Les 16 Essais de Laboratoire Géotechnique : Guide Complet

Tableau récapitulatif des essais géotechniques

Essai	Propriété mesurée	Application principale	Norme
Cisaillement direct	c, φ (cohésion, frottement)	Stabilité des pentes	ASTM D3080
Triaxial (UU, CU, CD)	Résistance au cisaillement	Fondations profondes	ASTM D2850
CBR	Portance du sol	Chaussées	NF P94-078
Œdomètre	Compressibilité	Tassements	ASTM D2435
Proctor	Densité optimale	Compactage	NF P94-093
Granulométrie	Distribution grains	Classification	NF P94-056
Limites d’Atterberg	Plasticité	Sols fins	NF P94-051
Perméabilité	Conductivité hydraulique	Drainage	ASTM D2434

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Quels sont les différents types d’essais de cisaillement et leurs conditions de drainage ?

Les essais de cisaillement en laboratoire permettent de déterminer la résistance au cisaillement des sols, exprimée par la cohésion (c) et l’angle de frottement interne (φ). Ces paramètres sont indispensables pour analyser la stabilité des pentes, dimensionner les fondations et calculer les pressions des terres.

#1. Essai de cisaillement direct : principe, procédure et applications

L’essai de cisaillement direct consiste à appliquer une contrainte normale sur un échantillon de sol puis à imposer un déplacement horizontal contrôlé afin de mesurer la contrainte de rupture. Il permet de déterminer la cohésion (c) et l’angle de frottement interne (φ).

Procédure :

1. L’échantillon est placé dans une boîte de cisaillement divisée horizontalement en deux parties.
2. Une charge normale (σ) est appliquée verticalement sur l’échantillon.
3. La partie supérieure de la boîte est déplacée horizontalement à vitesse constante et contrôlée.
4. La force de cisaillement (τ) est mesurée en fonction du déplacement jusqu’à la rupture.
5. L’essai est répété sous 3 charges normales différentes pour tracer l’enveloppe de Mohr-Coulomb.

Avantages de l’Essai de cisaillement direct

Limites de l’Essai de cisaillement direct

#2. Essai de compression triaxiale : principe, types UU, CU et CD

L’essai triaxial est l’essai de cisaillement le plus complet en géotechnique. Il permet de contrôler les conditions de drainage, de mesurer les pressions interstitielles et de déterminer les paramètres de résistance effectifs (c’ et φ’), reproduisant fidèlement les conditions du terrain.

Quels sont les trois types d’essais triaxiaux (UU, CU, CD) ?

Les essais triaxiaux se distinguent selon les conditions de consolidation et de drainage appliquées pendant la phase de cisaillement.

Type	Consolidation	Drainage cisaillement	Application
UU (Non consolidé – Non drainé)	Non	Non	Analyse à court terme, argiles molles
CU (Consolidé – Non drainé)	Oui	Non	Stabilité pendant construction
CD (Consolidé – Drainé)	Oui	Oui	Analyse à long terme, sables

Procédure générale de l’essai triaxial

L’échantillon cylindrique est enveloppé dans une membrane imperméable et placé dans la cellule triaxiale.

1. L’échantillon cylindrique est enveloppé dans une membrane imperméable et placé dans la cellule triaxiale.
2. Une pression de confinement σ3 est appliquée via l’eau dans la cellule.
3. Selon le type d’essai (UU, CU ou CD), l’échantillon est consolidé sous σ3.
4. Une charge axiale σ1 croissante est appliquée jusqu’à la rupture.
5. Les cercles de Mohr sont tracés afin de déterminer les paramètres de résistance c et φ.

Avantages de l’essai triaxial

Limites de l’essai triaxial

L’essai triaxial est généralement privilégié pour les études de stabilité des pentes, le dimensionnement des fondations profondes et l’analyse des sols argileux sensibles.

#3. Essai de compression simple non confinée (UCS) : principe et calcul de Cu

L’essai de compression simple non confinée (UCS) permet de déterminer la résistance non drainée d’un sol cohérent sans pression de confinement. La résistance au cisaillement non drainée est obtenue par la relation Cu = qu/2.

Objectif : mesurer la résistance en compression d’un sol cohérent saturé et déterminer rapidement la résistance non drainée (Cu), utilisée pour l’analyse à court terme des argiles.

Procédure de l’essai UCS

1. Un échantillon cylindrique est préparé (rapport hauteur/diamètre H/D ≈ 2).
2. L’échantillon est placé entre les plateaux de la presse.
3. Une charge axiale est appliquée à vitesse constante.
4. La contrainte maximale (qu) est enregistrée à la rupture.
5. La résistance au cisaillement non drainée est calculée : Cu = qu / 2.

Avantages de l’essai de compression simple

Limites de l’essai UCS

#4. Essai au scissomètre de laboratoire (Vane Test) : mesure de Cu des argiles molles

L’essai au scissomètre (Vane Test) permet de mesurer directement la résistance au cisaillement non drainée (Cu) des argiles molles à très molles. Il est particulièrement adapté aux sols sensibles pour lesquels l’échantillonnage provoque un remaniement important.

Objectif : déterminer la résistance non drainée (Cu) des argiles saturées à très faible résistance et évaluer leur sensibilité en comparant la résistance intacte et résiduelle.

Procédure de l’essai au scissomètre

1. La palette cruciforme (vane) est introduite verticalement dans l’échantillon d’argile molle.
2. La palette est tournée à vitesse constante (environ 6° par minute).
3. Le couple maximal (T) nécessaire à la rotation est mesuré.
4. La résistance au cisaillement Cu est calculée à partir du couple et des dimensions de la palette.
5. La rotation est poursuivie pour mesurer la résistance résiduelle et déterminer la sensibilité du sol.

