CHAPITRE 3 LE COMPACTAGE DES SOLS

CHAPITRE 3
LE COMPACTAGE DES SOLS
m tombant d'une hauteur h) multipliée par le
nombre de coups donnés. Cette énergie s'appelle
énergie de compactage.
Introduction.
Le géotechnicien s'intéresse aux sol dans la
mesure où ceux-ci constituent l'élément principal
du contexte dans lequel la stabilité d'un ouvrage
sera conçue.
On a donc rapidement envisagé
d'améliorer les caractéristiques mécaniques des
sols d'assise pour augmenter leur capacité
portante (ou portance).
Un grand nombre de
procédés existent; d'une part, les adjonctions de
liants (bitume, ciment, chaux, laitier), relativement
chers, et d'autre part, les procédés de compactage
mécaniques. C'est ce dernier groupe de procédés,
principalement mis en œuvre sur les chantiers
routiers, que ce chapitre va exposer.
Si l'on porte en graphique les d obtenus suite au
compactage d'un échantillon de sol, en réalisant
une série d'essais de compactage, chacun
correspondant à une teneur en eau différente
(maîtrisée par adjonction d'eau) mais toujours
avec une énergie de compactage identique, on
obtient une courbe comme celle-ci:
Définition du compactage.
Compacter un sol consiste à faire diminuer son
volume par l'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 du
sol n'est donc pas modifiée (il s'agirait dans ce cas
d'une consolidation, phénomène qui sera étudié
ultérieurement dans ce cours). Le poids volumique
du sol, h, par contre, sera augmenté, et avec lui,
d puisque
d =
fig 20 allure d'une courbe de compactage.
La courbe a l'allure d'une cloche, elle passe par un
d maximum que l'on appelle optimum proctor. Cet
optimum correspond à une teneur en eau
optimale.
h
NB: Nous attirons l'attention du lecteur sur le fait
que le terme optimum proctor désigne le d
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 la
quelle l'optimum correspond.
La confusion est
fréquente.
1
Le poids volumique sec d 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 h et par une teneur en eau , donc, par un
poids volumique sec d, 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 allure s'explique par le rôle lubrifiant de l'eau
dans le processus de compactage. Un sol 'trop
sec' sera le siège de frottements importants entre
les grains de sol. Un sol trop humide, par contre
sera moins susceptible d'être compacté car une
partie importante de l'énergie de compactage sera
absorbée par l'eau (incompressible) et ne sera
donc pas communiquée aux grains de sol.
Facteurs d'influence du
compactage.
Influence de la nature du sol.
Influence de la teneur en eau.
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. Les sols de
ce type font généralement les meilleurs remblais.
L'influence de la teneur en eau sur le résultat d'un
compactage a été étudié dès 1933 par l'ingénieur
américain Proctor, qui a mis au point l'essai de
compactage qui porte son nom.
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 (=mgh pour une masse
La figure suivante donne quelques exemples des
allures que peuvent présenter les courbes de
compactage des sols courants (Clay = argile,
14
sand = sable, silty sand = sable limoneux.). On
voit que les sables sont très peu sensibles à l'eau
en ce qui concerne le compactage, tandis que s'ils
contiennent une fraction argileuse, leur courbe
s'infléchit de manière importante.
On voit en effet, la courbe du compactage se
déplacer vers le haut et la gauche du diagramme à
mesure que le nombre de coups augmente. Cette
influence se lit aussi à la figure 21 où trois types
de sols (1, 2 et 3) subissent trois compactage
d'énergies décroissantes (A, B et C).
Notons qu'à la figure 22, on a porté en abscisse la
masse volumique d et à la figure 21, la densité
sèche à la place du poids volumique sec d, ce qui
ne porte pas à conséquence.
Les courbes de compactage sont limitées à leur
extrémité droite par la valeur de l'abscisse =sat,
elles sont donc asymptotiquement tangentes à une
courbe-enveloppe qui représente la relation entre
sat et d pour le sol considéré.
L'expression sat = f(d) se détermine comme suit:
Définition de la teneur en eau :
=
Influence de l'énergie de compactage.
sat =
L'extrémité droite de la courbe de compactage,
c'est à dire l'extrémité du versant sec (ou branche
sèche) correspond à l'état de saturation du sol. La
courbe est donc limitée à l'abscisse =sat. On
conçoit aisément que si l'énergie de compactage
augmente, le vides 'secs' (remplis d'air et non
d'eau' seront d'avantage réduits. Ceci implique
deux choses:

