Mécanique des Sols I Mr A.

BELHACENE

INTRODUCTION :
Compacter un sol consiste à faire diminuer son volume par application d’un procédé
mécanique (force, vibration, combinaison des deux, chocs, …) . Cette diminution de volume
ne se produit que par l’élimination des vides remplis d’air qui existent dans le sol à son état
initial. La teneur en eau n’est pas modifiée. Le poids volumique du sol, γh , par contre, sera
augmenté, et avec lui, γd puisque :

Le poids volumique sec γd sera le paramètre dont on va étudier les variations dues au
compactage. Cette grandeur garde sa signification même si le sol considéré n’est pas sec. Tout
sol (humide ou non) est caractérisé par un poids volumique naturel γh et par une teneur en eau
w, donc par un poids volumique sec γd , calculé au moyen de la formule ci-dessus. Il suffit de
considérer qu’il s’agit du poids volumique qui caractériserait le sol s’il était sec.

Cette densification est recherchée car elle entraine automatiquement d’autres conséquences
qui sont :

●La première, liée à la notion de compacité, est la suppression ou du moins la limitation des
tassements ou déformations.

●La deuxième conséquence est la diminution de la perméabilité de la couche traitée afin de

s’opposer à l’écoulement de l’eau.

●Une troisième conséquence possible du compactage est l’améliorer des caractéristiques

mécaniques qui en résultent généralement : portance et module de déformation, résistance à la
compression et au poinçonnement, résistance au cisaillement.

N.B :

Pour les sols fins, une réserve s’impose, une augmentation de compacité pouvant à des
teneurs en eau élevée, entrainer une diminution brusque de la portance et du module de
déformation.

FACTEURS D’INFLUENCE :

Influence de la teneur en eau : courbe de compactage :

C’est en 1933 que l’ingénieur américain PROCTOR mit en évidence l’influence de la teneur
en eau et de l’énergie de compactage sur le poids spécifique sec d’un sol grâce à l’essai qui
porte son nom : Essai Proctor.

Chapitre III : LE COMPACTAGE 2eme Année Génie Civil

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Si un sol est compacté par une série de chocs que lui imprime les chutes d’une masse, la
déformation du sol c'est-à-dire la diminution de son volume, absorbe une énergie égale à
l’énergie potentielle de la masse avant la chute (E= m.g.h pour une masse m tombant d’une
hauteur h) multipliée par le nombre de coups donnés. Cette énergie s’appelle énergie de
compactage.

Pour une énergie de compactage donnée, si l’on porte en graphique les γd obtenus suite au
compactage d’un échantillon de sol, en réalisant une série d’essais de compactage, chacun
correspondant ou réalisé à une teneur en eau différente (maitrisée par adjonction d’eau), en
d’autres termes si, pour une énergie de compactage donnée, on fait varier la teneur en eau w
d’un échantillon de sol et l’on représente graphiquement la variation du poids spécifique sec
γd en fonction de cette teneur en eau, on obtient une courbe en cloche qui passe par un
maximum qu’on appelle OPTIMUM PROCTOR. Cet optimum correspond à une teneur en
eau optimale wopt . L’allure de la courbe est représentée sur la figure ci-dessus et s’appelle
courbe de compactage ou courbe A.A.S.H.O (American Association of State Highway
Officials).

N.B : Nous attirons l’attention du lecteur sur le fait que le terme optimum proctor désigne le
γd optimal que l’on peut faire atteindre à un sol donné pour une énergie de compactage
donnée. Ce terme ne désigne pas la teneur en eau à laquelle l’optimum correspond.

Cette allure s’explique aisément ; lorsque la teneur en eau est élevée (partie droite de la
courbe ou versant sec), l’eau absorbe une partie importante de l’énergie de compactage sans
aucun profit de plus elle occupe la place des grains solides (aucun tassement ou déformation
possible). Par contre pour des teneurs en eau raisonnables, l’eau joue un rôle de lubrifiant non
négligeable et la densité sèche augmente avec la teneur en eau (partie gauche de la courbe ou
versant sec). Un sol trop sec sera le siège de frottements importants entre les grains de sol.

