CHAPITRE 12 ESSAIS IN SITU

12 ESSAIS IN SITU .....................................................................................................................................................................2 12.1PRSENTATION DES ESSAIS IN SITU.......................................................................................................................................2 12.2 ESSAI PRESSIOMTRIQUE MENARD (MNARD PRESSUMETER TEST) PMT : NF P 94-110-1.........................................2 12.2.1 Domaine d'application ...........................................................................................................................................2 12.2.2 Principe de l'essai...................................................................................................................................................2 12.2.3 Appareillage ...........................................................................................................................................................3 12.2.4 Ralisation du sondage pressiomtrique ................................................................................................................4 12.2.5 Expression des rsultats .........................................................................................................................................6 12.3 ESSAI DE PNTRATION STATIQUE (CNE PNTRATION TEST - CPT) ..........................................................................12 12.3.1 Domaine d'application .........................................................................................................................................12 12.3.2 Principe de l'essai.................................................................................................................................................12 12.3.3 Appareillage .........................................................................................................................................................13 12.3.4 Ralisation de l'essai de pntration statique.......................................................................................................13 12.3.5 Expression des rsultats .......................................................................................................................................13 12.3.6 Identification des sols ...........................................................................................................................................14 12.3.7 Ordre de grandeur des rsistances de pointe qc ...................................................................................................15 12.4 ESSAIS DE PNTRATION STATIQUE AU PIZOCNE (CPTU) NF P 94-119 (DCEMBRE 1995) ......................................16 12.4.1 Domaine dapplication.........................................................................................................................................16 12.4.2 Principe de lessai ................................................................................................................................................16 12.4.3 Appareillage .........................................................................................................................................................16 12.4.4 Ralisation de l'essai au pizocne ......................................................................................................................16 12.4.5 Expression des rsultats .......................................................................................................................................16 12.4.6 Classifications des sols.........................................................................................................................................18 12.4.7 Estimation du coefficient local de permabilit horizontale Ch. ...........................................................................19 12.5 ESSAI DE CISAILLEMENT (SUR SITE) AU PHICOMTRE XP P 94-120 (DCEMBRE 1997).................................................20 12.5.1 Domaine d'application .........................................................................................................................................20 12.5.2 Principe de lessai. ...............................................................................................................................................20 12.5.3 Appareillage .........................................................................................................................................................20 12.5.4 Ralisation de lessai............................................................................................................................................21 12.5.5 Expression des rsultats .......................................................................................................................................21 12.6 PNTROMTRES DYNAMIQUES ....................................................................................................................................22 12.6.1 Pntromtre dynamique A (Dynamic penetration A tip).....................................................................................22 12.6.2 Pntromtre dynamique B (Dynamic penetration B tip).....................................................................................23 12.7 ESSAI DE PNTRATION AU CAROTTIER (STANDARD PENETRATION TEST) S.P.T. NF P 94-116 (OCT.1991) ................24 12.7.1 Principe de l'essai.................................................................................................................................................25 12.7.2 Domaine d'application .........................................................................................................................................25 12.7.3 Appareillage .........................................................................................................................................................25 12.7.4 Ralisation de l'essai ............................................................................................................................................25 12.7.5 Expression des rsultats .......................................................................................................................................26 12.8 ESSAI SCISSOMTRIQUE - VANE PROBE TEST NF P 94-112 (NOVEMBRE 1991) .............................................................26 12.8.1 Principe de l'essai.................................................................................................................................................26 12.8.2 Domaine d'application .........................................................................................................................................27 12.8.3 Appareillage .........................................................................................................................................................27 12.8.4 Ralisation de l'essai ............................................................................................................................................27 12.8.5 Expression des rsultats .......................................................................................................................................28

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12 Essais in situ
12.1Prsentation des essais in situ
En France, on utilise plus les essais in situ que les essais de laboratoire. Les essais in situ testent directement le sol, ne ncessitent pas de prise d'chantillons et fournissent un sondage presque continu ; de plus, ils sont moins chers que les essais de laboratoire. Les essais de laboratoire ncessitent un sondage carott, des prises d'chantillons intacts et des essais au laboratoire avec un remaniement plus ou moins important des chantillons de sol entre le chantier de sondage et le laboratoire. Par contre, les essais de laboratoire, essais l'appareil triaxial surtout, permettent de contrler la vitesse de chargement, les conditions de drainage (court terme et long terme), de simuler des chemins de contraintes des conditions; alors que les essais sur site sont pratiquement des essais court terme. En France, on utilise surtout l'essai PRESSIOMETRIQUE MENARD (dans 75 % des tudes de fondations) et l'essai au pntromtre statique. Les autres essais, aux pntromtres dynamiques et le Standard Pntration Test (S.P.T. trs utilis dans les pays anglo-saxons) sont employs avec plus de rserves. Enfin, l'essai au scissomtre est seulement utilis, gnralement, pour tester les sols fins mous ou peu compacts. Tous ces essais sont des essais la rupture, sauf l'essai pressiomtrique qui sollicite le sol des petites aux grandes dformations. Gnralement des rgles plus ou moins empiriques permettent de passer directement des rsultats de ces essais aux calculs de fondations et on ne cherche pas en dduire et C pour se rapprocher de mthodes de calcul plus anciennes et plus "mcaniques" qui taient trs utilises quand on ralisait essentiellement des essais en laboratoire. L'tude de l'ensemble des problmes de mcanique des sols et de gotechnique fait appel la fois aux essais en laboratoire et aux essais sur site, aucun essai n'est universel.

12.2 Essai pressiomtrique MENARD (Mnard pressumeter test) PMT : NF P 94-110-1

NF P 94-110 1 (janvier 2000) Essai pressiomtrique Mnard Partie 1 : essai sans cycle 12.2.1 Domaine d'application L'essai pressiomtrique peut tre ralis dans tous les types de sols saturs ou non, y compris dans le rocher (avec plus dincertitude) et les remblais . 12.2.2 Principe de l'essai L'essai pressiomtrique consiste dilater radialement dans le sol une sonde cylindrique et dterminer la relation entre la pression p applique sur le sol et le dplacement de la paroi de la sonde (Fig.12.1).

