir les tassements réels ?
Précision de l’ordre de ±10 à 20% dans des conditions normales.
- Qualité de l’échantillon : remaniement sous-estime σ’p de 20-40%
- Hétérogénéité du sol non captée par un seul essai
- Hypothèse de déformation 1D (néglige les déformations latérales)
- Tassement secondaire (fluage) non mesuré par l’essai standard
Pour projets sensibles : plusieurs essais + corrélations empiriques (pressiomètre, pénétromètre).
Pourquoi deux essais sur le même sol donnent-ils des résultats différents ?
Des écarts de 10 à 30% sur Cc et σ’p sont fréquents. Causes principales :
- Remaniement : σ’p sous-estimé de 20-40%, Cc surestimé
- Hétérogénéité naturelle : variations de teneur en eau et densité sur quelques cm
- Variabilité expérimentale : précision ±0,01 mm, frottements parasites
Bonnes pratiques : 2 à 3 essais par couche, éliminer les valeurs aberrantes, retenir la valeur médiane.
Existe-t-il d’autres types d’essais œdométriques ?
Oui, en complément de l’essai par paliers (référence NF P94-090-1) :
- Essai CRS (Constant Rate of Strain) : chargement continu, durée réduite à quelques heures vs 2-3 semaines
- Essai à drainage radial : drainage horizontal pour argiles très peu perméables
En France, l’essai par paliers reste le plus pratiqué pour sa simplicité et sa conformité aux normes.
Quelle est la différence entre l’essai œdométrique et l’essai triaxial ?
Essai œdométrique : compressibilité verticale (tassements), déformation latérale empêchée (εᵣ = 0), paramètres Cc/Cs/σ’p/cv, durée 2-3 semaines.
Essai triaxial : résistance au cisaillement (stabilité), déformation 3D, paramètres c’/φ’/E/ν.
L’œdométrique étudie la compression verticale, le triaxial étudie la rupture par cisaillement.
#8 : Conclusion - Ce qu'il faut retenir
Les 4 points essentiels :
✅ L'essai œdométrique mesure la compressibilité du sol en appliquant des charges verticales par paliers de 24h sur une éprouvette confinée latéralement
✅ La courbe e = f(log σ'ᵥ) révèle trois zones : recompression (pente Cs), compression vierge (pente Cc), et déchargement, séparées par la pression de préconsolidation σ'p
✅ Les paramètres clés sont Cc (compressibilité vierge), Cs (recompression), σ'p et OCR (histoire des contraintes), Eₒₑ𝒹 (module de déformabilité)
✅ Le calcul du tassement dépend de la position de σ'p par rapport aux contraintes initiales et finales : sol surconsolidé (faibles tassements) vs normalement consolidé (tassements importants)
Mais il reste une question cruciale : combien de temps va durer ce tassement ?
Une argile molle met-elle des mois ou des années à se tasser ? Comment accélérer la consolidation sur chantier ? C'est précisément ce que vous découvrirez dans le prochain article sur les essais de consolidation et la théorie de Terzaghi.
Vous y apprendrez à déterminer le coefficient de consolidation cv, à tracer les courbes de tassement en fonction du temps, et à calculer la durée réelle des tassements.
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📚 ENCADRÉ "POUR ALLER PLUS LOIN"
Complétez votre formation avec ces articles :
- Distribution des contraintes sous charges - Article précédent : comment calculer les contraintes apportées par un ouvrage dans le sol
- Essais de consolidation : essai œdométrique expliqué - Article suivant : détermination du coefficient cv et calcul de la durée des tassements
- Principe des contraintes effectives de Terzaghi - Le fondement théorique de la compressibilité des sols saturés
- Les missions géotechniques G1 à G5 - Quand et comment réaliser ces essais dans votre projet
- Pourquoi la géotechnique peut sauver ou ruiner votre projet - Les risques réels de négliger l'étude de compressibilité