Essais de Portance et de Compactage

#5. Essai CBR (California Bearing Ratio) : Mesure de la Portance des Sols

L’essai CBR (California Bearing Ratio) mesure l’indice de portance d’un sol pour le dimensionnement des chaussées routières et aéroportuaires. L’indice CBR compare la résistance du sol testé à celle d’un matériau de référence normalisé.

Objectif : déterminer l’indice CBR d’un sol ou d’un matériau granulaire pour évaluer sa capacité portante et dimensionner les structures de chaussée (corps de chaussée, couches de fondation et sous-couche).

Procédure de l’essai CBR selon NF P94-078

1. L’échantillon de sol est compacté dans un moule CBR normalisé (diamètre 152 mm) selon l’énergie Proctor modifié.
2. Le moule est immergé dans l’eau pendant 96 heures pour simuler les conditions de saturation les plus défavorables.
3. Le gonflement du sol est mesuré pendant l’immersion (paramètre critique pour les sols argileux).
4. Un piston normalisé (section 19,4 cm²) pénètre l’échantillon à vitesse constante (1,27 mm/min).
5. Les forces de pénétration sont mesurées à 2,5 mm et 5 mm de profondeur.

Avantages de l’essai CBR

Limites de l’essai CBR

Classification des sols selon l’indice CBR

Indice CBR (%)	Qualité du sol	Utilisation en chaussée
CBR < 3	Très mauvais	Inutilisable sans traitement
3 < CBR < 5	Mauvais	Sous-couche avec traitement à la chaux
5 < CBR < 10	Moyen	Sous-couche acceptable
10 < CBR < 20	Bon	Couche de fondation
20 < CBR < 30	Très bon	Couche de base (trafic faible)
CBR > 30	Excellent	Couche de base (tous trafics)

#6. Essai Proctor (Standard et Modifié) : Densité Sèche Maximale et Teneur en Eau Optimale

L’essai Proctor détermine la densité sèche maximale (γd max) et la teneur en eau optimale (wopt) d’un sol compacté. Ces paramètres sont essentiels pour le contrôle qualité du compactage des remblais, barrages et plateformes routières.

Objectif : établir la courbe Proctor reliant la densité sèche à la teneur en eau pour une énergie de compactage donnée, afin de déterminer les conditions optimales de mise en œuvre des sols en remblai et d’assurer un compactage performant sur chantier.</p>

Essai Proctor : Principe et Types (Standard vs Modifié)

Proctor Standard vs Proctor Modifié : Quelle différence ?

Caractéristique	Proctor Standard	Proctor Modifié
Norme	NF P94-093	NF P94-093
Masse dame	2,49 kg	4,54 kg
Hauteur chute	305 mm	457 mm
Nombre couches	3	5
Coups/couche	25	25
Énergie totale	592 kJ/m³	2 700 kJ/m³
Application	Petits remblais, petits chantiers	Chaussées, barrages, grands remblais

Procédure de l’essai Proctor modifié (NF P94-093)

1. Le sol est préparé et séché à l’air libre, puis tamisé à 20 mm.
2. Plusieurs échantillons sont préparés avec des teneurs en eau croissantes (généralement 5 à 6 points).
3. Chaque échantillon est compacté dans un moule Proctor normalisé (diamètre 152 mm) en 5 couches de 25 coups chacune.
4. La dame de 4,54 kg chute d’une hauteur de 457 mm pour chaque coup.
5. Après compactage, l’échantillon est pesé et la densité humide est calculée.
6. Un prélèvement est séché au four pour déterminer la teneur en eau.
7. La densité sèche est calculée pour chaque point : γd = γh / (1 + w)
8. La courbe Proctor est tracée (γd en fonction de w) et le point optimal est déterminé.

Avantages de l’essai Proctor

Limites de l’essai Proctor

Quelle est la différence entre 95% OPM et 98% OPM ?

95% OPM signifie que la densité sèche sur chantier doit atteindre au minimum 95% de la densité sèche maximale (γd max) déterminée par l’essai Proctor modifié.
98% OPM impose une exigence plus stricte (98% de γd max), utilisée pour les zones fortement sollicitées comme les corps de chaussée.

👉 98% OPM = compactage plus élevé, portance supérieure et déformations réduites.

Comment interpréter la courbe Proctor ?

La courbe Proctor a une forme en cloche caractéristique. À gauche du point optimal, le sol est sec et difficile à compacter (frottement inter-granulaire élevé). À droite, le sol est trop humide et l’eau empêche le rapprochement des grains (effet lubrifiant excessif). Le sommet de la courbe représente le compromis optimal où l’eau facilite le réarrangement des particules sans excès. La courbe de saturation théorique (Sr = 100%) limite la courbe Proctor à droite : aucun compactage ne peut dépasser cette limite physique.

Essais d’Identification et de Caractérisation Physique des Sols

Les essais d’identification permettent de caractériser les propriétés physiques intrinsèques des sols, indépendamment de leur état de compacité ou de saturation. Ces paramètres fondamentaux sont utilisés dans tous les calculs géotechniques : porosité, degré de saturation, indice des vides, et classification des sols.

Les essais de laboratoire géotechnique d’identification constituent la première étape de caractérisation des sols. Ces essais permettent de classer les matériaux selon le GTR et d’estimer leurs propriétés mécaniques par corrélations empiriques.