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Influence de la nature du sol :

Un sol dont le compactage sera fortement influencé par la teneur en eau présentera une courbe
de compactage avec un maximum très marqué. A l’inverse, un sol dont la teneur en eau
influence peu le compactage sera caractérisé par une courbe de compactage très plate. Ces
matériaux (courbe proctor aplatie) constituent donc à priori les meilleurs remblais d’un point
de vue tolérance à l’exécution, car peu sensibles à une variation de la teneur en eau. La figure
suivante donne quelques exemples des allures de courbe de compactage des sols courants.

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Influence de l’énergie de compactage :

L’extrémité droite de la courbe de compactage, c'est-à-dire l’extrémité du versant mouillé ( ou

branche mouillée) correspond à l’état de saturation du sol. La courbe est donc limitée à
l’abscisse w=wsat . On conçoit aisément que si l’énergie de compactage augmente les vides
secs (remplis d’air et non d’eau seront davantage réduits. Ceci implique deux choses :

►Le γd obtenu par la compaction sera plus élevé. La courbe de compaction se déplacera vers
le haut.

►La saturation sera atteinte à une teneur en moindre : wsat diminue. La courbe de compaction
se déplacera vers la gauche.

Si l’on superposera les graphes de plusieurs essais effectués sur un même sol, avec des
énergies de compaction croissantes (nombre de coups et /ou hauteur de chute croissante), on
obtient un graphe similaire à celui représenté sur la figure suivante :

On voit en effet, la courbe de compactage se déplacer vers le haut et la gauche du diagramme

à mesure que le nombre de coups augmente.
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Enveloppe des courbes de compactage : courbe de saturation :

Les courbes de compactage sont limitées à leur extrémité droite par la valeur w=wsat ,elles
sont asymptotiquement tangentes à une courbe-enveloppe qui représente la relation entre wsat
et γd pour le sol considéré et qui correspond à l’état de saturation du sol. Cette courbe est
représentée sur la figure précédente.

On montre aisément que l’équation de la courbe de saturation est : ► =

ESSAIS DE COMPACTAGE AU LABORATOIRE :

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Essai proctor : Le but de l’essai est de déterminer la teneur en eau optimale pour un sol de
remblai donné et des conditions de compactage fixées, qui conduit au meilleur compactage
possible ou encore capacité portante maximale.

L’essai consiste à compacter un échantillon de sol de teneur en eau connue dans un moule,
aux dimensions normalisées par l’action de la chute d’une dame normalisée ( poids et hauteur
de chute normalisés). La teneur en eau du sol testé est maitrisée en étuvant l’échantillon, puis
par adjonctions de quantités précises d’eau. Une série d’essais est réalisée pour différentes
teneurs en eau, le résultat de chacun donnant un couple de valeurs (w,γd ), donc un point de la
courbe de compactage (courbe A.A.S.H.O). On trace cette courbe qui présente un maximum
dont les coordonnés sont la teneur en eau optimale et la densité sèche maximale c'est-à-dire
[wopt ,( γd /γw )max ] coordonnés de l’optimum Proctor.

Les essais peuvent etre réalisés dans deux types de moules, et selon deux modalités, ce qui
fait quatre types d’essais.

On peut utiliser :

►Le moule Proctor : 10.2 cm de diamètre et 11.7 cm de hauteur (plus un collier ou

hausse mobile permettant de compacter jusqu’à 13 ou 14cm). Ce moule est utilisé pour les
sols de granulométrie ≤ 5mm, environ 12 Kg de sol sont nécessaires.

►Le moule C.B.R. (Californian Bearing Ratio ou Indice Portant Californien) : 15.2 cm
de diamètre et 15.2 cm de hauteur. Il convient pour les sols contenant des éléments > 5mm.
Si le sol contient des éléments > 20mm, ceux- ci sont remplacés, à poids égal, par des
éléments de 5 à 20mm. 30 Kg sont nécessaires.

