Consolidation (sol)

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La consolidation est, selon K. von Terzaghi, « tout processus par lequel la teneur en eau d'un sol saturé diminue, sans remplacement de l'eau par l'air. » Le plus souvent c'est par tassement, sous l'action à long terme des charges statiques, que s'effectue cette compaction avec expulsion de l'eau interstitielle.

L'étude du phénomène de consolidation est essentielle dans la compréhension des phénomènes de tassement en construction. Elle est une composante de la mécanique des fondations.

Il existe différentes méthodes pour prédire l'amplitude du tassement par consolidation. Dans la méthode classique, due à Terzaghi, on recourt à des essais dits « œdométriques » effectués en laboratoire sur un échantillon du sol à étudier : cet essai aboutit à la mesure d'un module de compressibilité qui permet de calculer le tassement de consolidation.

Un phénomène en partie réversible[modifier | modifier le code]

Quand un sol, préalablement consolidé, est déchargé, il récupère en partie son volume initial (on parle alors de sol « surconsolidé ») : les terrains glaciaires relèvent de cette situation. Si on applique ensuite de nouveau le chargement, le sol reprend sa consolidation. Un sol, à échelle géologique ou même historique, a généralement connu plusieurs cycles de charge-décharge, d'amplitudes différentes. L'effort le plus élevé auquel un sol a été soumis se nomme l'« effort de préconsolidation ».

Analyse[modifier | modifier le code]

Analogie du ressort[modifier | modifier le code]

On doit à K. von Terzaghi[1] une analogie élémentaire du processus de la consolidation unidimensionnelle (verticale). Cette analogie consiste en un système idéalisé composé d'un ressort supportant un piston troué d'un orifice, et d'un récipient rempli d'eau. Dans ce système, l'ensemble (ressort + plaque percée d'un orifice) représente le « squelette solide » du sol, et l'eau qui remplit le récipient représente l'eau interstitielle du sol. La raideur du ressort est proportionnelle à la compressibilité du sol.

Analogie de Terzaghi pour la consolidation unidimensionnelle.
  1. Le récipient est complètement rempli avec de l'eau, et le trou est fermé (sol entièrement saturé).
  2. Une charge est appliquée sur la couverture, alors que le trou est encore fermé. À ce stade, l'eau, par son incompressibilité, reprend seule la charge appliquée (Principe de Pascal).
  3. Dès que le trou est ouvert, l'eau commence à s'écouler par le trou et le ressort se comprime : cela modélise le drainage de l'eau interstitielle par soulagement de la pression excédentaire.
  4. Après un certain temps, le drainage de l'eau s'interrompt car le ressort fait équilibre à la charge appliquée. (Pleine dissipation de pression excédentaire d'eau interstitielle. Fin de la consolidation)

Consolidation primaire[modifier | modifier le code]

Cette méthode suppose que la consolidation se produit seulement dans une dimension. Des mesures en laboratoire permettent de tracer le diagramme des déformations ou l'indice des vides avec la disposition des pressions sur une échelle logarithmique[2]. La pente du graphique donne l'indice de compression ou indice de ré-compression. L'équation pour le tassement de consolidation d'un sol normalement consolidé peut alors être déterminée par :

avec

δc est le tassement dû à la consolidation.
Cc est l'indice de compression.
e0 est le rapport nul initial.
H est la hauteur du sol.
σzf est l'effort vertical final.
σz0 est l'effort vertical initial.

Cc peut être remplacé par Cr (l'indice de ré-compression) pour l'usage dans les sols sur-consolidés où l'effort efficace final est inférieur à l'effort de préconsolidation. Quand l'effort efficace final est plus grand que l'effort de préconsolidation, les deux équations doivent être employées en association pour modeler la partie de récompression et la partie vierge de compression du processus de consolidation, comme suit :

avec σzc l'effort de préconsolidation du sol.

Compression secondaire[modifier | modifier le code]

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La compression secondaire est la compression du sol qui a lieu après la consolidation primaire. Même après la réduction de pression hydrostatique de la compression du sol a lieu au taux lent. ceci est connu en tant que compression secondaire. La compression secondaire est provoquée par fluage, comportement visqueux du système de l'argile-eau, compression de matière organique, et d'autres processus.En sable, le règlement provoqué par compression secondaire est négligeable, mais en tourbe, il est très significatif. En raison de la compression secondaire une partie de l'eau fortement visqueuse entre les points de contact est expulsée. La compression secondaire est donnée par la formule

avec H0 est la taille du milieu de consolidation
e0 est le rapport nul initial
Ca est l'index secondaire de compression
t est la durée après la consolidation considérée
t90 est la durée pour réaliser la consolidation de 90%.

Dépendance avec le temps[modifier | modifier le code]

La consolidation peut prendre des années. C'est particulièrement vrai pour les argiles saturées parce que leur perméabilité est extrêmement faible. Tandis que le drainage se produit, la pression d'eau interstitielle est supérieure à celle du gradient barométrique parce qu'elle reprend une partie de l'effort appliqué (par réaction à la pression des particules du « squelette solide » du sol).

Le rapport de consolidation ou la ROC fini est défini comme l'effort le plus élevé éprouvé divisé par l'effort actuel. Un sol qui éprouve actuellement son effort plus élevé serait normalement consolidé et pour avoir une ROC d'une. Un sol pourrait être considéré sous-consolidé juste après qu'une nouvelle charge est appliquée mais avant que la pression excédentaire d'eau interstitielle a eu le temps pour absorber.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. L'idée originale de ce modèle est parue dans K. Terzaghi et O.-K. Fröhlich, Theorie der setzung von tonschichten: eine einführung in die analytische tonmechanik, Vienne, Deuticke, , et reprise ultérieurement dans K. Terzaghi et R. B. Peck, Soil Mechanics in Engineering Practice, Wiley, .
  2. Cf. par exemple Andrew Schofield et Peter Wroth, Critical State Soil Mechanics, McGraw-Hill, 310 p. (ISBN 978-0641940484), « 4. One-dimensional consolidation »

Bibliographie[modifier | modifier le code]