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A -- A Sol

Sonde pressiomtrique P

Forage

P A A

Fig.12.1 Schma d'un sondage pressiomtrique 12.2.3 Appareillage Il comprend un contrleur pression-volume appel CPV, des tubulures et une sonde (Fig.12.2 )

Fig.12.2 Contrleur Pression Volume (CPV) et Sonde (doc. APAGEO)

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12.2.3.1 Contrleur pression-volume CPV Il est rempli d'eau et connect la sonde de mesure par des tubulures coaxiales en rilsan. Il permet d'envoyer l'eau, jusqu' une pression d'au moins 5 MPa d'un gaz comprim et de mesurer le volume inject par un tube gradu (Fig.12.2). 12.2.3.2 Sondes Les plus utilises sont les sondes AX de 44 mm et BX de 58 mm. Elles comportent trois cellules fermes par un unique cylindre mtallique revtu dans sa partie centrale d'une membrane en caoutchouc. Le cylindre tant lui-mme recouvert par une gaine en caoutchouc. La division en trois cellules, deux cellules de garde entourant la cellule de mesure, permet d'assurer une dformation cylindrique plane de cette dernire. On distingue les sondes gaine souple, des sondes avec tubes fendus. La sonde avec tube fendu est une sonde du type dcrit prcdemment, place l'abri d'un tube fendu longitudinalement selon six gnratrices. Lusage du tube fendu ne doit pas tre systmatique mais rserv aux cas o les autres mthodes savrent trs difficiles mettre en uvre. 12.2.3.3 Lenregistreur Lenregistreur est obligatoire, il est quip dune horloge interne, dune imprimante et dun support denregistrement qui peut tre relu par un ordinateur. 12.2.4 Ralisation du sondage pressiomtrique Il comporte les deux oprations suivantes : - Un forage destructif, opration la plus dlicate, de la qualit du forage dpend la fiabilit des rsultats ; - La ralisation de l'essai lui-mme : essai pressiomtrique ; Forage pressiomtrique Deux techniques peuvent tre employes : Le forage pralable (tableau 12.1) avec enregistrement des paramtres de forage Lintroduction par battage de la sonde place dans un tube fendu.

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Nature des terrains Vase et argile molles Argiles moyennement compactes Argiles compactes et marnes raides au-dessus de la nappe Limons sous la nappe au-dessus de la nappe Sables lches sous la nappe Sables moyennement compacts et compacts Sols grossiers : graviers, galets, argiles silex, etc Roches altres tendres TAM T.IN R R R R R R O R R R R

Forage pralable Rotation* Battage THC O.DG.IN CAR. ROTOP CARBat CARVbf O O(CPMF) R R O R R R O R O O O O O O O O O O O O R O R R O R O R R R O O O O O O

TF EM O O O** O O** O

Tableau 12.1 Mthodes de ralisation des forages pressiomtriques

R O * + ** TAM T. IN. THC O. DG. ROTOP IN BAT. CPMF TF CAR. TFEM VBF Recommand Tolr Non tolr Inadapt Vitesse de rotation < 60 tr/min, et diamtre de l'outil infrieur ou gal 1,15d Eventuellement forage pralable en petit diamtre (dt<ds) Injection avec boue (pression < 500kPa - dbit < 15 l/min) si rotation = pression sur outil < 200kPa Avec dispositions particulires Tarire main Tarire avec injection de boue de forage Tarire hlicodales continue sec Outil dsagrgateur Rotopercussion Avec injection de boue Battage Carottier parois minces fonc Tube fendu Carottier Tube fendu avec enlvement simultan des matriaux Vibrofonage

La technique doit tre adapte au type de terrain sonder. La longueur maximale de forage sera choisie pour que les parois du forage soient les moins altres possibles. Elles seront dautant plus faibles que le sol est lche ou compressible (tableau 12.2)
Nature des terrains Vase et argiles molles Argiles moyennement compactes Argiles compactes, marnes raides - au-dessus de la nappe limons - sous de la nappe - au-dessus de la nappe Sables lches - au-dessous de la nappe Sables moyennement compacts Sols grossiers : graviers, galets, argiles silex, etc - altres Roches - saines * longueur maximale correspondant au poste de travail ** ou intervalle entre deux essais conscutifs Longueur maximale de forage fait avant lessai (m) 1** 3 5 5 3 3 1** 5 5 5 *

Tableau 12.2 Longueur maximale dune passe dun forage avant essai
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Essai pressiomtrique On fait gnralement un essai tous les mtres, mais ce nest pas videmment une obligation. L'essai consiste appliquer progressivement par palier, une pression uniforme sur la paroi du forage et mesurer l'expansion de la sonde V en fonction de la pression applique p (Fig.12.3). Il permet d'obtenir le module pressiomtrique EM, la pression limite Pl , la pression de fluage Pf et la pression de contact avec le terrain P1 La pression pr mesure au CPV est augmente progressivement par paliers de pression de pas constants et au plus gaux une valeur de l'ordre du dixime de la pression limite estime. Chaque pression est maintenue constante dans les cellules de mesure et de garde pendant 60 secondes. A chaque palier, on visualise et on enregistre la pression applique et le volume inject dans la sonde 1, 15, 30 et 60 secondes. L'essai peut tre considr comme termin sil comporte au moins huit paliers et si une des conditions est satisfaite la pression pr de 5MPa est atteinte le volume de liquide inject dans la cellule centrale est dau moins 600cm3 pour les sondes standards. On veillera ce quil y ait, pour les essais o la pression est < 5MPa, au moins trois paliers au-del de la pression de fluage au moins quatre paliers avant cette pression de fluage.
Volume inject dans la cellule centrale de mesure (cm3)

Vr

V2

V1

P1

P2

Pression pr

Fig. 12.3 Courbe pressiomtrique brute en fin de palier 12.2.5 Expression des rsultats 12.2.5.1 Courbe pressiomtrique corrige
Les valeurs de pression pr lues au manomtre et de volume Vr lues au CPV sont corriges et permettent de tracer la

courbe pressiomtrique corrige (Fig.12.4) Pour les pressions, la pression relle P applique par la cellule centrale au sol est gale : p = pr + ph - pe
ph : pc :