#7. Détermination de la densité des particules solides (Gs) : Méthodes du pycnomètre et du flacon de densité

La densité des particules solides (Gs) représente le rapport entre la masse volumique des grains solides et celle de l’eau. Ce paramètre fondamental varie de 2,60 à 2,75 pour les sols courants et sert au calcul de la porosité, de l’indice des vides et du degré de saturation.

Objectif : mesurer avec précision la densité absolue des grains solides constituant le sol (G_s), paramètre essentiel pour calculer l’indice des vides (e), la porosité (n), le degré de saturation (Sr), et pour l’analyse granulométrique par sédimentation (méthode de l’hydromètre).

#7.1. Comment mesurer la densité des grains avec un pycnomètre ? (sols fins)

Le pycnomètre est la méthode de référence pour les sols fins (argiles, limons, sables fins). Elle offre la meilleure précision grâce à un volume calibré avec exactitude.

Procédure :

1. Un échantillon de sol sec (50 à 100 g) est pesé avec précision (Ms).
2. Le sol est introduit dans le pycnomètre calibré (capacité 50 à 100 ml).
3. De l’eau désaérée est ajoutée jusqu’à remplir environ 3/4 du volume.
4. Le mélange est agité pour éliminer les bulles d’air piégées (10-15 min sous vide ou par ébullition douce).
5. Le pycnomètre est rempli complètement d’eau à température contrôlée (20°C ± 0,5°C).
6. L’ensemble (pycnomètre + sol + eau) est pesé (M1).
7. Le pycnomètre rempli d’eau seule est pesé pour référence (M2).
8. La densité Gs est calculée à partir des masses mesurées.

#7.2. Essai au flacon de densité pour sols grenus (graviers et sables grossiers)

Le flacon de densité est utilisé pour les sols contenant des éléments plus grossiers (graviers, sables grossiers). Il fonctionne sur le même principe que le pycnomètre mais avec un volume plus grand permettant d’accommoder des particules de 5 à 40 mm.

Procédure

1. Un échantillon de sol sec plus important (200 à 500 g) est nécessaire pour représentativité.
2. Le flacon de densité (capacité 500 ml à 1 litre) est utilisé à la place du pycnomètre.
3. La procédure est identique : sol + eau, élimination bulles, pesées.
4. Le calcul de Gs utilise la même formule que pour le pycnomètre.

Avantages de la mesure de Gs

Limites et précautions

Calculs géotechniques nécessitant Gs : porosité, saturation et indice des vides

La valeur de Gs est indispensable pour de nombreux calculs et essais géotechniques :

Une erreur de ±0,05 sur Gs entraîne une erreur de ±3% sur la porosité calculée, ce qui peut avoir des conséquences significatives sur la prédiction du comportement hydraulique du sol.

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#8. Détermination de la teneur en eau par séchage au four : Méthode normalisée

La teneur en eau (w) représente le rapport entre la masse d’eau contenue dans le sol et la masse de sol sec. Ce paramètre fondamental influence directement la résistance au cisaillement, la compressibilité et le comportement mécanique des sols.

Protocole de séchage au four selon la norme NF P94-050

1. Prélever un échantillon représentatif de sol (minimum 100 g pour sols fins, 500 g pour sols grenus).
2. Peser immédiatement l’échantillon humide avec précision (M_h) dans une tare tarée.
3. Placer l’échantillon dans une étuve réglée à 105°C ± 5°C.
4. Maintenir le séchage pendant 24 heures minimum (ou jusqu’à masse constante).
5. Sortir l’échantillon et le placer dans un dessiccateur pour refroidissement (15-20 min).
6. Peser l’échantillon sec refroidi (M_s).
7. Calculer la teneur en eau : w = [(M_h – M_s) / Ms] × 100
8. Pour vérification, remettre au four 2h et repeser (masse constante si variation < 0,1%).

Température de séchage adaptée au type de sol

Type de sol	Température recommandée	Raison
Sables, graviers	105°C ± 5°C	Température standard (pas de minéraux sensibles)
Argiles, limons	105°C ± 5°C	Température standard acceptable
Sols gypseux	60°C – 80°C	Éviter déshydratation du gypse (CaSO₄·2H₂O)
Sols organiques, tourbes	60°C – 70°C	Éviter combustion matière organique
Sols avec halloysite	60°C maximum	Perte eau de constitution à T > 60°C

Applications de la teneur en eau dans les projets géotechniques

Sources d’erreur lors de la mesure de teneur en eau

Méthodes de mesure rapide de teneur en eau sur chantier

Pour un contrôle rapide sur chantier (résultat en 10-15 min au lieu de 24h), plusieurs méthodes iternatives existent :

Ces méthodes rapides sont utiles pour décision immédiate sur chantier, mais la méthode de référence par séchage au four reste obligatoire pour validation finale et réception des travaux.

#9. Analyse granulométrique : Courbe de distribution des tailles de particules

L’analyse granulométrique détermine la distribution des tailles de particules d’un sol par tamisage (éléments > 80 µm) et sédimentométrie (éléments < 80 µm). La courbe granulométrique obtenue permet la classification du sol selon le GTR et la norme NF P11-300.

Objectif : établir la courbe granulométrique représentant le pourcentage de particules passant à travers différents tamis, afin de classer le sol selon le GTR, vérifier la conformité aux fuseaux granulométriques (béton, enrobés), et calculer les coefficients d’uniformité (Cu) et de courbure (Cc) pour évaluer l’étalement de la granulométrie.

