Mise en oeuvre et emploi des matériaux de construction
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Description


Voici un panorama des principaux types de matériaux, depuis la caractérisation et l'adaptation des sols jusqu'aux vitrages, en passant par les matériaux de structure, d'isolation et d'enveloppe. Ce manuel enseigne comment il convient de les employ


Voici un panorama des principaux types de matériaux, depuis la caractérisation et l'adaptation des sols jusqu'aux vitrages, en passant par les matériaux de structure, d'isolation et d'enveloppe. Ce manuel enseigne comment il convient de les employer dans le domaine de la construction, tant pour la structure que pour le second oeuvre.



Pour chacun de ces matériaux, l'auteur décrit son mode d'élaboration, ses propriétés fonctionnelles, les usages qui en découlent, ainsi que le mode de mise en oeuvre de ses produits dérivés. En étudiant de surcroît l'usure et la durée des matériaux ainsi que les méthodes qui permettent de prolonger la vie des ouvrages, l'auteur évoque les questions soulevées par les conséquences sociétales de leur usage dans la perspective du développement durable.



Enfin, à la description de chacun des matériaux sont associées les normes et la règlementation dont, naturellement, la règlementation thermique.



Dans une pagination moderne à l'indispensable connaissance des matériaux de construction et de leurs fonctionnalités s'adresse en priorité aux élèves et aux étudiants en génie civil abordant pour la première fois les matériaux de construction dans les IUT , dans les licences de matériaux, dans les Masters pro et dans les écoles d'ingénieurs orientées BTP (UT, ESITC, ESTP, INSA, etc.).



Les formateurs et les stagiaires de la formation continue y trouveront l'essentiel de ce qu'il faut savoir.




  • Les sols


  • Les pierres


  • Les terres cuites


  • Les liants hydrauliques


  • Les bétons


  • Les métaux & alliages métalliques


  • Le bois et ses dérivés


  • Le verre et les vitrages


  • Les matériaux dans la durée : dégradations, protection, maintenance


  • Matériaux de construction et préoccupations sociétales

Sujets

Informations

Publié par
Date de parution 22 mars 2012
Nombre de lectures 88
EAN13 9782212030426
Langue Français
Poids de l'ouvrage 2 Mo

Informations légales : prix de location à la page 0,0172€. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