(12.1)

la pression hydrostatique au niveau de la cellule centrale rsistance propre de l'ensemble membrane-gaine et ventuellement du tube lantern, pour un volume donn
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(Pour les volumes, le volume Vr peut tre corrig de la dilatation propre des tubulures pour les pressions importantes > 2,5 MPa)
V Vl

II
Coube corrige

III

V2

V1

mi

Courbe de fluage
P1 P2 P

Fig. 12.4 Courbe pressiomtrique corrige en fin de palier

I phase de mise en contact de la paroi de la sonde avec le sol II phase pseudo-lastique III phase des grands dplacements

12.2.5.2 Dtermination du module pressiomtrique Mnard EM

plage pseudo-lastique du calcul du module EM

La courbe pressiomtrique corrige est constitue par une succession de segments de pente mi (Fig.12.4), mE est la valeur mi la plus faible. La plage pseudo-lastique est lensemble des segments conscutifs qui ont une pente infrieure ou gale fois la pente mE. avec 1 PE + PE 6 = 1+ + 100 PE PE V E V E avec V en cm3 La plage pseudo-lastique a pour origine (p1,V1) et pour extrmits (p2, V2) Le module pressiomtrique EM est dtermin dans la plage pseudo-lastique. Il est calcul en considrant le sol en lasticit linaire, en dformation plane, avec un chargement de rvolution (tuyaux pais de LAME 7.2.5).

(V + V2 ) p p 2(1 + )Vs + 1 1 2 2 EM = V2 V1
avec : Vs : coefficient de Poisson pris gal 0,33

(12.2)

volume de la cellule centrale (de l'ordre de 535 cm3 pour les cellules standard)

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La dtermination du module EM est l'opration la plus dlicate dans l'essai pressiomtrique. Du fait du remaniement du trou de forage, le module pressiomtrique EM sera toujours plus faible que le module rel du sol. Le module EM est le module de premier chargement. On peut faire des essais cycliques au pressiomtre (NF P 94-110 2 ,dcembre 1999, Essai pressiomtrique Mnard Partie 2 : essai avec cycle) avec une boucle de dchargement - rechargement, pour dterminer un module cyclique ou plus prcisment le module de premier rechargement Er. Ce module Er est 3 5 fois suprieur au module de premier chargement EM. Ce module Er peut tre utilis dans les projets courants comme module de Young E. 12.2.5.3 Dtermination de la pression de fluage pf La pression de fluage pf est obtenue par exploitation graphique du diagramme de fluage, sur une trs courte dure de 30sec, (Fig.12.4). C'est l'abscisse de l'intersection des deux droites passant, respectivement, par les points P,V 60/30sec appartenant la phase pseudo-lastique et la phase des grandes dformations. P, V 60/30sec est la variation de volume de liquide inject dans la cellule centrale entre t= 30 s et t = 60 s aprs le dbut d'un palier de la pression p. La valeur de pf est en gnral peu diffrente de la valeur de p2 12.2.5.4 Dtermination de la pression limite pl Lorsque la pression applique sur les parois du forage par la sonde dpasse la pression de fluage pf le sol entre en plastification et il se forme un anneau de terrain plastifi confin par une zone qui reste dans le domaine lastique.
Dtermination directe :

Par convention, la pression limite est la pression qui entrane le doublement de la cellule centrale de mesure aprs la pression p1. Elle correspond un volume inject Vl = Vs + 2 V1
Dtermination de la pression limite conventionnelle :

Si le volume inject est insuffisant, la pression est extrapole, condition que le nombre de paliers au-del de p2 soit au moins gal 3, sauf si la pression est 5 MPa, auquel cas on notera pl > p (p :dernire valeur corrige) On utilise conjointement deux mthodes dextrapolation, la mthode de la courbe inverse qui permet de dterminer pli et la mthode dextrapolation hyperbolique plh.
La pression limite conventionnelle est la plus faible des deux valeurs pli et plh

p = inf (p li , p lh )

si

p li p lh p lh

0,2

lessai ne permet pas de dterminer la pression limite.

Un minorant de la pression limite peut tre pris gal la dernire pression corrige mesure.

12.2.5.5 Pression limite pressiomtrique nette, pression de fluage pressiomtrique nette Les pressions nettes p* sont comptes par rapport la contrainte totale horizontale qui rgnait dans le sol avant introduction de la sonde pressiomtrique. p l = p l hs (12.3) p = p f hs (12.4) f avec hs = KO (VS uS) + uS uS : pression interstitielle KO est le coefficient des terres au repos, par rapport aux contraintes effectives horizontale et verticale.
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' hS KO = ' VS