Ws
à saturation, on a donc:
fig 21 influence de la nature du sol sur le compactage.

Ww
sat =
Wwsat
Ws
V−Vs
 /V
⋅w  . s
Ws
V⋅d
s / V
Vs
s −s⋅
V 1
sat =
⋅ ⋅w
s
d
V v⋅w
=
V W
s⋅ s = s =d
,
V
V
s −d 1
1 1
sat =
⋅ ⋅ =
− ⋅w
s  d w d s
comme

Le d obtenu par la compaction sera plus
élevé.
La courbe de compaction se
déplacera donc vers le haut.
La saturation sera atteinte à une teneur en
eau moindre : sat diminue. La courbe de
compaction se déplacera donc vers la
gauche.
s
et
w
sont
des
proportionnelle à
constantes,
1
d ,

sat
est
donc
la courbe-enveloppe est
donc une hyperbole. Son ordonnée à l'origine vaut
évidemment s, puisque, pour sat=0, on a
1 1
− =0
d s
Si l'on superpose 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 une figure
similaire à la suivante.
, donc d=s.
Les essais de compactage en
laboratoire.
s
Le principe des essais de compactage a en fait déjà
été évoqué plus haut dans ce chapitre; un
échantillon de sol, de teneur en eau connue, est
compacté dans un moule, aux dimensions
normalisées, par l'action de la chute d'une dame.
Le poids et la hauteur de chute de cette dernière
sont également normalisés. La teneur en eau du
sol testé est maîtrisée 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 produisant un couple
de valeurs (,d) , donc un point de la courbe de
compactage (courbe A.A.S.C.H.O : American
Association of State Highway Officials).
Les essais peuvent être réalisés dans deux types
de moules, et selon deux modalités, ce qui fait
quatre types d'essais.
D'autres types, moins
couramment utilisés existent également.
fig 22 : influence de l'énergie de compactage.
15
On peut utiliser

Le moule proctor : 10,2 cm de diamètre et
11,7 cm de hauteur (plus un collier mobile
permettant de compacter jusque 13 ou 14
cm). Ce moule est utilisé pour les sols de
granulométrie  5mm, on y compacte
environ 3 kg de sol.

Le moule C.B.R. (California Bearing
Ratio) : 15,2 cm de diamètre et 15,2 cm
de hauteur.
Convient pour des 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. L'échantillon est
ici de 6 kg.
Dans chacun de ces deux moules, on peut réaliser
l'essai de compactage selon deux modalités:


