Apport des essais géotechniques in-situ et laboratoire a l'étude de

la variabilité
Le dimensionnement d’un ouvrage de génie civil quel qu’il soit, nécessite en
premier lieu une bonne connaissance du sol de fondation. La première étape d’un
projet est donc la compagne de reconnaissance géotechnique, elle permet à
l’ingénieur de choisir des valeurs représentatives des caractéristiques du sol
nécessaire aux calculs. Toutefois, le choix de ces valeurs est une tâche délicate
qui requiert chez l’ingénieur praticien une bonne dose d’expérience et de savoir-
faire. En effet, il est à l’évidence impossible de définir en tout point d’un site les
propriétés du sol ; par conséquent, la détermination des valeurs représentatives
des paramètres s’effectue en général sur la base de quelques résultats d’essais sur
éprouvettes prélevées pratiquement au hasard et d’essais en place réalisés suivant
un maillage plus ou moins large.
Hétérogénéité des sols :
L’étude des sols et des roches sert de cadre aux travaux de génie civil. Ces
matériaux constituent les couches superficielles de l'écorce terrestre. Leurs
caractéristiques les plus appropriés sont (Magnan, 1993) :
- Diversité : car on trouve aussi bien des matériaux massifs et très résistants,
comme certaines roches granitiques, que des bancs fissurés de calcaires,
des couches solubles de gypse ou de sels, des cailloux et graviers aux arêtes
arrondies ou vives, des sables fins, des argiles, ou des tourbes.
- Hétérogénéité : car il est rare qu'une couche de sol ou de roche soit
constituée d'un matériau unique.
- Variabilité dans l'espace : qui résulte des conditions de formation et
d'évolution des matériaux de l'écorce terrestre.
- Ignorance : car on ne connaît jamais en tout point d'un massif de sols ou de
roches la nature et les propriétés physiques et mécaniques du matériau.

Analyse statiques et probabilité en mécaniques des sols :