#9.1. Analyse granulométrique par tamisage (particules > 80 µm)

Le tamisage est la méthode de référence pour déterminer la distribution des particules supérieures à 80 µm (tamis 0,080 mm). Elle consiste à faire passer le sol à travers une série de tamis à mailles carrées normalisées, empilés du plus grand au plus petit.

Procédure :

1. Prélever un échantillon représentatif (minimum 500 g pour sables, 2 à 5 kg pour graviers selon D_max).
2. Sécher l’échantillon à l’étuve à 105°C jusqu’à masse constante.
3. Peser l’échantillon sec total (M₀).
4. Empiler les tamis normalisés dans l’ordre décroissant : 80 – 63 – 50 – 40 – 31,5 – 20 – 10 – 5 – 2 – 1 – 0,5 – 0,315 – 0,160 – 0,080 mm.
5. Verser l’échantillon sur le tamis supérieur et agiter manuellement ou mécaniquement (10-15 min).
6. Peser le refus sur chaque tamis (masses cumulées Mi).
7. Calculer les pourcentages de passants cumulés : % passant = [(M0 – Mi) / M0] × 100.
8. Tracer la courbe granulométrique (% passant en fonction du diamètre en échelle semi-log).

#9.2. Analyse par sédimentométrie à l’hydromètre (particules < 80 µm)

Pour les particules fines (argiles, limons) inférieures à 80 µm, la méthode par sédimentation est utilisée. Elle repose sur la loi de Stokes : les particules les plus grosses sédimentent plus rapidement que les fines. Un hydromètre mesure la densité de la suspension à intervalles réguliers.

Procédure :

1. Prélever la fraction passant au tamis 80 µm (environ 50 g de sol sec).
2. Disperser le sol dans une solution de défloculant (hexamétaphosphate de sodium).
3. Agiter énergiquement pendant 10 minutes pour séparer les particules.
4. Transvaser dans une éprouvette de 1000 ml et compléter avec de l’eau distillée.
5. Agiter l’éprouvette et déclencher le chronomètre.
6. Introduire l’hydromètre et noter les lectures à : 0,5 min – 1 min – 2 min – 5 min – 15 min – 30 min – 1h – 2h – 4h – 24h.
7. Calculer le diamètre des particules en suspension à chaque lecture selon la loi de Stokes.
8. Tracer la partie fine de la courbe granulométrique (< 80 µm).

Comment interpréter une courbe granulométrique ?

La courbe granulométrique se trace en portant en abscisse les diamètres des tamis en échelle logarithmique, et en ordonnée les pourcentages de passants cumulés en échelle linéaire. La forme de la courbe renseigne sur la qualité de la granulométrie :

Courbe étalée (pente douce) : Sol bien gradué, contenant toutes les tailles de grains. Coefficient Cu élevé (> 6 pour sables, > 4 pour graviers). Bon pour les compactages et les filtres.

Courbe raide (pente forte) : Sol uniforme, avec des grains de tailles similaires. Coefficient Cu faible (< 4). Mauvais pour compactage (fort indice des vides), risque de ségrégation.

Courbe discontinue ou à palier : sol mal gradué, avec une fraction manquante

Coefficients Cu et Cc : Évaluation de l’étalement granulométrique

Les dénominations des fractions (sable, limon, gravier) varient légèrement selon la norme : en laboratoire (NF P94-056), le limon s’étend de 2 à 63 µm ; sur chantier (GTR / NF P11-300), cette limite monte à 80 µm. »

Type de sol	Critère Cu	Critère Cc	Classification
Sable bien gradué (SW)	Cu > 6	1 < Cc < 3	Sol de bonne qualité pour remblai
Sable mal gradué (SP)	Cu < 6	–	Granulométrie uniforme, compactage difficile
Gravier bien gradué (GW)	Cu > 4	1 < Cc < 3	Excellent pour corps de chaussée
Gravier mal gradué (GP)	Cu < 4	–	Granulométrie serrée, portance limitée

À quoi sert l’analyse granulométrique en génie civil ?

Calcul du module de finesse pour béton (NF P18-560)

Le module de finesse (MF) caractérise la finesse globale d’un sable. Il est calculé en additionnant les pourcentages de refus cumulés aux tamis de la série 0,160 – 0,315 – 0,630 – 1,25 – 2,5 – 5 mm, puis en divisant par 100.

Formule : MF = (Σ refus cumulés sur 6 tamis) / 100

Interprétation :

Le module de finesse est un critère de réception des sables pour centrale à béton selon la norme NF EN 12620.

#10. Limites d’Atterberg : Caractérisation de la plasticité des sols fins

Les limites d’Atterberg définissent les seuils de teneur en eau marquant les changements d’état des sols fins argileux : limite de liquidité (LL), limite de plasticité (LP) et limite de retrait (LR). L’indice de plasticité IP = LL – LP caractérise le domaine plastique du sol.

Objectif : déterminer les teneurs en eau critiques qui délimitent les états liquide, plastique, semi-solide et solide d’un sol fin, afin de le classer selon le diagramme de Casagrande, évaluer son potentiel de gonflement-retrait, et prédire son comportement mécanique selon la norme NF P11-300 et le GTR.

#10.1. Comment mesurer la limite de liquidité avec l’appareil de Casagrande ?

La limite de liquidité (LL) est la teneur en eau pour laquelle le sol passe de l’état plastique à l’état liquide. À cette teneur en eau, le sol perd toute résistance au cisaillement et s’écoule comme un liquide visqueux. L’essai de Casagrande est la méthode normalisée française.