Exrait

Christian Lemaitre
Mise en œuvre et emploi des matériaux de construction
Sols | Pierres | Terres cuites Liants hydrauliques | Bétons | Métaux & alliages métalliques | Bois | Verre & vitrages | Dégradations, protection, maintenance | Préoccupations sociétales
ÉDITIONS EYROLLES
61, bd Saint-Germain
75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com
Du même auteur, chez le même éditeur :
Les propriétés physico-chimiques des matériaux de construction, 144 pages, 2012
et des dizaines de livres de construction, de génie civil et d’architecture dans le catalogue en ligne des éditions Eyrolles : www.editions-eyrolles.com
En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l’autorisation de l’Éditeur ou du Centre Français d’exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris.
© Groupe Eyrolles, 2012, ISBN : 978-2-212-13393-6
Table des matières
CHAPITRE 1 . Les sols
1.1 Introduction
1.2 Les roches en géologie
1.2.1 Roches magmatiques
1.2.2 Roches sédimentaires
1.2.3 Roches métamorphiques
1.3 Les sols en géotechnique
1.3.1 Le squelette solide
1.3.2 Gaz dans les sols
1.3.3 L’eau dans les sols
1.3.4 Pondération des sols
1.3.5 Sols cohérents ou pulvérulents
1.3.5.1 Comportement des sols cohérents
1.3.5.2 Limites d’Atterberg
1.3.6 Argilosité et propreté du sol
1.3.6.1 La VBS
1.3.6.2 Propreté
1.4 Granulométrie et classification des sols
1.4.1 Courbe de granulométrie
1.4.2 Abaque de Taylor
1.4.3 Abaque de Casagrande
1.4.4 Classification normalisée
1.5 Hydraulique des sols
1.5.1 Charge hydraulique dans un sol saturé
1.5.2 Gradient hydraulique
1.5.3 Loi de Darcy, perméabilité des sols
1.6 Propriétés mécaniques des sols et cohésion
1.6.1 Compressibilité
1.6.2 Cisaillement par compression
1.6.3 Contraintes admissibles
1.7 Techniques de renforcement des sols meubles
1.7.1 Le drainage
1.7.1.1 Le drainage vertical
1.7.1.2 Le drainage sous vide
1.7.2 La congélation
1.7.2.1 La méthode ouverte
1.7.2.2 La méthode fermée
1.7.3 Le compactage
1.7.3.1 Le compactage dynamique
1.7.3.2 Le vibro-compactage
1.7.4 La consolidation par colonnes
1.7.4.1 Les plots et colonnes ballastés
1.7.4.2 Le jet de coulis
1.7.5 La consolidation chimique
CHAPITRE 2 . Les pierres
2.1 Introduction
2.2 Nature des pierres à bâtir
2.2.1 Basalte
2.2.2 Granite
2.2.3 Calcaire
2.2.4 Meulières
2.2.5 Grès
2.2.6 Gneiss
2.2.7 Schistes
2.2.8 Marbres
2.3 Extraction et conservation
2.3.1 Extraction
2.3.2 Conservation
2.4 Examens minéralogiques
2.4.1 Examen visuel et à la loupe
2.4.2 Examen au microscope optique ou électronique
2.5 Caractérisation et propriétés
2.5.1 Caractéristiques normalisées
2.5.2 Masse volumique
2.5.3 Absorption d’eau
2.5.4 Résistance mécanique
2.5.5 Autres caractéristiques
2.5.5.1 Propagation du son
2.5.5.2 Résistance à l’usure
2.5.5.3 Propriétés thermiques
2.5.5.4 Gélivité
2.5.5.5 Résistance au feu
2.6 Utilisations et critères de choix
2.6.1 Éléments de structure
2.6.2 Éléments d’enveloppe
2.6.2.1 Toitures : lauzes et ardoises
2.6.2.2 Murs extérieurs: parements et bardages
2.7 La laine de roche
CHAPITRE 3 . Les terres cuites
3.1 Introduction
3.2 Production et mise en forme
3.2.1 Les matières premières
3.2.1.1 La terre crue
3.2.1.2 La terre cuite
3.2.2 La mise en forme
3.2.3 La cuisson
3.2.4 La finition
3.2.5 Production
3.3 La brique : propriétés
3.3.1 Premier examen
3.3.2 Dimensions
3.3.3 Spécifications
3.3.3.1 Résistance mécanique
3.3.3.2 Coefficient d’absorption d’eau par remontée capillaire