Le tableau suivant précise les conditions de chaque essai

Masse Hauteur Nombre de Masse Nbre de Energie de

de la de chute coups/couche approximative couches compactage
dame (cm) par couche (Kj/dm3)
(Kg) (Kg)
Essai 25 (Proctor) 0.650 3 0.59
Proctor 2.49 30.5
normal 55 (C.B.R) 1.7 3 0.53

Essai 25 (Proctor) 0.4 5 2.71

Proctor 4.54 45.70
modifié 55 (C.B.R) 1.05 5 2.41

► Conditions des essais Proctor normal et modifié.

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Compactage in si-tu :

Chaque sol est caractérisé par son optimum Proctor c'est-à-dire son γdmax et wopt la teneur en
eau optimale correspondante (obtenu à partir de l’essai de compactage c.à.d. à partir de la
courbe de compactage). Les cahiers des charges exigeront que les sols soient compactés
jusqu’à un γd donné, par exemple 95% du PN (remblais) ou 95% du PM, ou 100% du PN (pou
les 50 premiers cm de sol), voir degré de compacité ou efficacité d’un compactage par rapport
à ce qui est prescrit.

Sur le chantier, le sol a une teneur en eau donnée naturelle, éventuellement non uniforme :

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●Si celle-ci est supérieure à wopt (teneur en eau qui correspond à l’optimum Proctor), le sol
doit être aéré pour sécher. En cas de mauvais temps, le compacter superficiellement afin
d’empêcher l’eau de pluie de s’infiltrer puis l’aérer lorsque le beau temps est de retour ;

●Si w <wopt , on peut envisager d’arroser le sol.

● Dans l’un ou l’autre cas, on peut sans modifier la teneur en eau du sol, augmenter l’énergie
de compactage, cette solution est la pratique.

Malgré l’extrême diversité des engins de compactage (rouleau lisse vibrant ou non, rouleau à
pneus, rouleau à grille, rouleau à pieds de mouton vibrant ou non, plaque vibrante, dames,
pillons rouleau à impact….), il est possible de dégager un certain nombre de facteurs
intervenant principalement sur l’efficacité d’un engin sur un sol donné.

Nous trouverons bien sur des facteurs propres au terrain compacté (nature, teneur en eau….)
mais aussi des facteurs caractérisant l’engin et la séquence de compactage (nombre de passes,
vitesse, pression de contact, fréquence et intensité de vibration….)

Quels que soient les engins utilisés le compactage sur chantier devra s’effectuer par couche de
faible épaisseur 20 à 30cm (travaux de route) ou encore 10 à 15cm (travaux de bâtiments).

Remarque :

Une grande partie des difficultés des projets de terrassement vient du fait que la mise en place
d’un sol (remblai par exemple) dépend des conditions atmosphériques au moment des
travaux.

Notion de planche d’essai ou étalonnage des engins de compactage :

La planche d’essai ou étalonnage du matériel de compactage permet avant l’ouverture d’un

chantier de terrassement, de fixer les paramètres de compactage lié à l’engin utilisé, au sol
considéré au moment des travaux (teneur en eau, vitesse des engins, nombre de passes,….) et
ce en vue d’obtenir la compacité à atteindre (compacité prescrite).

Influence de la vitesse de l’engin :

Pour un engin donné et des exigences de qualité fixées, il existe une vitesse optimale, fonction
de l’épaisseur de la couche et de la nature du matériau permettant d’obtenir une compacité
maximale. Plus les exigences de qualité sont sévères, plus la vitesse de translation optimale a
une valeur réduite.

Il est recommandé de limiter la vitesse de la plus part des compacteurs à 8Km/h. Dans le cas
des compacteurs vibrants, la vitesse optimale se situe autour de 5Km/h pour que les vibrations
puissent agir efficacement sur toute l’épaisseur de la couche.