Procédure de l’essai Casagrande :

1. Préparer environ 200 g de sol passant au tamis 0,4 mm (fraction fine).
2. Malaxer le sol avec de l’eau distillée jusqu’à obtenir une pâte homogène et malléable.
3. Placer la pâte dans la coupelle de Casagrande et égaliser la surface (épaisseur 10 mm).
4. Tracer une rainure normalisée au centre avec l’outil à rainurer (largeur 2 mm au fond, angle 90°).
5. Tourner la manivelle à raison de 2 tours par seconde jusqu’à fermeture de la rainure sur 13 mm de longueur.
6. Noter le nombre de coups nécessaires (N).
7. Prélever un échantillon au niveau de la fermeture et déterminer sa teneur en eau (w).
8. Répéter l’opération avec des teneurs en eau décroissantes pour obtenir 4 à 5 points de mesure (N variant de 15 à 35 coups).
9. Tracer la courbe d’écoulement : log(N) en abscisse, w en ordonnée.
10. La limite de liquidité LL correspond à w pour N = 25 coups (lecture sur la courbe).

#10.2. Détermination de la limite de plasticité par roulage manuel

La limite de plasticité (LP) est la teneur en eau à laquelle le sol passe de l’état plastique à l’état semi-solide. En dessous de LP, le sol devient friable et se fissure. L’essai consiste à rouler le sol en boudins de 3 mm de diamètre jusqu’à fissuration.

Procédure de l’essai :

1. Prélever environ 20 g de sol ayant servi à l’essai de liquidité.
2. Malaxer et rouler le sol entre les doigts pour réduire progressivement la teneur en eau par évaporation.
3. Former un boudin de 10 cm de longueur et 3 mm de diamètre en roulant sur une plaque de verre.
4. Si le boudin ne se fissure pas, continuer le malaxage pour réduire w.
5. Lorsque le boudin se fissure en fragments de 5 à 10 mm à 3 mm de diamètre, prélever les fragments.
6. Déterminer immédiatement la teneur en eau (séchage four) : c’est la limite de plasticité LP.
7. Répéter 2 à 3 fois et calculer la moyenne des valeurs obtenues.

#10.3. Essai de limite de retrait : Teneur en eau de fin de retrait volumique

La limite de retrait (LR) est la teneur en eau en dessous de laquelle le sol ne subit plus de réduction de volume malgré la poursuite du séchage. C’est la transition entre l’état semi-solide et l’état solide. Elle permet d’évaluer le potentiel de retrait des argiles.

Procédure de l’essai :

1. Préparer une pâte de sol saturé (w > LL) avec environ 30 g de sol sec.
2. Remplir complètement une coupelle cylindrique de volume connu V0 (environ 30 cm³).
3. Peser l’ensemble (coupelle + sol humide).
4. Laisser sécher à l’air libre puis à l’étuve à 105°C jusqu’à masse constante.
5. Mesurer le volume final du sol sec Vs (par immersion dans du mercure ou par mesure des dimensions).
6. Peser le sol sec Ms.
7. Calculer la limite de retrait : LR = [(M0 – Ms) / Ms] × 100 – [(V0 – Vs) / Ms] × ρw

Classification des sols fins selon l’indice de plasticité IP

Indice de plasticité IP	Classification	Comportement	Classe GTR
IP < 5%	Non plastique	Limons peu plastiques, sables fins	B2, B4
5% < IP < 15%	Faiblement plastique	Limons argileux, argiles sableuses	A2, B5
15% < IP < 40%	Moyennement plastique	Argiles limoneuses	A3
IP > 40%	Très plastique	Argiles plastiques, argiles grasses	A4

Abaque de plasticité de Casagrande : Classification CL, CH, ML, MH

Le diagramme de Casagrande permet de classer les sols fins en fonction de leur limite de liquidité (LL) et de leur indice de plasticité (IP). Le graphique représente IP en ordonnée et LL en abscisse, avec une ligne A d’équation IP = 0,73 (LL – 20) qui sépare les argiles (au-dessus) des limons (en dessous).

Classification selon le diagramme :

La ligne U (ligne supérieure, IP = 0,9 (LL – 8)) délimite la zone des sols organiques au-dessus.

Cette classification internationale doit être complétée par la classification française GTR pour les projets de terrassement routier en France.

Applications pratiques des limites d’Atterberg

Relations empiriques entre IP et comportement mécanique

Les limites d’Atterberg permettent d’estimer certaines propriétés mécaniques des argiles par corrélations empiriques établies statistiquement :

Ces corrélations donnent des ordres de grandeur mais ne remplacent pas les essais mécaniques directs (œdomètre, triaxial, CBR).

Pour évaluer le risque de retrait-gonflement des argiles, consultez la cartographie officielle de l’aléa établie par le BRGM sur Géorisques, qui identifie les zones d’aléa faible, moyen et fort sur l’ensemble du territoire français.

Essais Hydrauliques et de Consolidation des Sols

Les essais hydrauliques mesurent les propriétés liées aux écoulements d’eau dans les sols : perméabilité, drainage, consolidation. Ces paramètres sont essentiels pour le dimensionnement des systèmes de drainage, la stabilité des barrages en terre, l’évaluation des écoulements souterrains et la prédiction des tassements à long terme des sols compressibles.

#11. Essai de perméabilité : Détermination du coefficient de perméabilité k selon la loi de Darcy

Le coefficient de perméabilité k (en m/s) caractérise l’aptitude d’un sol à se laisser traverser par l’eau sous un gradient hydraulique. Mesuré par perméamètre à charge constante (sols grenus) ou charge variable (sols fins), k varie de 10⁻² m/s pour les graviers à 10⁻¹⁰ m/s pour les argiles intactes.