Si la masse volumique du terrain nest pas mesure, on pourra lestimer (gnralement 1,8 Mg.m-3). Si KO nest pas mesur, cest trs gnralement le cas, on lestimera en fonction de la nature gologique du terrain, pour un sol normalement consolid on pourra prendre KO 0,5. 12.2.5.6 Qualits ncessaires lexcution dun essai pressiomtrique Lessai pressiomtrique tant la fois lessai standard en France et lessai le plus dlicat il convient dattacher une grande importance son excution tant pour le forage que pour lessai lui mme. Forage pressiomtrique Lavantage du forage est de pouvoir faire un sondage la profondeur choisie, sans limites, condition de possder le bon matriel ! On verra, par contre, que les pntromtres sont limits par la profondeur de refus due une rsistance du terrain qui excde les capacits de la structure de raction. Mais il est impossible de ne pas dgrader les caractristiques initiales du terrain en place quand on ralise un forage destructif. Malgr tout on doit limiter au maximum le remaniement du sol en respectant la norme et les tableaux 12.1 et 12.2 qui permettent dobtenir des paramtres normaliss qui sont ensuite utiliss dans les calculs de fondations. Il est donc impratif davoir une bonne connaissance des terrains, de la position de la nappe, obtenues par une tude gologique et hydrogologique pralable, pour choisir les meilleurs outils et les bons fluides de forage. Les longueurs des passes doivent tre limites pour ne pas ramoner le terrain et pour laltrer le moins possible. Cest surtout le module pressiomtrique EM qui est affect par le remaniement du terrain en place. Lessai cyclique pressiomtrique le montre bien puisque le module de premier rechargement Er est beaucoup plus lev que le module de premier chargement EM. A fortiori, si le forage ne respecte pas les strictes consignes de la norme le module dtermin dans ces mauvaises conditions sera beaucoup plus faible que le module EM dtermin dans les conditions normalises. Le rapport EM / pl tant caractristique des sols, des valeurs anormalement basses peuvent dtecter un mauvais forage. La valeur de la pression limite pl est moins affecte que le module pressiomtrique EM par le remaniement du terrain puisque la couronne de sol plastifi la rupture est gnralement assez paisse pour tre moins sujette la dgradation du terrain. Nanmoins si le forage est rat il est bien vident que la pression limite pl sera plus faible que la valeur relle . Il nest pas simple de garantir une qualit de forage constante pour un essai profond quand on doit traverser une srie de terrains trs diffrents, soit au-dessus de la nappe, soit en dessous. Il est donc possible, dans les terrains dlicats forer, de rater parfois des essais pressiomtriques. Il est dans ce cas prfrable dindiquer limpossibilit de lessai plutt que de vouloir donner de fausses valeurs la pression limite pl et au module pressiomtrique EM. Essai pressiomtrique Le type de sonde et son inertie doivent tre adapts aux pressions limites du sol tester. Il faut donc une tude pralable du gotechnicien, qui daprs son exprience locale doit pouvoir indiquer au sondeur les ordres de grandeur des pressions limites des diffrents sols traverss. Ltalonnage de lappareillage, en particulier de la sonde, doit tre fait rgulirement. Lessai doit tre ralis immdiatement aprs le forage. Le nombre de paliers doit tre suffisant, lincrment de pression est fonction de la pression limite, ce qui suppose nouveau que le sondeur connaisse les ordres de grandeur des pressions limites des diffrents sols traverss. La pression doit tre maintenue constante chaque palier, en particulier pour faire les mesures de fluage sur des dures extrmement courtes. Lessai ne doit pas tre arrt prmaturment sous prtexte du risque dclatement de la sonde. Pour chaque essai, les courbes brutes et les courbes nettes pressiomtriques doivent tre obligatoirement fournies.
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On pourra juger de la qualit de lensemble forage et essai en vrifiant que le volume de contact V1 nexcde pas les valeurs courantes pour un sol donn une profondeur donne et comme on la dj indiqu du rapport EM / pl . 12.2.5.7 Exemple de dpouillement dun essai pressiomtrique La figure 12.5 indique le dpouillement dun essai pressiomtrique daprs la norme NF- P 94 110 - 1

Fig. 12.5 Exemple de dpouillement dun essai pressiomtrique

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12.2.5.8 Exemple de sondage pressiomtrique La figure 12.6 montre lensemble dun sondage pressiomtrique dans un sable de Fontainebleau. Le forage a t excut la tarire hlicodale THC, conformment la norme. Quand le mode de forage le permet, ce qui est le cas pour cet exemple, le sondage donne une coupe litho-stratigraphique indicative des terrains traverss, dont il ne faut pas attendre videmment la prcision dun sondage carott. Les diagrammes indiquent respectivement le module, la pression de fluage et la pression limites nettes tous les mtres depuis le surface du sol.
CHANTIER : OBSERVATIONS : Date : Eau : Doss : NGF : 1,5m
Valeurs nettes selon NF-P 94-110-1

Prof. en m

Outils

Nature du sol
Prof.
Sable jaune 4,00 -2,50

Module pressiomtrique E (MPa)

5
8.5 16.5 19 30 31 37.5 31.5 45 53 63

-o- Pression Limite -x- Pression de fluage 0,5 1 5 MPa

0.7 x o1 1.1 x o 1.6 o1.5 1.1 x o 1.6 1.4 x o2.1 1.3 x o 2 1.9 x o 2.8 2.1 x o 3.1 2.6 x o 4.1 2.2 x o 3.3 3.8 x

NGF

10
21 20 26

50

TARIERE HELICOIDALE 64mm

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

Sable beige humide 8,00 9,00 -6,50 Sable verdtre -7,50

Sable beige 12,00 -10,50

o 5.5 o6.7 4.5 x

19.5
Sable beige marron fonc 16,00 -14,50

38.5

4.7 3.8 x

o o 5.4

9.1 2 29.5 33 39.5 35.5 38 42 43.5 48 0.5

1.7 x o 2.5 0.9 x o1.4

x o 0.8
o 3.2 2.1 x o4.3 2.8 x o 5.3 3.2 x o 5 3.2x o 4.8 3.4 x o 5.1
3.5 x 3.4 x 3.5x

Sable jauntre

o 5.3 o5.2 o 6.4

25,00

-23,50

62

4.2 x

Fin du sondage

Fig. 12.6 Exemple de courbe pressiomtrique (sable)

EM / Pl
8,6 13,1 11,0 12,5 12,4 9,5 10,7 10,0 9,1 9,5 8,2 7,9 9,8 7,1 7,8 6,5 4,8 9,2 7,7 7,5 7,1 7,9 8,2 8,2 9,2 9,7

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12.2.5.9 Ordre de grandeur des pressions limites pl Le tableau 12.3 (fasc. 62 titre V : Rgles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de gnie civil) donne une classification des sols en fonction de Pl en vue du dimensionnement des fondations douvrages de gnie civil.
CLASSE DE SOL
ARGILES, LIMONS A B C A B C A B C A B

DESCRIPTION
Argiles et limons mous Argiles et limons fermes Argiles trs fermes dures Lches Moyennement compacts Compacts Molles Altres Compactes Tendres Compacts