Influence du nombre de passes :

Pour un engin donné et des paramètres de qualité fixés, il existe un nombre de passes
optimales fonction de la vitesse de l’engin, de l’épaisseur de la couche et de la nature du
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matériau permettant d’obtenir une compacité maximale. Plus les exigences de qualité sont
sévères, plus le nombre de passe optimale est élevé.

VERIFICATION DE LA DENSITE SECHE IN-SITU :

Degré de compacité : (efficacité d’un compactage par rapport à ce qui est prescrit) :

En comparant le poids volumique du sol sec sur le chantier une le compactage est terminé
γdchantier avec le poids volumique sec maximale (optimum Proctor γopt obtenu à partir de la
courbe de compactage au laboratoire), on définit le degré de compacité Dc ou pourcentage de
compactage par le rapport :

● Dc =
.

Le degré de compacité est l’un des critères sur lesquels on s’appuie pour accepter ou refuser
un compactage. Ce degré qui exprime en pourcentage, tend vers 100% lorsque la valeur de
γdchantier tend vers celle de γd opt.proctor . En général le cahier des charges impose Dc ≥ 95%
(voire 98%). Plus Dc est élevé, plus la compacité du sol est grande et plus le compactage est
efficace.

Le poids volumique sec γd chantier est déterminé en place par les méthodes expliquées
précédemment (densitomètre à membrane, remplacement au sable calibré, gamma-
densimètre, ou par carottage).

L’INDICE PORTANT CALIFORNIEN CBR : Essai CBR :

But de l’essai :

Dans les travaux routiers, et en particulier pour la confection des remblais et des couches de
forme, on ne peut admettre que des faibles déformations. On détermine donc la portance du
sol, c'est-à-dire sa résistance à la rupture, par l’essai C.B.R.(Californian Bearing Ratio) ou
Indice Portant Californien.

Déterminer un indice permettant de calculer grâce à des abaques l’épaisseur des couches de
fondation d’une route nécessaires à la constitution d’une chaussée en fonction du sol sous-
jacent, du trafic et des charges par essieu prévus et des conditions hydriques futures que
subira cette route. Il est déterminé pour les sols à vocation routière de manière purement
empirique.

L’Indice Portant Californien est un nombre sans dimension exprimant en pourcentage le

rapport entre les pressions produisant un enfoncement donné dans la matériau à étudier d’une
part (avec ou sans immersion préalable) et dans un matériau type d’autre part. Il caractérise
implicitement la tenue au poinçonnement d’un sol.

Principe de l’essai :

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Le matériau à étudier dans le moule C.B.R. dans un état donné de densité et de teneur en eau.

Au cours de cet essai, le matériau est poinçonné par un piston de 19.2cm2 de section, enfoncé
à la vitesse de 1.27 mm/min.

Les valeurs particulières des deux forces ayant provoqué les enfoncements de 2.5 et 5mm sont
alors rapportées aux valeurs 13.35 et 20 KN, qui sont les forces observées dans les mêmes
conditions sur un matériau de référence.

Pénétration (mm) Charge unitaire(KN) Charge toale (KN)

2.5 0.7 13.35
5.0 1.05 20

Le C.B.R ou Indice Portant Californien est par convention est le maximum des 2 valeurs
suivantes :

é é à 2.5 100
13.5
à .
=
.

é é à

à
=
.

La capacité de portance du sol routier est d’autant meilleure que l’indice C.B.R. est plus
élevé.

Conduite de l’essai :

●Compacter le sol à wopm , suivant le processus de l’essai P.M.(moule C.B.R.,dame lourde,

5couches, 55 coups par couche).

●Araser le moule et déterminer la teneur en eau de la partie ainsi enlevée.

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●Enlever la plaque de base, oter le disque d’espacement et retourner le moule, pour fixer sur
la plaque de base l’extrémité qui était en haut, en interposant une feuille de papier filtre (voire
figure ci-après).