3.3.3.3 Résistance au gel, durabilité
3.3.3.4 Dilatation à l’humidité
3.3.3.5 Éclatement
3.3.3.6 Adhérence au mortier
3.3.3.7 Réaction au feu
3.3.4 Propriétés thermiques et hydriques
3.3.5 Propriétés acoustiques
3.3.6 Salubrité
3.4 Les murs de brique
3.4.1 Les briques HD et LD
3.4.2 Stabilité d’un mur
3.5 Structures horizontales en briques
3.5.1 Planchers
3.5.1.1 Planchers à poutrelles métalliques préenrobées
3.5.1.2 Planchers à poutrelles précontraintes
3.5.1.3 Plafonds suspendus
3.5.2 Entrevous
3.6 Les toitures : fonctions et caractéristiques
3.6.1 Définitions, terminologie
3.6.2 Fonctions d’une toiture
3.6.3 Toitures chaudes, toitures froides : ventilations sous toitures
3.6.4 Choix de matériaux et poids de couverture
3.6.5 Pente minimale d’une toiture
3.7 Les tuiles en terre cuite : typologies et spécificités
3.7.1 Caractéristiques des tuiles
3.7.1.1 Les tuiles canal
3.7.1.2 Les tuiles plates
3.7.1.3 Les tuiles à emboîtement
3.7.2 Choix du type de tuiles
3.8 Autres applications de la terre cuite
3.8.1 Boisseaux pour conduits de cheminée
3.8.2 Tuyaux de drainage
3.8.3 Briques décoratives
3.8.4 Pavés autobloquants
3.8.5 Granulats d’argile et schiste expansés (structure alvéolaire), mousse d’argile
3.9 Les carrelages
CHAPITRE 4 Les liants hydrauliques
4.1 Introduction
4.2 La chaux
4.2.1 Éléments historiques
4.2.2 Fabrication de la chaux aérienne
4.2.3 Caractérisation et utilisation des chaux aériennes
4.2.4 Les chaux hydrauliques
4.2.5 Cycle de la chaux hydraulique
4.2.6 Propriétés et utilisations des chaux hydrauliques
4.3 Les silico-calcaires
4.4 Le plâtre
4.4.1 Fabrication
4.4.2 Propriétés du plâtre
4.4.2.1 Thermo-hygrométrie
4.4.2.2 Propriétés acoustiques
4.4.2.3 Tenue au feu
4.4.2.4 Plâtre et environnement
4.5 Le clinker
4.5.1 Formulation du clinker
4.5.2 Fabrication du clinker
4.6 Les ciments
4.6.1 Composition des ciments courants
4.6.2 Résistance mécanique des ciments courants
4.6.3 Ciments spéciaux
4.6.4 Propriétés de ciments
4.6.4.1 Surface spécifique de la poudre de ciment
4.6.4.2 Masse volumique de la poudre de ciment
4.6.4.3 Début de prise de la pâte
4.6.4.4 Retrait
4.6.4.5 Épaisseur minimale
4.7 Comparaison des propriétés des chaux et ciments
CHAPITRE 5. Les bétons
5.1 Introduction
5.2 Les différents bétons : compositions, caractéristiques
5.2.1 Généralités
5.2.2 Les granulats
5.2.3 Optimum granulaire d’un mélange
5.2.4 Les adjuvants
5.3 Le béton frais
5.3.1 Comportement rhéologique du béton frais
5.3.2 Le vibrage des bétons
5.3.3 Caractérisation de la plasticité d’un béton frais
5.3.3.1 Méthode d’Abrams
5.3.3.2 Méthode Vébé
5.4 Hydratation des bétons de ciment
5.4.1 Durcissement
5.4.2 Échauffement
5.4.3 Retrait endogène
5.5 Le béton durci
5.5.1 Retrait des bétons
5.5.2 Caractéristiques mécaniques
5.5.2.1 Rôle de la composition sur la résistance
5.5.2.2 Désignation normalisée
5.5.2.3 Élasticité (déformation instantanée)
5.5.2.4 Fluage (déformation différée)
5.5.3 Propriétés thermiques
5.5.3.1 Dilatation thermique
5.5.3.2 Conductivité
5.5.3.3 Capacité calorifique
5.5.3.4 Tenue au feu
5.5.4 Propriétés acoustiques
5.5.5 Résistance aux expositions agressives
5.5.6 Formulation d’un béton à partir du cahier des charges
5.6 Le béton armé
5.6.1 Généralités
5.6.2 Les différents types d’armatures
5.6.3 Adhésion des armatures
5.6.4 Enrobages des armatures
5.7 Le béton précontraint
5.7.1 Généralités
5.7.2 Principe
5.7.3 Mode opératoire
5.7.4 Positionnement des câbles
5.7.4.1 Précontrainte centrée