L'essai Proctor Normal (PN) : le sol est
compacté au moyen d'une dame de
2,490 kg, tombant d'une hauteur de
30,5 cm (1 pied). L'essai est réalisé en
trois couches de plus ou moins 4 cm
d'épaisseur qui reçoivent chacune 25 coups
pour le moule proctor et 55 coups pour le
moule CBR.
L'essai Proctor Modifié (PM) : le sol est
compacté au moyen d'une dame de
4,540 kg, tombant d'une hauteur de
45,7 cm (1,5 pied). L'essai est réalisé en
cinq couches de plus ou moins 2,5 cm
d'épaisseur qui reçoivent chacune 25 coups
pour le moule proctor et 55 coups pour le
moule CBR.
fig 24 matériel d'essai Harvard.
L'essai PN communique au sol une énergie de
compactage relativement modérée, cet essai
s'applique donc à l'étude des remblais. L'essai PM,
sollicitant le sol d'avantage, il est adapté aux
compactages important comme ceux que subissent
les sols de fondation des routes, autoroutes, pistes
d'aterrissage,…
fig 25 exemple de courbe de compactage PN.
(ici, les ordonnées reprennent, à la place de d, la masse
volumique d en unités anglo-saxonnes : livres par pieds
cubes)
Citons encore le proctor à 15 coups (courbes C de
la figure 21), le test de compaction miniature
(Harvard) pour les sols fins, permettant d'effectuer
les mesures sur de très petits échantillons (de
l'ordre de 60 cm³), la table vibrante, les
compressions statiques.
Utilisation pratique des essais de
compactage.
Chaque sol est caractérisé par ses d maxi, qui
correspondent chacun à une teneur en eau unique
et précise, et à un type d'essai (PN ou PM). Les
cahiers des charges exigeront le cas échéant, que
les sols soient compactés jusqu'à un d donné, par
exemple 95% du PN (remblais), ou 95% du PM, ou
100% du PN (pour les 50 premiers cm de sol),…
Sur le chantier, le sol a une teneur en eau donnée
naturelle, éventuellement non uniforme (v fig 26).

Si celle-ci est supérieure à opt (teneur en eau
qui correspond à l'optimum proctor), on peut
imaginer d'assécher le terrain, ce qui est
pratiquement impraticable (le point A se
déplace vers O)

Si <opt on peut envisager d'arroser le sol (le
point B se déplace vers.O)