PRESSIOMETRE P1 (MPa)
< 0,7 1,2 - 2,0 > 2,5 < 0,5 1,0 - 2,0 > 2,5 < 0,7 1,0 - 2,5 > 3,0 1,5 - 4,0 > 4,5

SABLES, GRAVES

CRAIES MARNES MARNO-CALCAIRES

Tableau 12.3 Classification des sols daprs pl

12.3 Essai de pntration statique (Cne pntration test - CPT)

NF P 94-113 - octobre 1996. 12.3.1 Domaine d'application L'essai de pntration statique s'applique tous les sols fins et les sols grenus dont la dimension moyenne des lments ne dpasse pas 20 mm. La longueur de pntration est limite la force de raction de l'appareillage (gnralement de 100 kN en FRANCE). Il est surtout utilis pour le dimensionnement des pieux mais peut galement servir la classification des sols. 12.3.2 Principe de l'essai L'essai de pntration statique consiste enfoncer dans le sol, vitesse constante, un train de tiges termin par une pointe munie d'un cne et mesurer de manire continue la rsistance la pntration qc de ce cne (Fig.12.7).
Structure de raction Systme d'enfoncement

Tiges

Pointe

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12

Fig. 12.7 Schma du pntromtre statique On peut, en plus, mesurer : l'effort total de pntration Qt et l'effort de frottement latral local Qs sur un manchon situ au-dessus du cne. Leffort total Qt est la force ncessaire, une profondeur donne, pour enfoncer le train de tiges muni sa base de la pointe conique. Leffort apparent total sur le cne QC, une profondeur donne, est la force ncessaire pour enfoncer la pointe conique. La contrainte qC est gale Q qC = C (12.5) AC AC : surface de la base du cne. Leffort total de frottement latral QSt, une profondeur donne, est la diffrence entre Qt et QC QSt = Qt - QC Le frottement latral unitaire local, une profondeur donne, est la force QS ncessaire lenfoncement du manchon par sa surface latrale AS Q fS = S (12.6) AS Le rapport de frottement Rf (friction ratio), une profondeur donne, est dfini par f Rf = S (12.7) qC 12.3.3 Appareillage

La structure de raction transmet au train de tiges un effort de fonage qui, pour les pntromtres statiques classiques, est de 100 kN. La pointe a un diamtre gal celui des tiges et est enfonce dans le sol une vitesse constante gnralement de 20 mm/s. Les systmes de mesure enregistrent au moins la longueur de pntration et la rsistance la pntration du cne et ventuellement le frottement latral local. 12.3.4 Ralisation de l'essai de pntration statique L'essai consiste pendant lenfoncement du train de tiges enregistrer simultanment, en continu, la rsistance la pntration du cne QC en fonction de la profondeur de la pointe. On peut ventuellement enregistrer galement : l'effort total de fonage Qt et l'effort de frottement latral local QS. 12.3.5 Expression des rsultats Les rsultats sont prsents sous forme de graphiques, avec au moins la courbe de rsistance la pntration du cne qc en fonction de la profondeur. La figure 12.8 donne la variation de qC et de Rf , (FR: friction ratio chez les Anglo-saxons), en fonction de la profondeur.

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Fig. 12.8 Essai de pntration statique

12.3.6

Identification des sols

Certains auteurs ont propos des abaques de classification des sols dvelopps partir des mesures effectues au pntromtre statique, qc et Rf . Cette approche ncessite une bonne connaissance de la gologie du site ou lexcution pralable dun sondage carott proche des essais de pntration statique. Un des abaques souvent utilis est celui de Robertson et Campanella (1983), Fig.12.9

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40 20 10 8 6 4 Sables Sables limoneux Limons et limons sableux Limons argileux et argiles limoneuses Argiles

qC (MPa)

2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,1 0 1 2 3 Rf % 4 5 6

Tourbe

Fig. 12.9 Abaque didentification des sols daprs Robertson & Campanella 12.3.7 Ordre de grandeur des rsistances de pointe qc

Le tableau 12.4 (fasc. 62 titre V : Rgles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de gnie civil) donne un classement des sols en fonction de qc en vue du dimensionnement des fondations douvrages de gnie civil.
CLASSE DE SOL
ARGILES LIMONS A C C A B C A B C A B

SABLES, GRAVES

CRAIES MARNES MARNO-CALCAIRES

DESCRIPTION Argiles et limons mous Argiles et limons fermes Argiles trs fermes dures Lches Moyennement compacts Compacts Molles Altres Compactes Tendres Compacts

PENETROMETRE qc (MPa)
<3 3,0 - 6,0 > 6,0 <5 8,5 - 15,0 > 20,0 <5 > 5,0 -

Tableau 12.4 Classification des sols daprs qc

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12.4 Essais de pntration statique au pizocne (CPTU) NF P 94-119 (dcembre 1995)

12.4.1 Domaine dapplication L'essai au pizocne s'applique tous les sols fins et les sols grenus dont la dimension moyenne des lments ne dpasse pas 20 mm et qui sont situs sous la nappe. La longueur de pntration est limite la force de raction de l'appareillage (gnralement de 100 kN en FRANCE). Il fournit les caractristiques du sol mesures par le pntromtre statique utilis, il permet en plus de prciser la nature des sols traverss et les paramtres hydrauliques locaux. 12.4.2 Principe de lessai L'essai au pizocne consiste enfoncer dans le sol, vitesse constante, un train de tiges termin par une pointe munie d'un cne et quipe dune couronne filtrante pizomtrique situe juste au-dessus de cne. On mesure de manire continue la rsistance la pntration qc de ce cne et la pression interstitielle u . On peut, en plus, mesurer : l'effort total de pntration Qt et l'effort de frottement latral local Qs sur un manchon situ au-dessus du cne. Au passage de la pointe pntromtrique le sol est cisaill. En fonction de ltat de contrainte (profondeur, tat de consolidation, teneur en fines, structure) et de la compacit il se dilatera ou se contractera. Si le sol est contractant (exemple sable lche) la pression interstitielle augmentera, si le sol est dilatant (exemple sable compact) la pression interstitielle diminuera. Dautre part on pourra distinguer toutes choses gales par ailleurs, les sols trs permables de type graviers o u = 0, et les sols fins, de type argile trs impermable o u > 0. La pression interstitielle u pendant la pntration peut donc tre infrieure la pression atmosphrique, donc ngative. Sa variation u s'exprime par u = u - u0 , en valeur algbrique, u0 tant la pression hydrostatique. La contrainte totale de pointe la base du cne qT tient compte de l'action Qu de la pression interstitielle u sur l'espace annulaire situ au-dessus du cne. On dfinit le coefficient Bq par : u u0 Bq = (12.8) qT v 0 On peut effectuer galement des profondeurs donnes des essais de dissipation de pression interstitielle jusquau retour de la pression au repos. La dure ncessaire pour que ut - u0 = 0,5 (uh - u0) est note t50. 12.4.3 Appareillage La structure de raction transmet au train de tiges un effort de fonage qui, pour les pizocnes classiques, est au maximum de 100 kN. Le systme de fonage permet d'enfoncer le train de tiges quip de la pointe pizocnique dans le sol une vitesse constante, gnralement de 20 mm/s. Les systmes de mesure enregistrent au moins la longueur de pntration, la rsistance la pntration du cne, la pression interstitielle et gnralement le frottement latral local sur le manchon et la dissipation de la surpression interstitielle u un niveau donn. 12.4.4 Ralisation de l'essai au pizocne L'essai consiste mesurer et enregistrer durant l'enfoncement du train de tiges une vitesse constante simultanment et en continu, l'effort apparent sur le cne Qc et la pression interstitielle u. On peut ventuellement enregistrer galement : l'effort total de fonage Qt , l'effort de frottement latral local Qs et la dissipation de la surpression interstitielle u pendant l'arrt de l'enfoncement. 12.4.5 Expression des rsultats Les rsultats sont prsents sous forme de graphiques, avec au moins la courbe de rsistance corrige la pntration du cne qt en fonction de la profondeur et les mesures de la pression interstitielle u compares avec la pression hydrostatique u0.
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On peut galement indiquer le frottement latral local fs et le rapport de frottement Rf, ainsi que le coefficient Bq. La figure 12.10 indique la rsistance de pointe corrige qt , la pression interstitielle u, la pression hydrostatique u0 ; le frottement latral local fs et le rapport de frottement Rf ; le rapport Bq

