Introduction
Le compactage des sols est une procédure dans laquelle un sol subit une contrainte mécanique et est densifié. Le sol est constitué de particules solides et de vides remplis d’eau ou/et d’air. Une explication plus détaillée de la nature triphasée des sols est fournie dans Soil as a three-phase System. Lorsqu’elles sont soumises à une contrainte, les particules du sol sont redistribuées dans la masse du sol et le volume des vides diminue, ce qui entraîne une densification. La contrainte mécanique peut être appliquée par pétrissage, ou par des méthodes dynamiques ou statiques. Le degré de compaction est quantifié en mesurant la variation du poids unitaire sec du sol, γd.
Dans le cadre des applications d’ingénierie, le compactage est particulièrement utile car il entraîne :
- une augmentation de la résistance des sols
- une diminution de la compressibilité des sols
- une diminution de la perméabilité des sols
Ces facteurs sont cruciaux dans les structures et les applications d’ingénierie telles que les barrages en terre, les remblais, le support des chaussées ou le support des fondations.
Le degré de compactage dépend des propriétés du sol, du type et de la quantité d’énergie fournie par le processus de compactage et de la teneur en eau du sol. Pour chaque sol, il existe une quantité optimale d’humidité pour laquelle il peut connaître sa compression maximale. En d’autres termes, pour un effort de compactage donné, un sol atteint son poids unitaire sec maximal (γd,max), à un niveau de teneur en eau optimal (wopt).
La compressibilité d’un sol relativement sec augmente à mesure que l’on y ajoute de l’eau. Autrement dit, pour des niveaux de teneur en eau secs de l’optimum (wopt), l’eau agit comme un lubrifiant, permettant aux particules de sol de glisser les unes par rapport aux autres, conduisant ainsi à une configuration plus dense. Au-delà d’un certain niveau de teneur en eau (humide de l’optimum, w>wopt), l’excès d’eau dans le sol entraîne une augmentation de la pression d’eau interstitielle qui écarte les particules du sol. Une corrélation typique entre le poids unitaire sec et la teneur en eau est présentée dans la figure 1. Il est également intéressant de noter que, comme on peut le voir sur la Figure 2, pour un sol donné, la résistance la plus élevée est atteinte juste à sec de l’optimum (Figure 2a), alors que la conductivité hydraulique la plus faible est atteinte juste humide de l’optimum (Figure 2b). L’effet de l’effort de compactage sur le poids unitaire sec maximal (γd,max), et le niveau de contenu en eau optimal (wopt) peut être observé dans la Figure 4. Avec l’augmentation de l’effort de compactage, γd,max augmente, tandis que wopt diminue. C’est-à-dire qu’un niveau de teneur en eau plus petit est suffisant pour saturer un échantillon plus dense.
Figure 1 : Effet de la teneur en eau sur le poids unitaire sec lors du compactage d’un sol
Figure 2 : Effet de la teneur en eau sur a) la résistance du sol, et b) la conductivité hydraulique
Essai de compactage Proctor
Le test de laboratoire le plus courant pour le compactage des sols est l’essai de compactage Proctor.
Le test Proctor a été inventé dans les années 1930 par R. R. Proctor, un ingénieur de terrain du Bureau of Waterworks and Supply, à Los Angeles, en Californie. Ce procédé, qui simule les processus de compactage in situ généralement réalisés lors de la construction de barrages en terre ou de remblais, est le test de laboratoire le plus couramment réalisé pour dériver la compressibilité des sols.
Le type de compactage et l’énergie fournie pour un volume de sol donné sont standard et, par conséquent, l’essai se concentre sur la modification de la teneur en eau d’un échantillon pour dériver la teneur en eau optimale (wopt).
L’essai Proctor standard comprend un moule cylindrique d’un volume de 0,95 litre dans lequel la masse de sol est placée et compactée en 3 couches. Chaque couche est comprimée en laissant tomber 25 fois un poids de 2,5 kg tombant d’une élévation de 30 centimètres.