●Peser l’ensemble moule+plaque de base+contenu, à 1 g prés.

►Imbibition-Mesure du gonflement :

Le but de l’opération est de placer l’échantillon dans les plus mauvaises conditions
hygrométriques qu’il est susceptible de rencontrer dans la pratique.

Trois cas peuvent être envisagés :

●Pour un terrain particulièrement sec, ne risquant ni de subir des remontées d’eau (nappe
phréatique profonde), ni de recevoir des eaux pluviales (climat très sec ou revêtement
étanche), on peut se dispenser de cette imbibition et faire l’essai à la teneur en eau wopm qui
est celle à laquelle l’échantillon a été préparé.

●Pour un terrain pouvant subir de fortes remontées d’eau, ou des inondations, ou recevoir les
pluies d’un climat très humide, on procède à une imbibition complète (jusqu’à ce que la
variation d’épaisseur de l’échantillon devienne inférieure à 0.03 mm par 24heures).

●Dans les autres cas, qui sont les plus fréquents, on imbibe l’échantillon pendant 4 jours en
suivant le mode opératoire ci-après :

►On place sur l’échantillon, successivement, un disque de papier filtre, un disque perforé de
gonflement et une charge constituée par des disques annulaires de 2.265 Kg (au moins
2disques), représentant l’équivalent de la contrainte imposé par la chaussée sur la plate-forme
de terrassement.

►On met le tout dans un bac rempli d’eau, la plaque de base étant un peu écartée du fond
pour permettre le passage de l’eau. Un comparateur tenu par un trépied placé sur le moule
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mesurera les variations de hauteur de l’échantillon. On remplit d’eau et l’on note la lecture de
la mesure donnée par le comparateur au début de l’essai.

Dans le cas normal, laisser l’imbibition se poursuivre pendant 4 jours (96 heures à ± 1heure).
A la fin de l’imbibition, on note le gonflement.

POICONNEMENT :

On utilise une presse qui est munie d’un piston de poinçonnement de diamètre 4.96 cm
(section=19.3 cm2 ), et qui est pourvue d’un contrôleur de cadence ainsi d’un comparateur
permettant de suivre les enfoncements au 1/100eme de mm prés.

On place l’échantillon sur le plateau, bien axé sur le piston de poinçonnement. Les charges
annulaires sont remises en place ( leur trou central laisse le passage au piston de
poinçonnement). On ramène la tige au contact du sol et quand l’aiguille dynamométrique de
la presse commence à bouger, on arrête le mouvement et on le comparateur à zéro.

Puis la presse est actionnée à une vitesse constante d’enfoncement égale à 1.27 mm/min, le
mouvement étant régulé, soit de manière automatique, soit en suivant le cadence mètre de la
machine. On effectue simultanément les mesures de l’enfoncement et de la force exercée et on
note (sans arrêter le poinçonnement) les forces qui correspondent aux enfoncements suivants :

Enfoncements (mm) 0.625 1.25 2.0 2.5 5.0 7.5 10

Temps de mesure (min) 0.5 1 1.5 2 4 6 8

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►Application 1:

Les résultats suivants sont obtenus lors d’un essai C.B.R sur un sol

Temps 30 s 1min 1’40 2min 4min 6min 8min 10min

Enfoncement (mm) 0.625 1.25 2 2.5 5 7.5 10 12.5
Force totale (Kgf) 150 275 450 525 925 1175 1275 1425
●Tracer la courbe pression= f(poinçonnement)

●Déduire l’indice portant californien.

►Application 2:

Les résultats suivants sont obtenus lors d’un essai C.B.R sur un sol

Temps 30 s 1min 1’40 2min 4min 6min 8min 10min

Enfoncement (mm) 0.625 1.25 2 2.5 5 7.5 10 12.5
Force totale (Kgf) 100 175 275 325 450 575 725 900
●Tracer la courbe charge = f(enfoncement)

●Calculer le C.B.R du sol.

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