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Fig.12.10 Exemple dessai au pizocne

12.4.6

Classifications des sols

A partir de qt et Bq Parez et Fauriel (1988) ont propos un abaque de classification des sols. (Fig.12.11). Par exemple les sables compacts ont un qT important et un u nul ou ngatif (dilatance), linverse les argiles molles ont un qT faible et un u fort (faible permabilit et contractance).
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qt (MPa) 14 12 10 8 6 4 2

vo uo qT umax

Sable dense Sable Sable fin Sable limoneux Limon-argile Argile moyenne Argile molle Trs molle

u = umax - uo qT = qc + u(1- a)

Argile raide-sable argileux

- 0,2

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Bq =

u qT - vo

Fig.12.11 Abaque de classification de sols de Parez et Fauriel 12.4.7 Estimation du coefficient local de permabilit horizontale Ch.

On peut estimer le coefficient de consolidation horizontal Ch par la relation de Baligh et Levadoux. T.r 2 Ch = t avec T = 5,7 pour U % = 50 r = rayon de pntromtre t = temps correspondant 50 % de la dissipation de u. Parez et Fauriel (1988) ont tabli un abaque permettant destimer le coefficient local de permabilit horizontale en fonction de t50 . (Fig.12.12)
kh (m/s)
10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10
-10

Sable et gravier Sables Sable limoneux limon sableux Limons Argiles

10-1 100 101 102 103 104

t50 (secondes)

Fig.12.12 Abaque de Parez et Fauriel destimation de Kh

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12.5

Essai de cisaillement (sur site) au phicomtre XP P 94-120 (dcembre 1997)

12.5.1 Domaine d'application

L'essai de cisaillement au phicomtre s'applique tous les types de sol saturs ou non, l'exception des sols mous ou trs lches, aux roches peu altres, aux sols contenant des gros blocs. Il est destin mesurer in situ les caractristiques de cisaillement in situ i et Ci. Il est principalement utilis pour des sols grenus non prlevables 12.5.2 Principe de lessai. Lessai consiste placer dans un forage pralable denviron 63 mm une sonde munie de dents annulaires horizontales (Fig.12.13) puis dexercer sur les coquilles une pression radiale pc afin de faire pntrer les dents dans le sol environnant. Un effort de traction est ensuite appliqu vitesse contrle partir de la surface du sol. Leffort limite mobilisable T sous la contrainte constante pc donne la contrainte de cisaillement correspondante = T/S, S reprsentant la surface latrale cisaille.

= T/S

LS ds

S = . dS . LS

Fig.12.13 Principe de lessai au phicomtre 12.5.3 Appareillage

Lappareil comprend 3 organes principaux : la sonde, un organe de liaison, un appareillage de surface. La sonde du phicomtre est constitue par des coquilles mtalliques. La surface de frottement est variable pendant lessai mais reste voisine de 500 cm2. A lintrieur des coquilles est situe une sonde gonflable monocellulaire. Lorgane de liaison comprend : un train de tige,
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une tubulure reliant la sonde gonflable lappareillage de surface. Lappareillage de surface comprend : un contrleur pression volume permettant de connatre le volume de la sonde et la pression applique aux coquilles une plaque dappui sur le sol un vrin creux permettant dexercer leffort darrachement une cale dynamomtrique permettant de mesurer leffort T darrachement un systme de blocage de lensemble un cadencemtre. 12.5.4 Ralisation de lessai Lessai est ralis gnralement dans un forage pralable de diamtre 63 mm. Celui-ci sera excut avec un remaniement minimum des parois en adoptant comme pour le pressiomtre les moyens prconiss pour chaque nature de sol. La sonde est introduite dans le forage la profondeur souhaite laide des tiges servant appliquer leffort de traction. La ralisation de lessai comporte les phases suivantes : 1. ralisation du forage - une attention particulire doit tre apporte au choix du matriel et du fluide de forage en fonction de la nature des terrains traverss. 2. talonnage - ltalonnage permet dune part de tenir compte de linertie de la sonde dans le calcul de la pression normale exerce sur le sol, dautre part de dterminer la surface latrale de cisaillement S en fonction du volume V de la sonde. 3. mise en contact - cette opration consiste gonfler la sonde de faon ce que les dents annulaires pntrent dans le terrain . 4. leffort de cisaillement est mobilis en arrachant la vitesse de 2mm/mn. Larrachement est poursuivi, pour chaque palier, soit jusqu une quasi-stabilisation de leffort T soit jusqu un dplacement vertical de 7 mm. Il est ralis entre 5 et 8 paliers, le dplacement vertical total tant de lordre de 40 50 mm. Les incrments de pression pC entre chaque palier sont fixs par le mode opratoire en fonction de la pression limite mesure au pressiomtre Mnard (estime ou mesure) du terrain. 12.5.5 Expression des rsultats Les rsultats sont prsents sous forme de plusieurs courbes : courbe de dilatation de la sonde, volution du volume inject et droite de cisaillement. La figure 12.14 indique les caractristiques mcaniques de la droite de cisaillement dun sable fin obtenue partir de lessai phicomtrique.
Contrainte de cisaillement (kPa) 200 150 100 50 Courbe intinsque