Dans l'un ou l'autre cas, on peut sans modifier
la teneur en eau du sol, augmenter l'énergie
de compactage (augmenter le nombre de
passes du rouleau compresseur), cette
fig 23 matériel d'essai de compactage.
16
solution est la plus aisée à mettre en pratique
(le point B se déplace vers O').
par un minimum.
Ce minimum permet de
déterminer la teneur en eau qui faut s'efforcer
d'obtenir avant compactage.
Cette opération,
relativement laborieuse permet, pour des chantiers
importants, de faire des économies significatives
en temps, en main-d'œuvre et en énergie.
10
8
6
4
2
0
12
14
16
18
20
22
24
Teneur en eau (%)
fig 26 solution pour atteindre le d du cahier des charges.
fig 27 courbe d'étalonnage d'un engin de compactage.
Un fois connues la teneur en eau naturelle du sol,
et donc la solution pour atteindre le d imposé, il
reste à étalonner le matériel de compactage, c'està-dire, pour un rouleau compresseur par exemple,
déterminer le nombre de passes minimum pour
atteindre le d optimum sur une épaisseur de
30 cm environ. Le chef de chantier construit une
courbe d'étalonnage au moyen d'un essai en
grandeur réelle exécuté sur une portion de la
surface du chantier. La courbe d'étalonnage lie le
nombre de passes nécessaires pour atteindre le d
voulu, en fonction de la teneur en eau (plus ou
moins maîtrisée par arrosage). Cette courbe passe
Equipement
Sols les plus indiqués
Sables ou graviers bien
Rouleau lisse, vibrant ou
gradués, concassé,
non
asphalte
Sols grenus (grossiers)
Rouleau à pneus
contenant un peu de
fines.
Rouleau à grille
Rouleau à pieds de
moutons non vibrant.
Rouleau à pieds de
moutons vibrant.
Plaque vibrante
Dames, pilons
Rouleau à impact
(modèles légers)
Roche altérée, sols
grossiers bien gradués.
Le matériel de compactage.
Le matériel de compactage sera choisi, suivant les
disponibilités, en fonction du type de sol à traiter
et en fonction du but recherché. L'intensité du
compactage doit bien sur être adaptée aux
sollicitation que le sol compacté devra subir en
service. Le tableau ci-après met en relation les
techniques les plus courantes et les sols auxquels
elles sont le plus et le moins adaptées, ainsi que
leurs applications.
Application
Sols les moins indiqués
Pistes, sous-coffres
Sables à granulométrie
uniforme
Sol grossiers à
Sous-coffre de pavement granulométrie uniforme,
cailloux
Argiles, argiles
Sous-coffre
limoneuses, sols à
granulométrie uniforme.
Barrages, remblais,
Sols grossiers et
sous-coffres
caillouteux.
Sols fins à plus de 20%
de fines
Idem précédent, +
Couches de fondation
mélanges sables-graviers
Sols grossiers à 4 à 8 %
Petites surfaces
Argiles et limons
de fines
Tous
Endroits peu accessibles
Sols humides à saturés
Sables et graviers secs
exemple, sont susceptible de se fissurer lors de
l'apparition des tassements. On a constaté qu'en
compactant ces sols 'en suivant le versant humide'
on obtenait une structure de sol orientée (litée) de
moindre résistance au cisaillement, mais plus
susceptible de subir des déformations importantes
sans se rompre, cette propriété est essentielle
pour un barrage. Le compactage 'du coté humide'
produit en outre un sol moins perméable qu'un
compactage 'du coté sec'.
A l'inverse, la structure floconneuse obtenue par
compaction 'du coté sec' constituera un sol moins
susceptible de retrait, mais plus susceptible de
gonflement. Les sols compacté ainsi présenteront
également une raideur plus importante aux états
de contraintes faibles que les sols à structure
orientée obtenus par compactage 'du coté sec'.
Choix du type d'essai.
Le type d'essai de compactage est choisi en
fonction du type de technique que l'on envisage de
mettre en œuvre sur le chantier. Les essais en
laboratoire, de nature dynamique pour la plupart
(chocs), donnent des teneurs en eau optimales
souvent inférieures à la réalité.
On constate
d'autre part, que les conditions dans lesquelles la
compaction
est
exécutée
influencent
très
significativement les propriétés mécaniques après
compactage.
En effet, pour les sols fins, la
structure résultante du sol compacté dépend du
procédé de compaction et de la teneur en eau à
laquelle elle se fait. Les argiles utilisées pour
constituer le noyau d'un barrage en terre, par
17
Aux états de contrainte élevés, cette différence
s'amenuise,
voire
s'inverse.
La
couche
périphérique (coquille) des barrages en terre
seront donc avantageusement compactés 'du coté
sec', ainsi que les sols de fondations de voiries.
On voit donc qu'une augmentation de densité du
sol peut dans certains cas conduire à une
diminution de la résistance, en fonction de la
structure obtenue et des sollicitation prévues
propriétés mécaniques, en relation avec une
structure particulière, plutôt que la simple exigence
d'un poids volumique sec à atteindre.
Cette
dernière optique, largement pratiquée, suffit
pourtant dans la majorité des cas. Le tableau
suivant met en relation les techniques de
compactages et quelques essais de laboratoire.
Les critères de
compactage devraient en
conclusion être basés sur un ensemble de
Méthode
Essai
Impact
Essai proctor normal ou modifié.
Pétrissage
Essai Harvard miniature.
Vibrations
Compressions statiques ou
dynamiques
Table vibrante
Technique de chantier.
Aucune (compactage de surface)
Rouleaux à pieds de mouton, à
pneus,
Rouleaux et plaques vibrantes.
Presses
Rouleau lisses
passe suivante, où l'on compacte aux points
intermédiaires du quadrillage précédent.
Le compactage profond.
Le compactage en profondeur des sols grenus est
mis en œuvre pour résoudre des problèmes de
fondation tels que

Amélioration de la résistance du sol pour
augmenter sa capacité portante, la stabilité de
pentes et excavations

Augmentation de la raideur du sol pour réduire
les tassements totaux et différentiels pouvant
être causés par des chargements statiques,
cycliques ou dynamiques.

Réduction des poussées latérales des terres
contre les structures de soutènement (si le
compactage
est
effectué
avant
le
soutènement).

Atténuation des risques de liquéfaction des
sols pulvérulents sous le niveau de la nappe,
pouvant résulter d'un chargement dynamique
ou cyclique (séismes).