5.7.4.2 Précontrainte excentrée
5.8 Le béton cellulaire
5.8.1 Généralités
5.8.2 Fabrication
5.8.3 Propriétés
5.8.4 Produits
5.8.4.1 Les blocs
5.8.4.2 Les panneaux
5.8.4.3 Autres produits
5.9 Les éléments préfabriqués en béton
5.9.1 Généralités
5.9.2 Les blocs traditionnels en béton
5.9.2.1 Formes et dimensions
5.9.2.2 Caractérisation mécanique
5.9.3 Les panneaux
5.9.4 Systèmes de plancher
5.9.5 Autres produits
5.10 Les bétons hautes performances (BHP et BTHP)
5.10.1 Généralités
5.10.1.1 Rôle de l’eau
5.10.1.2 Rôle de la granulométrie
5.10.2 Actions du superplastifiant
5.10.3 Performances des BHP
5.11 Les bétons autoplaçants (BAP)
5.11.1 Principe
5.11.2 Formulation
5.11.3 Validation de la formule
5.11.4 Classification des BAP
5.12 Les bétons fibrés et les BFUP
5.12.1 Généralités
5.12.2 Principe
5.12.3 Propriétés et utilisations
5.12.3.1 Fibres organiques :polypropylène
5.12.3.2 Fibres minérales : verre
5.12.3.3 Fibres métalliques : acier
5.12.4 Les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP)
CHAPITRE 6. Les métaux et alliages métalliques
6.1 Introduction
6.2 Avantages et inconvénients des métaux
6.2.1 Une résistance à la traction et une élasticité que n’a pas le béton
6.2.2 Un ratio résistance/poids intéressant
6.2.3 Une mise en œuvre simplifiée
6.2.4 Une bonne conductivité thermique et électrique
6.2.5 Incombustibilité et tenue au feu
6.2.6 Transmission et réverbération acoustique
6.2.7 Tenue dans la durée et résistance à la corrosion
6.3 Les alliages métalliques
6.3.1 Mélanges et combinaisons
6.3.2 Les composés définis
6.3.3 Les solutions solides
6.3.4 Diagrammes de phases
6.4 Les fontes et les aciers
6.4.1 Le fer, généralités
6.4.2 Le fer et le carbone
6.4.3 Élaboration des fontes et des aciers : la sidérurgie
6.4.3.1 Réduction des oxydes dans le haut-fourneau
6.4.3.2 Affinage de la fonte
6.4.4 Microstructures des fontes et des aciers
6.4.5 Demi-produits
6.4.6 Traitements thermiques
6.4.7 Les différents types d’aciers
6.4.8 Les produits finis
6.4.9 Les poutrelles métalliques
6.4.10 Les câbles
6.5 L’aluminium et ses alliages
6.5.1 Généralités
6.5.2 Obtention de l’aluminium
6.5.3 Propriétés mécaniques et physiques
6.5.4 Les alliages d’aluminium
6.5.5 Tenue aux milieux agressifs des alliages d’aluminium
6.5.6 Usages des alliages d’aluminium
6.6 Le cuivre et ses alliages
6.6.1 Généralités
6.6.2 Obtention du cuivre
6.6.3 Propriétés du cuivre
6.6.4 Les alliages de cuivre
6.6.5 Les usages du cuivre
6.7 Le zinc
6.7.1 Généralités
6.7.2 Obtention du zinc
6.7.2.1 Voie pyrométallurgique
6.7.2.2 Voie hydrométallurgique
6.7.3 Propriétés du zinc
6.7.4 Les alliages de zinc
6.7.5 La galvanisation
6.7.6 Les usages du zinc dans le bâtiment
6.8 Le plomb
6.8.1 Généralités
6.8.2 Quelques usages particuliers du plomb
CHAPITRE 7. Le bois et ses dérivés
7.1 Introduction
7.2 Les arbres et les forêts
7.2.1 Les arbres
7.2.2 Les forêts
7.2.3 Gestion durable des forêts
7.3 Structure et composition du bois
7.3.1 Croissance de l’arbre
7.3.2 Microstructure du bois
7.3.3 Composition chimique
7.4 Propriétés physiques du bois
7.4.1 Masse volumique
7.4.2 Hygroscopie du bois
7.4.2.1 Fixation et retrait de l’eau
7.4.2.2 Taux d’humidité du bois
7.4.2.3 Séchage du bois
7.4.3 Propriétés mécaniques
7.4.4 Propriétés thermiques
7.4.4.1 Dilatation thermique
7.4.4.2 Conductivité thermique
7.4.5 Comportement au feu
7.4.5.1 Réaction au feu
7.4.5.2 Résistance au feu
7.4.5.3 Ignifugation du bois
7.4.6 Propriétés acoustiques