Phi = 35 Ci = 0 kPa

50

100

150

200

250

300

Contrainte normale (kPa)

Fig. 12.14 Essai phicomtrique dans un sable de Fontainebleau

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12.6

Pntromtres dynamiques

Deux pntromtres dynamiques, type A et B, ont t normaliss. Ces deux types de pntromtres permettent d'apprcier : - la succession de diffrentes couches de terrain, - l'homognit d'une couche, - la position d'une couche rsistante ou d'un bed-rock connus. Ces essais doivent tre excuts paralllement avec d'autres essais qui leur serviront d'talonnage. Il dconseill de calculer la capacit portante de fondations avec les seuls rsultats des essais de pntration dynamique. En accompagnement d'autres essais, seuls les rsultats du pntromtre dynamique A permettent d'valuer un ordre de grandeur de la capacit portante de fondations. Les rsultats de l'essai au pntromtre dynamique B permettent seulement d'orienter le choix des fondations. 12.6.1 Pntromtre dynamique A (Dynamic penetration A tip) NF P 94-114 (dcembre 1990). 12.6.1.1 Principe de l'essai L'essai de pntration dynamique consiste enfoncer dans le sol, par battage de manire continue, un train de tiges muni, en partie infrieure, d'une pointe dbordante, tout en injectant une boue de forage entre la paroi de sondage et les tiges (Fig.14) et noter le nombre de coups ncessaires pour faire pntrer dans le sol la pointe d'une hauteur h de 10 cm. L'injection de la boue de forage permet de supprimer le frottement latral des tiges dans le sol. 12.6.1.2 Domaine d'application Les essais de pntration dynamique type A peuvent tre raliss dans tous les sols fins et grenus dont la dimension moyenne des lments ne dpasse pas 60 mm. L'essai est limit une profondeur de 30 m.
Axe de battage Mouton Guidage du mouton Enclume
Matriel de battage

Tige de battage

Espace annulaire avec boue injecte

Pointe

Fig. 12. 15 Pntromtre dynamique PDA

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12.6.13 Appareillage Le pntromtre dynamique A se compose d'un dispositif de battage, d'un train de tiges creuses muni d'une pointe dbordante, du matriel d'injection et d'un systme de mesures. Le mouton a une masse adaptable de 32, 64, 96 et 128 kg et une hauteur de chute de 0,75 m. Il tombe une cadence de 15 30 fois par minute. 12.6.1.4 Ralisation de l'essai Le train de tiges est battu d'une manire continue sous la chute du mouton la cadence de 15 30 coups par minute. Le nombre de coups de mouton ncessaire pour enfoncer la pointe de 10 cm est not en fonction de la longueur totale des tiges introduites dans le sol. La masse du mouton doit tre adapte en cours de battage et choisie parmi l'une des quatre masses 32, 64, 96, 128 kg, afin que le nombre de coups, pour un enfoncement de 10 cm, soit compris entre 2 et 30 inclus. La fin de l'essai correspond la satisfaction de l'une des conditions suivantes : la profondeur dtermine pralablement est atteinte, l'enfoncement sous 30 coups de mouton est infrieur ou gal 10 cm avec la masse de 128 kg, le rebond du mouton est suprieur 5 cm. 12.6.1.4 Expression des rsultats La rsistance dynamique de pointe la pntration qd sous l'action du choc du mouton est donne conventionnellement par l'expression suivante (formule des Hollandais) mx g x H m qd = x Axe m + m avec m : masse du mouton g : acclration de la pesanteur H : hauteur de chute libre du mouton A : aire de la section droite de la pointe e : enfoncement par coup m' : masse cumule, de l'enclume, des tiges, de la pointe. Les rsultats sont prsents sous forme de graphiques, avec la courbe de la rsistance la pntration dynamique en fonction de la profondeur. 12.6.2 Pntromtre dynamique B (Dynamic penetration B tip)

NF P 94-115 (dcembre 1990). 12.6.2.1 Principe de l'essai L'essai de pntration dynamique, type B, consiste enfoncer dans le sol par battage de manire continue un train de tiges muni en partie infrieure d'une pointe dbordante et noter le nombre de coups ncessaires pour faire pntrer dans le sol la pointe d'une hauteur h de 20 cm, tout en vrifiant l'importance des efforts de frottement ventuels sur le train de tiges. 12.6.2.2 Domaine d'application Les essais de pntration dynamique type B peuvent tre raliss dans tous les sols fins et grenus dont la dimension moyenne des lments ne dpasse pas 60 mm. L'essai est limit une profondeur de 15 m. 12.6.2.3 Appareillage Le pntromtre dynamique B se compose d'un dispositif de battage, d'un train de tiges muni d'une pointe dbordante, d'un systme de dtection des efforts de frottement et d'un dispositif de mesures (Fig.12.16).
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Le mouton a une masse de 64 kg et une hauteur de chute de 0,75 m ; il tombe une cadence de 15 30 fois par minute. On dtecte les efforts parasites de frottement du sol sur les tiges l'aide d'une clef dynamomtrique.