Le développement des méthodes statistiques et probabilistes en mécaniques
des sols est dû, d’une part au besoin ressentie par les géotechniciens de
résoudre les problèmes posés par l’influence de la dispersion des
caractéristiques des sols sur le calcul des ouvrages, et d’autre part par un désir
des spécialistes en statistiques et probabilités de trouver de nouvelles
applications concrètes à leurs travaux théoriques.
 L’étude d’un sol passe par la collecte de données numériques. La statistique
permet de traduire ces valeurs numériques on informations utiles pour la
réalisation du projet investi. La méthode statistique comporte les étapes
suivantes :
➢ La statistique descriptive qui est un ensemble des méthodes permettant
d'analyser les données à partir de paramètres et de graphes.
➢ Les modèles statistiques qui permettent d’ajuster les résultats recueillis
sur un échantillon à des lois de probabilité afin de faire des prévisions
et des interpolations sur la population : Statistique pour caractère
bivariée (régression et corrélation) ; Statistique pour caractère multi
varies ; Analyse factorielle des données ; L’analyse factorielle des
correspondances (AFC) ; Variations spatiales.
Les sondages et les essais «in situ » :
Standard penetration test (SPT) : L'essai SPT est un essai permettant de
déterminer la résistance à la pénétration dans les terrains d'un tube échantillonneur
fendu, enfoncé par battage dans un forage, et d'obtenir des échantillons remaniés
du sol pour examen et identification. Un sondage SPT est un forage dans lequel
les essais SPT sont effectués à des intervalles de profondeur réguliers et compris
entre 0,50 m au minimum et 1,50 m au maximum. Les résultats des essais SPT
effectués dans un sondage SPT sont présentés sous forme de graphiques de
pénétration, en fonction de la profondeur du début des essais, suivant une échelle
arithmétique du nombre de coups de mouton donnés (allant de 0 à 50).
Sondage au pénétromètre statique : consiste à faire pénétrer dans le sol, par
vérinage à vitesse constante, une pointe conique portée par un train de tiges et à
mesurer, de manière continue ou à intervalles déterminés, la résistance à la
pénétration du cône. Les résultats d'un sondage au pénétromètre statique sont
présentés sous forme d'un graphique donnant, exclusivement en échelle
arithmétique, en fonction de la profondeur atteinte par le cône de pointe, la
résistance à la pénétration du cône ainsi que les valeurs des autres paramètres qui
peuvent avoir également été mesurés.
Sondage au pénétromètre dynamique : consiste à faire pénétrer dans le sol par
battage une pointe métallique portée par un train de tiges et à mesurer à intervalles
d'enfoncement réguliers l'énergie nécessaire correspondante. Les résultats d'un
sondage au pénétromètre dynamique sont présentés sous forme d'un graphique
donnant en échelle arithmétique les variations de la résistance dynamique
apparentent en fonction de la profondeur atteinte par la pointe.
Sondage pressiométrique normal : On appelle sondage pressiométrique
l'ensemble des deux opérations suivantes :
Le forage permettant la mise en place correcte de la sonde pressiométrique
normale,
La réalisation des essais pressiométriques proprement dits,
Sondage pressiométrique au pressiomètre auto foreur : L'essai au
pressiomètre auto foreur est un essai de chargement du sol en place. Il consiste à
dilater une sonde cylindrique dans le terrain, ce qui permet de déterminer une
relation pression-déformation.
L’essai au scissomètre : consiste à faire pénétrer dans un sol fin cohérent un
moulinet à quatre pales orthogonales entre elles porté par un train de tiges puis à
cisailler ce sol autour de ces pales par une mise en rotation de ce moulinet.
Les essais à la plaque : Les essais à la plaque consistent à déterminer le
déplacement vertical moyen de la surface du soi située sous une plaque rigide
circulaire chargée.
Les analyses et les essais en laboratoire :
Essais d’identification des sols : Ces essais, généralement simples, sont destinés
à décrire et à identifier les sols, à les classer et à apprécier leur état.
- Mesure de la teneur en eau naturelle « w »,
- Détermination des limites d'Atterberg « wl » et « wp »,
- Analyse granulométrique,
- Détermination des poids volumiques humide «7 », sec « d » et du poids
volumique des grains « S »,
- Dosage des matières organiques «MO »,
- Détermination de la teneur en carbonate de chaux « CaCo3 »,
- Mesure de l'équivalent de sable «ES »
Essais de résistance mécanique : Les essais de résistance mécanique ont pour
objet de déterminer la résistance des sols au cisaillement. Les trois essais les plus
utilisés sont :
- L’essai de cisaillement rectiligne à la boîte de Casagrande,
- L’essai de compression triaxiale,
- L’essai de compression simple.
Essais de compressibilité : Les essais de compressibilité ont pour objet de
mesurer les variations de volume d'un échantillon de sol placé dans un champ de
contraintes uniforme avec possibilité de drainage. Lorsque l'échantillon de sol
intact est saturé, que les déformations latérales sont empêchées et que le drainage
n'est possible que par les faces inférieure et supérieure de l’échantillon, l'essai de
compressibilité est dit « œdométrique ».
Essais de compactage : Les essais de compactage sont des essais conventionnels
qui ont pour but d'étudier l'influence de la teneur en eau d'un échantillon de sol
sur le poids volumique sec de cet échantillon soumis à une énergie de compactage
déterminée.
Essai de poinçonnement CBR : L'essai CBR est un essai de poinçonnement
réalisé sur un échantillon de sol préalablement mis en place dans des conditions
de compactage et d'hydratation déterminées dans un moule normalisé à l'aide d'un
mandrin de forme cylindrique et de section circulaire enfoncé verticalement dans
l'échantillon.
Essais cycliques et dynamiques : Les essais cycliques et dynamiques ont
essentiellement pour objet la mesure des caractéristiques cycliques et dynamiques
des sols et l'étude de la variation de leur résistance et de leur déformabilité en
fonction du mode d'application des sollicitations.
Essais spécifiques sur les matériaux rocheux : On entend ici par « essais
spécifiques » sur les matériaux rocheux des essais mécaniques qui nécessitent
l'utilisation d'appareillages très différents de ceux décrits précédemment pour les
sols, tant par l'amplitude des contraintes appliquées sur les échantillons que par la
nature même des paramètres mesurés.