Objectif : mesurer le coefficient de perméabilité k d’un échantillon de sol en laboratoire pour dimensionner les systèmes de drainage des chaussées, évaluer les débits d’infiltration dans les barrages en terre, calculer les temps de consolidation des argiles compressibles, et vérifier les critères de filtration selon Terzaghi pour la conception de drains et géotextiles.

Ordres de grandeur du coefficient de perméabilité selon le type de sol

Type de sol	Coefficient k (m/s)	Drainage	Méthode d’essai
Graviers propres	10⁻² à 10⁻¹	Excellent	Charge constante
Sables grossiers	10⁻³ à 10⁻²	Bon	Charge constante
Sables fins	10⁻⁴ à 10⁻³	Moyen	Charge constante
Sables limoneux	10⁻⁵ à 10⁻⁴	Faible	Charge variable
Limons	10⁻⁷ à 10⁻⁵	Très faible	Charge variable
Argiles remaniées	10⁻⁹ à 10⁻⁷	Pratiquement imperméable	Charge variable
Argiles intactes	10⁻¹¹ à 10⁻⁹	Imperméable	Œdomètre ou in situ

Comment mesurer la perméabilité à charge constante ? (sols grenus)

L’essai à charge constante est adapté aux sols perméables (sables, graviers) dont le coefficient de perméabilité k > 10⁻⁵ m/s. Le principe consiste à maintenir une charge hydraulique constante aux bornes de l’échantillon et à mesurer le débit d’eau qui le traverse.

Procédure de l’essai à charge constante :

1. Préparer un échantillon de sol dans un perméamètre cylindrique (diamètre 100-150 mm, hauteur 150-200 mm).
2. Saturer complètement l’échantillon par circulation d’eau désaérée (24h minimum).
3. Appliquer une charge hydraulique constante Δh entre l’entrée et la sortie du perméamètre.
4. Mesurer le volume d’eau V qui traverse l’échantillon pendant un temps t (généralement 5 à 15 minutes).
5. Répéter la mesure 3 fois pour vérifier la stabilité du débit.
6. Calculer le coefficient de perméabilité k selon la formule de Darcy.
7. Répéter l’essai avec 2 à 3 valeurs différentes de Δh pour validation.
8. Mesurer la température de l’eau et corriger k à 20°C si nécessaire.

Essai de perméabilité à charge variable pour sols fins (argiles, limons)

L’essai à charge variable est utilisé pour les sols peu perméables (argiles, limons, sables limoneux) ayant un coefficient k < 10⁻⁵ m/s. La charge hydraulique diminue progressivement au cours de l’essai, et la baisse du niveau d’eau dans un tube piézométrique est mesurée en fonction du temps.

Procédure de l’essai à charge variable :

1. Préparer l’échantillon dans un perméamètre avec un tube piézométrique de section connue a connecté à l’entrée.
2. Saturer complètement l’échantillon (peut nécessiter 48h pour argiles).
3. Remplir le tube piézométrique d’eau jusqu’à une hauteur h₀.
4. Ouvrir la vanne et déclencher le chronomètre.
5. Mesurer la baisse du niveau d’eau h(t) dans le tube à intervalles réguliers (ex : toutes les 5 min).
6. Poursuivre jusqu’à ce que h diminue significativement (généralement h₁ = h₀/2 ou h₀/3).
7. Tracer le graphique log(h) en fonction du temps t (droite théorique).
8. Calculer k à partir de la pente de la droite.

Applications du coefficient k dans les projets d’ingénierie

Paramètres affectant le coefficient de perméabilité k

Le coefficient de perméabilité d’un sol dépend de nombreux facteurs physiques et hydrauliques :

Pour les projets géotechniques, il est recommandé de mesurer k in situ (essai Lefranc, Lugeon) en complément des essais de laboratoire, car le remaniement lors de l’échantillonnage modifie significativement k pour les sols fins.

Estimation de k à partir de la courbe granulométrique (formule de Hazen)

Pour les sables propres et uniformes, le coefficient de perméabilité peut être estimé par des corrélations empiriques basées sur D10 (diamètre effectif) :

k (cm/s) ≈ C × D10² (mm)

où C = 100 à 150 (C = 100 pour sables fins, C = 150 pour sables grossiers propres)

k = (γw / μ) × (e³ / (1+e)) × (D10² / 180)

Ces formules donnent un ordre de grandeur mais ne remplacent pas l’essai de laboratoire, surtout pour les sols contenant des fines (limons, argiles) où k dépend fortement de la structure et de la minéralogie.

Méthodes de mesure de perméabilité sur site (Lefranc, Lugeon, Matsuo)

Les essais de perméabilité in situ sont essentiels pour valider les valeurs de laboratoire, car le remaniement des échantillons modifie significativement k. Les principales méthodes sont :

Ces essais in situ donnent des valeurs de k généralement 2 à 10 fois supérieures aux essais de laboratoire pour les sols fins (structure préservée, fissures naturelles).

#12. Essai œdomètre : Mesure de la compressibilité et temps de consolidation des argiles

L’essai œdomètre mesure la compressibilité d’un sol saturé sous chargement vertical sans déformation latérale. Il permet de calculer les tassements des fondations sur argiles, le temps de consolidation et les coefficients Cc (compression), Cs (gonflement) et cv (consolidation verticale).