Diminution de la perméabilité du sol dans ou à
proximité des barrages ou des digues.

Amélioration globale des caractéristiques
géotechniques
dans
les
sédiments
hétérogènes.
Le compactage prolonge ses effets jusqu'à une
profondeur que l'on peut estimer de la manière
suivante:
dmax =a⋅ H⋅M
où H est la hauteur de chute et M la masse
tombante. Le facteur a, variable d'un site à l'autre
vaut entre 0,3 et 0,5. Une masse de 15 t tombant
d'une hauteur de 15 m compacte en général le sol
sur une épaisseur de 7 à 8 m.
Les applications les plus courantes du compactage
en
profondeur
sont
l'amélioration
des
caractéristiques mécaniques du sol pour des
projets d'infrastructure (ports, aéroports), et
l'atténuation des risques de liquéfaction dans les
zones à activité sismique.
Le compactage en profondeur s'exécute selon deux
familles de méthodes, selon que l'énergie est
transmise au sol depuis la surface, ou sous la
surface.
Compactage depuis la surface.
Compactage dynamique : le sol est compacté
par la chute répétée d'un poids important (15 à 25
tonnes, voire plus) tombant d'un grande hauteur
(25 m, voire plus). L'énergie de compactage est
transmise depuis la surface aux couches plus
profondes par propagation d'ondes de compression
et de cisaillement.
fig 28 compactage profond (25t, 25m)
Rouleau à impact (modèle lourd) : l'impact
généré par la rotation d'une masse prismatique
(jusque 50 t) compacte plusieurs mètres de sols
grenus grossiers, graviers,etc.
Le compactage dynamique est appliqué en
plusieurs
passes
suivant
un
quadrillage
prédéterminé, dont l'interdistance est réduite à la
18
fig 29 rouleau à impacts.
Plaque vibrante lourde (400 t). à vibrateur
hydraulique permettant de faire varier la fréquence
et l'amplitude (pouvant dépasser 30 cm).
fig 31 colonne franki.
La vibro-sonde permet de compacter 10 à 15 m
de sol.
fig 30 plaque vibrante lourde.
Compactage sous la surface.
Le système MRC : très moderne : utilise l'effet de
résonance dans les couches de sol pour augmenter
l'effet de la compaction par vibration. Une sonde
vibrante à fréquence variable est foncée à haute
fréquence jusqu'à la profondeur voulue, puis
réglée sur la fréquence de résonance du sol.
La colonne franki : l'énergie de compactage est
transmise à l'extrémité d'un tube foncé dans le sol
par l'action d'un marteau d'une masse de 10 t qui
bat un bouchon de sol compacté se trouvant en
bout de tube. Le tube est progressivement foncé
dans le sol et les terre entourant l'extrémité de ce
tubes sont compactées. Une fois la profondeur
voulue atteinte, le bouchon est expulsé et le tube
est extrait.
Le sol sous le tube est encore
compacté pendant la phase d'extraction du tube.
Un compactage très intense peut être obtenu
jusqu'à des profondeur de plus de 20 m. Cette
méthode très efficace, est lente et donc onéreuse.
fig 32 vibro-sonde.
La vibroflotation : date du début des années
1940, et est une des méthodes qui ont été le plus
mises en œuvre. Un vibrateur, de 3 à 5 m de long
et de 350 à 450 mm de diamètre est monté à la
base d'un tube d'acier. Le dispositif est enfoncé
jusqu'à la base de la couche à compacter, puis
retiré graduellement par paliers de 0,50 à 1,00 m.
La pénétration et le retrait du vibrateur sont aidées
par une injection d'eau qui emporte les particules
fines.
Celle-ci seront remplacées par des
matériaux plus grossiers (sables,…).
Les
vibrations, provoquées par une force centrifuge
pouvant atteindre 160 kN, ont une amplitude
19
variable, jusque 25 mm et une fréquence de 30 à
50 Hz.
fig 33 vibroflotation.
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