7.5 Classification du bois de construction
7.5.1 Classification visuelle
7.5.2 Classification mécanique
7.5.3 Dimensions
7.6 Produits dérivés du bois
7.6.1 Généralités
7.6.2 Les liants
7.6.2.1 Aspects normatifs
7.6.2.2 Adhésifs thermodurcissables
7.6.2.3 Adhésifs thermoplastiques
7.6.2.4 Colles naturelles
7.6.2.5 Liants hydrauliques
7.6.3 Les panneaux
7.6.3.1 Panneaux de particules
7.6.3.2 Panneaux de lamelles orientés (OSB)
7.6.3.3 Panneaux de fibres, panneaux moyenne densité (MDF)
7.6.4 Les plaques et lamelles
7.6.4.1 Le contreplaqué
7.6.4.2 Le lamibois (LVL)
7.6.4.3 Le déroulé-découpé lamelles longues (PSL)
7.6.4.4 Le tranché-découpé lamelles minces orientées (LSL)
7.6.5 Les dérivés du bois scié
7.6.5.1 Le lamellé-collé
7.6.5.2 Le contrecollé
7.6.5.3 Les panneautés
7.6.5.4 Les lamellés-collés aboutés
CHAPITRE 8. Le verre et les vitrages
8.1 Introduction
8.2 Élaboration des verres
8.2.1 Composition des verres
8.2.2 Verre soufflé
8.2.3 Verre coulé
8.2.4 Verre étiré
8.2.5 Procédé de la « glace flottée » (« float-glass »)
8.2.6 Verres thermoformés
8.2.7 Verres trempés
8.2.8 Verres feuilletés
8.2.9 Traitements de surface
8.2.10 La laine de verre
8.3 L’état vitreux
8.3.1 Structure des verres
8.3.2 Transition vitreuse
8.4 Propriétés du verre
8.4.1 Propriétés mécaniques
8.4.2 Propriétés optiques et thermiques, vitrages isolants
8.4.2.1 Facteur solaire (FS)
8.4.2.2 Coefficient de transmission lumineuse (TL)
8.4.2.3 Coefficient de réflexion lumineuse (RL)
8.4.2.4 Propriétés des vitrages
8.4.3 Propriétés acoustiques
8.4.4 Tenue au feu
8.4.5 Stabilité chimique
8.5 Les vitres extérieures : calcul des vitrages
8.5.1 Les trois types de vitrages extérieurs
8.5.2 Bases du calcul
8.5.3 Pression du vent sur les vitrages verticaux
8.5.4 Déformations admissibles
8.6 Les menuiseries pour les vitrages
8.6.1 Fonctionnalités des feuillures
8.6.2 Classement AEV
8.6.3 Réglementation thermique (RT) pour les vitrages
CHAPITRE 9 . Les matériaux dans la durée : dégradations, protection, maintenance
9.1 Introduction
9.2 Paramètres physico-chimiques des détériorations
9.2.1 Rôle de l’eau
9.2.2 Rôle de l’atmosphère
9.2.3 Rôle de la température
9.2.4 Rôle du rayonnement lumineux
9.3 Dégradations et protection des bétons
9.3.1 Carbonatation
9.3.2 Action des chlorures
9.3.3 Action des sulfates
9.3.4 Rôle du gel-dégel
9.3.5 Alcali-réactions
9.3.6 Attaque chimique
9.3.7 Retrait du béton
9.4 Corrosion aqueuse et atmosphérique des métaux, protection
9.4.1 Corrosion atmosphérique
9.4.2 Conditions de la corrosion aqueuse, diagrammes E-pH
9.4.3 Couplages de métaux, série galvanique
9.4.4 Corrosion du fer dans les bétons
9.4.5 Corrosions localisées : piqûres, cavernes, fissures
9.4.6 Protection par passivation des métaux
9.4.7 Prévention : aciers inoxydables et aciers patinables
9.4.8 Protection cathodique du fer et des aciers
9.4.9 Biodétérioration des métaux
9.4.10 Protection contre la corrosion par traitement des surfaces
9.5 Dégradation et protection du bois
9.5.1 L’eau dans le bois
9.5.2 Les déformations du bois : anisotropie de retrait, prévention
9.5.3 Action des champignons, remèdes
9.5.4 Action des insectes, prévention
CHAPITRE 10 . Matériaux de construction et préoccupations sociétales
10.1 Introduction
10.2 Toujours plus de résistance
10.3 Augmenter la durée de vie des constructions
10.4 Diminuer la consommation énergétique
10.5 Améliorer le confort des usagers
10.6 Santé et sûreté de fonctionnement
10.7 Développement durable