Propriétés géotechnique et modélisation du sous-sol

L'étude géotechnique se rapporte aux sols et aux eaux souterraines en tant

qu'éléments intervenant dans la stabilité et le bon comportement des constructions
provisoires ou définitives.
La reconnaissance des sols de fondation est fonction d’un certain nombre de
sondages destinés à préciser sans ambiguïté :
- La position dans l'espace des divers éléments et formations constituant le
sous-sol,
- L’identification géologique et physico-mécanique des sols soumis au
champ de contraintes engendré par la construction à l'intérieur du périmètre
géotechnique de protection.
Ces sondages comprennent des forages, des essais in situ et des prélèvements
d'échantillons pour examens ou analyses en laboratoire.
Le site est restitué sous la forme d'une carte 2D ou 3D (topographie et bâti). Les
principales composantes de cette analyse sont les suivantes :
▪ Description statique des modèles géologiques : nature des matériaux ainsi
que leur organisation spatiale (couches) ;
▪ Description statique des données géotechniques : sondages, prélèvements
et essais in situ et en laboratoire, détermination des propriétés des
matériaux ; la classification des matériaux (voir article description et
classification) est souvent utilisée pour simplifier les éléments descriptifs
▪ Réflexion sur les outils utilisés au cours des processus de modélisation
géotechnique (techniques et connaissances) ; description de certains de ces
outils ;
▪ Description des relations existant entre le processus de modélisation
géotechnique et le processus de projet (organisation par phases,
notamment, en relation avec les phases de développement des projets).
La construction du modèle conduit à trier et sélectionner, parmi les informations
disponibles, celles considérées comme les plus représentatives ou pertinentes pour
l'analyse à mener du site. La constitution du modèle géotechnique répond à des
objectifs descriptifs plutôt statiques et à une logique dynamique de confrontation
des données entre elles et d'agrégation de la connaissance.

Caractérisation physique des matériaux

Il est indispensable pour appréhender un matériau de le caractériser, c'est-à-dire
d'en analyser les propriétés. Il existe de nombreuses techniques de caractérisation
des matériaux qui reposent sur différents principes physiques de base : les
interactions rayonnement-matière, la thermodynamique et la mécanique.
Les essais mécaniques sont les plus couramment utilisés en production car ils
permettent d’avoir des données sur les propriétés mécaniques, rapidement avec
des appareils de mesure relativement simples. Les principaux essais mécaniques
sont :
- Traction : on sollicite une éprouvette en traction uni axiale jusqu'à la rupture
pour en déterminer des caractéristiques mécaniques telles que le module de
Young E, l'allongement à la rupture A%, la limite d'élasticité Re ou σy et
la résistance à la traction Rm ;
 - Dureté : on applique sur une éprouvette un pénétrateur sous une certaine
charge F. Il existe plusieurs essais selon le type de dureté désirée ;
- Résilience : on rompt une éprouvette entaillée en U ou en V en son milieu
à l'aide d'un mouton-pendule Charpy ;
- Fatigue : on fait subir un nombre important de cycles de flexion sur des
éprouvettes normalisées. En considérant le moment où ces éprouvettes
rompent, on détermine la limite de rupture en fatigue σd ;
- Analyse mécanique dynamique (DMA) : on sollicite par exemple la matière
en traction-compression à une fréquence donnée. Grâce à une modélisation
du diagramme contrainte-déformation, on obtient le module de Young
complexe, le facteur d'amortissement et dans certains cas le coefficient de
Poisson ν. Cela est particulièrement nécessaire pour l'étude des polymères
(soumis au vieillissement) et suivant leur état d'utilisation (vitreux,
caoutchouteux ou amorphe).
Dans le cas de matières très malléables, on peut utiliser des systèmes rotatifs (bi-
disques) et non plus linéaires. Voir aussi Rhéomètre.
Analyses physico-chimiques :
Les principales techniques utilisant l'interaction rayonnement-matière sont :
- Microscope
- Rayon x
- Rayonnement optique
- Rayon de neutrons
- Spectroscopie de masse
- Spectroscopie RMN
Analyse thermique
En ce qui concerne les techniques faisant appel à la thermodynamique, on retrouve
la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et l'analyse thermogravimétrique
(ATG). Voir aussi Analyse thermomécanique (TMA).
Essais non destructifs :
La plupart des techniques de caractérisation sont dites destructives car le matériau
est endommagé à l'issue du test. Il existe par ailleurs des techniques de contrôle
dites non destructives, qui ne dégradent pas le matériau.
Grâce à ces méthodes, on peut, par exemple, tester la qualité mécanique (absence
de fissuration et corrosion) de chaque pièce à l'issue de la production de pièces
aéronautiques ou lors de leur vérification en maintenance.