Axe de battage
Matriel de battage

Mouton Guidage du mouton Enclume

Tige de battage

Pointe

Fig.12.16 Pntromtre dynamique PDB 12.6.2.4 Ralisation de l'essai Le train de tiges est battu d'une manire continue sous la chute du mouton la cadence de 15 30 coups par minute. A chaque ajout de tiges et au moins tous les mtres, l'oprateur fait tourner le train de tiges l'aide de la clef dynamomtrique ; si le couple est infrieur 100 N.m, les efforts parasites sont ngligeables. Le nombre de coups de mouton ncessaire pour enfoncer la pointe de 20 cm est not en fonction de la longueur totale des tiges. La fin du sondage correspond la satisfaction de l'une des conditions suivantes : la profondeur dtermine pralablement est atteinte, l'enfoncement sous 100 coups est infrieur ou gal 20 cm, le rebond du mouton est suprieur 5 cm, la mesure du couple effectue la clef dynamomtrique dpasse 200 N.m. 12.6.2.5 Expression des rsultats Les rsultats sont prsents sous forme de graphiques, avec les valeurs du nombre de coups Nd20 pour un enfoncement de 20 cm (sans chercher dterminer de rsistance dynamique), en fonction de la profondeur et en notant les valeurs du couple mesur la clef dynamomtrique. Les pntrodensitographes, du type PDG 1000 et PANDA qui sont utiliss pour le contrle du compactage des remblais et des tranches seront dcrits dans le cours de gotechnique routire en B7.

12.7 Essai de pntration au carottier (Standard penetration test) S.P.T. NF P 94-116 (oct.1991)
L'essai de pntration au carottier correspond l'essai dvelopp aux USA et connu sous l'appellation Standard Penetration Test, dont le sigle est S.P.T.

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12.7.1

Principe de l'essai

L'essai consiste dterminer la rsistance la pntration dynamique d'un carottier normalis battu en fond d'un forage pralable. 12.7.2 Domaine d'application L'essai de pntration au carottier s'applique aux sols fins et grenus dont la dimension moyenne des lments ne dpasse pas 20 mm. 12.7.3 Appareillage L'appareillage est compos d'un quipement de forage et de tenue de la paroi, d'un dispositif de battage, d'un train de tiges, d'un carottier et d'un systme de mesures. L'quipement de forage doit permettre de raliser un trou de forage nettoy avant l'insertion du carottier (Fig. 12.17) et doit garantir que l'essai de pntration sera ralis dans un sol relativement peu remani. Le mouton a une masse de 63,5 kg et une hauteur de chute de 0,76 m ; il tombe une cadence de battage de 15 30 coups par minute. Le tube central du carottier est fendu pour faciliter l'extraction de l'chantillon de sol.

dt

Tige de battage

Tube Bille Raccord tige-carottier

dp

Clapet Tube central en deux demi-cylindres

Carottier

Trousse coupante

di
Fig.12.17 Coupe du carottier SPT 12.7.4 Ralisation de l'essai

Aprs la pntration initiale du carottier solidaire de l'ensemble du train de tiges, l'essai est excut en deux phases. 1. Enfoncement d'amorage
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On note le nombre de coups de mouton pour enfoncer le carottier de 15 cm. 2. Enfoncement d'ESSAI On note le nombre N de coups de mouton pour enfoncer le carottier de 30 cm supplmentaires. Ce nombre N caractrise la rsistance la pntration. Aprs chaque essai, le carottier est remont la surface pour rcuprer l'chantillon de sol remani. 12.7.5 Expression des rsultats En fonction de la profondeur, on donne l'enfoncement sous le poids mort et le nombre de coups de mouton ncessaire pour chaque intervalle successif de 15 cm (15 cm + 15 cm) ou le refus pour 50 coups de mouton pour l'un ou l'autre des intervalles. On dcrit galement les sols qui ont t identifis. La figure 12.18 montre un sondage SPT

Fig.12.18 Sondage effectu au SPT

12.8

Essai scissomtrique - Vane probe test NF P 94-112 (novembre 1991)

12.8.1 Principe de l'essai

L'essai scissomtrique, ralis au sein du sol en place, consiste introduire dans le sol un moulinet et lui transmettre un mouvement de rotation pour tablir la relation entre la rotation du moulinet et la rsistance au cisaillement oppose par le sol.
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L'objectif est de mesurer en fonction de la profondeur, la cohsion apparente des terrains fins cohrents. 12.8.2 Domaine d'application Les essais scissomtriques courants sont ralisables dans tous les types de sols fins cohrents de consistance faible moyenne. 12.8.3 Appareillage L'appareillage comprend : un systme de fonage, un moulinet, des tiges de torsion, un couplemtre et un dispositif de mesures (Fig.12.19).
Systme de mise en rotation : couplemtre dispositif de mesure

Tube de fonage

Sol fin

Tiges de torsion

Moulinet

Fig.12.19 Schma du scissomtre de chantier 12.8.4 Ralisation de l'essai La ralisation de l'essai consiste foncer le moulinet au niveau de l'essai et lui appliquer un mouvement de rotation vitesse constante l'aide de la barre de torsion du couplemtre. Les lectures de rotation sont effectues intervalles rguliers (Fig.12.19) de 20 secondes jusqu' quatre lectures aprs la valeur maximale du moment de torsion (dtermination du pic de rsistance max) et, ensuite, quatre lectures sont effectues aprs que le moulinet a fait dix tours dans le sol (dtermination de la rsistance rsiduelle r).

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Moment de tention T Partie I

Rsistance au cisaillement Partie II

max ou su

r ou sr

Angle de rotation de la barre de torsion au niveau du couplemtre

Fig.12.20 Courbe scissomtrique 12.8.5 Expression des rsultats T K

La rsistance au cisaillement du sol est calcule conventionnellement partir de

=
avec

T : couple de torsion lu au couplemtre K : module d'inertie de la surface cisaille par rapport l'axe de rotation du moulinet, en faisant l'hypothse d'une distribution uniforme de cisaillement sur la surface latrale du volume circonscrit la partie tournante du moulinet. On le dtermine en crivant que le couple de torsion externe transmis par la barre de torsion est quilibr par le couple de torsion interne qui est d aux contraintes de cisaillement qui se dveloppent sur les surfaces latrales du volume circonscrit la partie tournante du moulinet dans le sol. Le maximum de la rsistance au cisaillement est la cohsion non draine T CU = ax = max K La cohsion remanie Cr est gale

r =

Tr K

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