Objectif : déterminer les paramètres de compressibilité et de consolidation d’un sol fin saturé pour calculer l’amplitude des tassements sous charge (fondations, remblais, barrages), prédire le temps nécessaire pour atteindre 50%, 90% ou 100% de consolidation, et évaluer la préconsolidation du sol (contrainte de préconsolidation σ’p) selon la méthode de Casagrande.

Principe de l’œdomètre : Compression unidimensionnelle sans déformation latérale

L’essai œdomètre reproduit les conditions de chargement vertical d’un sol dans son gisement naturel : l’échantillon cylindrique de 70 mm de diamètre et 20 mm de hauteur est confiné latéralement dans une bague rigide, permettant uniquement la déformation verticale. Le sol saturé est soumis à des paliers de chargement croissants puis décroissants, et le tassement est mesuré en continu.

L’essai simule fidèlement le comportement d’une couche d’argile sous une fondation ou un remblai où les déformations horizontales sont bloquées par les couches adjacentes. C’est l’essai de référence pour le calcul des tassements de consolidation selon l’Eurocode 7 et la norme NF P94-500.

Protocole de l’essai œdomètre selon la norme NF P94-090-1

1. Prélever un échantillon intact d’argile saturée (tube à paroi mince, carottier).
2. Découper un échantillon cylindrique de 70 mm de diamètre et 20 mm de hauteur dans la bague œdométrique.
3. Placer l’échantillon entre deux pierres poreuses saturées pour permettre le drainage vertical.
4. Immerger l’ensemble dans l’eau pour maintenir la saturation.
5. Appliquer une charge de mise en place faible (5 à 10 kPa) et laisser stabiliser 24h.
6. Appliquer des paliers de charge successifs doublant la contrainte : 10 – 20 – 40 – 80 – 160 – 320 – 640 kPa (ou jusqu’à 1280 kPa selon projet).
7. Maintenir chaque palier pendant 24 heures minimum (argiles peu perméables : 48h).
8. Mesurer le tassement en continu avec un comparateur (précision 0,01 mm).
9. Après le dernier palier, décharger par paliers : 320 – 160 – 80 – 40 – 20 – 10 kPa.
10. Tracer la courbe e-log(σ’) : indice des vides en fonction du logarithme de la contrainte effective.
11. Déterminer graphiquement Cc, Cs, σ’p par la méthode de Casagrande.
12. Mesurer cv à partir des courbes tassement-temps pour chaque palier.

Comment interpréter la courbe e-log(σ’) de l’essai œdomètre ?

La courbe œdométrique représente l’évolution de l’indice des vides (e) en fonction du logarithme de la contrainte effective verticale (log σ’). Elle se compose de trois parties caractéristiques :

1. Branche de recompression (0 à σ’p) : Pente faible (indice de recompression Cr ou Cs). Le sol subit une recompression élastique jusqu’à atteindre la contrainte maximale qu’il a déjà subie dans son histoire géologique (σ’p = contrainte de préconsolidation).
2. Branche vierge de compression (σ’ > σ’p) : Pente forte (indice de compression Cc). Le sol se comprime de manière irréversible car il n’a jamais été soumis à ces contraintes. Cette partie gouverne les tassements des ouvrages neufs.
3. Branche de déchargement-gonflement : Pente faible (indice de gonflement Cs). Le sol reprend partiellement son volume initial mais avec une déformation résiduelle permanente.

Le rapport de surconsolidation OCR = σ’p / σ’₀ caractérise l’état initial du sol :

Indices Cc, Cs et Cr : Mesure de la compressibilité des argiles

Coefficient	Définition	Formule	Valeurs typiques
Cc (indice compression)	Pente branche vierge	Cc = Δe / Δlog(σ’)	0,1 à 0,5 (argiles raides) 0,5 à 1,5 (argiles molles) 1,5 à 4,0 (argiles organiques)
Cs ou Cr (indice gonflement)	Pente branche gonflement	Cs = Δe / Δlog(σ’)	Cs ≈ Cc/5 à Cc/10
σ’p (préconsolidation)	Contrainte maximale passée	Méthode Casagrande graphique	50 à 200 kPa (argiles molles) 200 à 500 kPa (argiles raides)
OCR (surconsolidation)	Rapport surconsolidation	OCR = σ’p / σ’₀	1 (NC) à 10+ (fortement OC)

Calcul du temps de consolidation avec le coefficient cv

Le coefficient de consolidation cv caractérise la vitesse à laquelle l’eau interstitielle est chassée des pores de l’argile sous l’effet du chargement. Plus cv est élevé, plus la consolidation est rapide. Il dépend de la perméabilité k et de la compressibilité du sol.

Le temps de consolidation t pour atteindre un degré de consolidation U donné se calcule par la formule de Terzaghi :

t = (T × H²dr) / cv

où T est le facteur temps fonction de U :

Hdr est la distance de drainage :

Valeurs typiques de cv :

Pour une couche d’argile de 10 m d’épaisseur avec cv = 2 m²/an en drainage double (Hdr = 5 m), le temps pour atteindre 90% de consolidation est :
t₉₀ = (0,848 × 5²) / 2 = 10,6 ans

Méthode de Casagrande pour trouver la contrainte de préconsolidation

Procédure graphique :

1. Sur la courbe e-log(σ’), identifier le point de courbure maximale (rayon de courbure minimum).
2. Tracer la tangente horizontale passant par ce point.
3. Tracer la tangente à la courbe au point de courbure maximale.
4. Tracer la bissectrice de l’angle formé par ces deux tangentes.
5. Prolonger la partie rectiligne de la branche vierge (Cc) vers les faibles contraintes.
6. L’intersection entre la bissectrice et le prolongement de Cc donne σ’p (contrainte de préconsolidation).