Une version modifiée de l’essai a été introduite après la Seconde Guerre mondiale, dans les années 1950, lorsque les machines lourdes pouvaient entraîner un compactage plus important. Dans la nouvelle approche, le moule cylindrique reste le même, cependant, le poids de chute est augmenté à 4,5 kg et la hauteur de chute à 45 centimètres. En outre, le sol est compacté en 5 couches avec 25 coups par couche.
L’essai est réalisé pour 5 teneurs en eau afin d’obtenir la teneur en eau optimale (wopt), pour laquelle la valeur du poids unitaire sec est maximale (γd,max).
Équipement d’essai
L’équipement utilisé pour réaliser l’essai comprend :
- Moule de compactage cylindrique de 10 centimètres de diamètre, équipé d’une base et d’un collier
- Masseur de secteur pesant 2,5 kg ou 4,5 kg selon que l’on effectue l’essai standard ou l’essai modifié
- N°4. Tamis
- Ligne droite en acier
- Contenants d’humidité
- Cylindre gradué
- Mélangeur
- Four contrôlé
- Tableau métallique et une pelle
Les moules et pilons de compactage cylindriques typiques sont représentés à la figure 3.
Figure 3 : Moules et pilons Proctor (ASTM/AASHTO) par groupe de contrôle (pour plus d’informations, cliquez ici)
Procédure de l’essai
La procédure de l’essai de compactage Proctor comprend les étapes suivantes :
- Obtenir environ 3 kg de sol.
- Passer le sol à travers le tamis n°4.
- Peser la masse de sol et le moule sans le collier (Wm).
- Placer le sol dans le mélangeur et ajouter progressivement de l’eau pour atteindre le taux d’humidité souhaité (w).
- Appliquer du lubrifiant sur le collier.
- Retirer le sol du mélangeur et le placer dans le moule en 3 couches ou 5 couches selon la méthode utilisée (Standard Proctor ou Modified Proctor). Pour chaque couche, initier le processus de compactage avec 25 coups par couche. Les gouttes sont appliquées manuellement ou mécaniquement à un rythme régulier. La masse de sol doit remplir le moule et s’étendre dans le collet, mais pas plus de ~1 centimètre.
- Enlever soigneusement le collet et tailler le sol qui dépasse du moule avec une règle droite aiguisée.
- Peser le moule et le sol contenant (W).
- Extruder le sol du moule à l’aide d’une extrudeuse métallique, en s’assurant que l’extrudeuse et le moule sont en ligne.
- Mesurer la teneur en eau du haut, du milieu et du bas de l’échantillon.
- Placer à nouveau le sol dans le mélangeur et ajouter de l’eau pour obtenir une teneur en eau plus élevée, w.
Calculs
D’abord, la teneur en eau de compactage (w) de l’échantillon de sol est calculée en utilisant la moyenne des trois mesures obtenues (partie supérieure, milieu et bas de la masse de sol).
Par la suite, le poids unitaire sec (γd) est calculé comme suit :
où : W = le poids du moule et la masse du sol (kg)
Wm = le poids du moule (kg)
W = la teneur en eau du sol (%)
V = le volume du moule (m3, typiquement 0,033m3)
Cette procédure doit être répétée encore 4 fois, étant donné que les teneurs en eau sélectionnées seront à la fois inférieures et supérieures à l’optimum. Idéalement, les points sélectionnés devraient être bien distribués avec 1 à 2 d’entre eux proches de la teneur en eau optimale.
Les poids unitaires secs dérivés ainsi que les teneurs en eau correspondantes sont reportés dans un diagramme avec la courbe zéro-vide, une ligne montrant la corrélation entre le poids unitaire sec et la teneur en eau en supposant que le sol est saturé à 100%. Quelle que soit la quantité d’énergie fournie à l’échantillon, il est impossible de le compacter au-delà de cette courbe. La courbe zéro-vide se calcule comme suit :
où : GS = la gravité spécifique des particules de sol (généralement, GS~2,70)
γW = le poids unitaire saturé du sol (kN/m3)
Les courbes typiques dérivées des essais Proctor standard et modifié, ainsi que la courbe zéro vide d’air sont présentées à la figure 4.
Figure 4 : Courbes typiques dérivées des essais Proctor standard et modifié. La courbe des vides d’air nuls est également représentée
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