La contrainte de préconsolidation σ’p représente la contrainte verticale effective maximale que le sol a subie dans son histoire géologique. Les causes de préconsolidation sont :

Un sol surconsolidé (OCR > 1) subit des tassements beaucoup plus faibles qu’un sol normalement consolidé sous une même charge additionnelle, car il se déforme selon la branche de recompression (Cs << Cc).

Applications de l’œdomètre dans les projets de fondations et remblais

Amélioration des sols par drains verticaux : Réduction du temps de consolidation

Pour réduire le temps de consolidation des argiles molles sous remblais ou plateformes, on installe des drains verticaux (préfabriqués en géotextile ou colonnes de sable) espacés de 1 à 3 m. L’eau interstitielle s’écoule radialement vers les drains au lieu de verticalement sur toute l’épaisseur, réduisant drastiquement Hdr.

Efficacité typique des drains verticaux :

La technique du préchargement avec drains verticaux est standard pour :

Le dimensionnement des drains (espacement, longueur, diamètre) nécessite une étude spécifique intégrant cv horizontal et cv vertical mesurés en œdomètre.

Essais Spécifiques et Comportements Particuliers des Sols

Certains sols présentent des comportements particuliers nécessitant des essais spécifiques : gonflement des argiles sous humidification, collapsibilité des sols effondrables, sensibilité au gel-dégel, et dispersion des argiles sodiques. Ces essais permettent d’identifier les sols problématiques et de dimensionner les techniques spéciales de fondation adaptées selon les recommandations du BRGM et de la norme NF P94-500.

#14. Essai de collapsibilité : Détection des sols effondrables

L’essai de collapsibilité identifie les sols susceptibles de s’effondrer brutalement lors de leur humidification sous charge. Ces sols effondrables (loess, limons, sables peu compactés) présentent une structure métastable qui s’effondre au contact de l’eau, provoquant des tassements soudains pouvant atteindre 5 à 20% de l’épaisseur de la couche.

L’essai est réalisé en œdomètre : l’échantillon sec est chargé progressivement, puis inondé sous charge constante. Un tassement brutal lors de l’imbibition révèle un comportement effondrable. Le potentiel de collapsibilité Ic guide le choix des fondations et des techniques d’amélioration de sol en zones arides et semi-arides.

Applications clés :

#15. Essai de gélivité : Évaluation de la sensibilité au gel-dégel

L’essai de gélivité évalue la susceptibilité d’un sol aux cycles de gel-dégel qui provoquent des gonflements par formation de lentilles de glace, suivis de tassements lors du dégel. Les sols gélifs (limons, argiles, sables fins) subissent des déformations cycliques endommageant les structures de chaussée et les fondations superficielles en zones froides.

Classification	Gonflement au gel	Type de sol	Mesures constructives
SGn (non gélif)	< 0,5 mm	Graviers, sables grossiers propres	Profondeur hors gel standard
SGp (peu gélif)	0,5 à 4 mm	Sables fins, limons peu plastiques	Profondeur hors gel + 20 cm
SGt (très gélif)	> 4 mm	Limons, argiles, sols fins saturés	Substitution ou isolation thermique

Applications clés :

#16. Essai de dispersion : Identification des argiles sodiques dispersives

L’essai de dispersion identifie les argiles sodiques susceptibles de se disperser spontanément au contact de l’eau douce, provoquant une érosion interne rapide (phénomène de renard) dans les barrages en terre et les digues. Les argiles dispersives contiennent des cations sodium (Na⁺) échangeables qui déstabilisent la structure argileuse en présence d’eau.

Applications clés :

Interprétation et Utilisation des Résultats d’Essais

Les résultats des essais de laboratoire géotechnique doivent être interprétés dans leur contexte géotechnique global. Aucun essai isolé ne suffit pour caractériser un sol : c’est la synthèse de tous les paramètres mesurés (identification, mécanique, hydraulique) qui permet une classification fiable et un dimensionnement sécuritaire des ouvrages selon les normes françaises et européennes.

Applications clés :

Conclusion : Les Essais de Laboratoire Géotechnique

Les essais de laboratoire géotechnique constituent le socle de toute étude de sol fiable. De l’identification basique (granulométrie, limites d’Atterberg) aux essais mécaniques avancés (triaxial, œdomètre), chaque essai apporte des informations essentielles pour comprendre le comportement des sols et dimensionner les ouvrages en sécurité. Les normes françaises NF P94-xxx et européennes NF EN ISO 17892 garantissent la reproductibilité et la fiabilité des résultats.

L’expertise du géotechnicien réside dans sa capacité à sélectionner les essais pertinents selon le projet, à interpréter les résultats dans leur contexte géologique et hydrogéologique, et à formuler des recommandations constructives adaptées. Les essais de laboratoire, complétés par les reconnaissances in situ (sondages, pénétromètres, pressiomètres), permettent de maîtriser les risques géotechniques et d’optimiser les solutions techniques selon les exigences de performance, de durabilité et de coût.

La réglementation française (loi ELAN, norme NF P94-500) impose des études géotechniques obligatoires pour garantir la sécurité des constructions. Les essais de laboratoire, réalisés par des laboratoires accrédités COFRAC, constituent la base factuelle indispensable pour toute mission géotechnique de qualité, de la phase esquisse G1 jusqu’au suivi d’exécution G4.