Bibliographie
Index
Avant-propos
Très souvent appréhendés de façon intuitive, les matériaux de construction sont parfois mis en œuvre avec l’idée que les bonnes pratiques seront acquises sur le terrain. Un professionnel ne peut pas avoir pareille approche, car il lui faut garantir à ses clients une durée de vie satisfaisante des ouvrages et des fonctions qu’on en attend. C’est pourquoi il est indispensable qu’un technicien ou un ingénieur intervenant dans le domaine du BTP acquière des connaissances de base sur les matériaux à mettre en œuvre et puisse les confronter aux normes et réglementations en vigueur.
Dans un ouvrage précédent, nous avons présenté les différentes fonctionnalités attendues des matériaux employés dans le domaine de la construction, évoqué la façon dont on mesure leur efficacité, et décrit les grands principes qui sous-tendent les réglementations qu’on doit appliquer pour garantir la sécurité, la pérennité, le confort et la santé des bâtiments.
Ce manuel en est le complément. Les différents types de matériaux utilisés tant pour la structure que pour le second œuvre y sont abordés un par un, depuis la caractérisation et l’adaptation des sols jusqu’aux vitrages, en passant par les matériaux de structure, d’isolation et d’enveloppe. Pour chacun de ces matériaux, ses modes d’élaboration sont décrits, ses différentes propriétés fonctionnelles sont évoquées, sa mise en œuvre liée à ses modes d’utilisation est détaillée et ses principales déclinaisons (systèmes multi-matériaux, produits dérivés) sont exposées.
L’ouvrage se termine sur les phénomènes qui entrent en jeu sur la durée de vie ou d’usage des matériaux, en évoquant les méthodes qui permettent d’augmenter la pérennité des ouvrages. Le dernier chapitre est un retour sur les questions d’actualité soulevées par les conséquences sociétales de l’usage des différents matériaux, liées aux perspectives de développement durable.
Ce livre s’adresse à des lecteurs ayant un niveau d’études scientifiques équivalent à celui que l’on acquiert à l’université après un bac + 2. Il ne constitue toutefois qu’une introduction aux matériaux de construction car les questions traitées ne font que survoler cette vaste discipline. Les étudiants en DUT Génie civil ou en début de formation d’ingénieur dans ce secteur devraient pouvoir en tirer profit, comme les étudiants des écoles d’architecture.
Remerciements
Ce travail est le reflet et l’approfondissement du cours que, depuis 2005, je donne à des élèves ingénieurs qui entament à l’Université de technologie de Compiègne leur cycle de formation en systèmes urbains (GSU) ; au départ, les deux notions de matériau et de construction sont étrangères à la plupart d’entre eux.
Dans ce rôle d’enseignant, j’ai succédé à Mathieu Chazelle qui avait mis en place ce module de cours en 2000. J’ai profité de son expertise et de la précieuse documentation qu’il m’a laissée ; je le remercie amicalement et chaleureusement pour sa contribution aussi involontaire que déterminante à la rédaction de cet ouvrage. Enfin, ces remerciements seraient incomplets si je n’y associais pas mes collègues du département GSU à l’Université car je les ai plus d’une fois bousculés pour obtenir d’indispensables informations !
Et, bien sûr, je dédie ce travail à ma famille : Josette, Cécile, Christine, Lucille, Helena, Jérôme, Benoît et Arthur.
L’auteur et l’éditeur remercient pour les documents d’illustration qu’ils ont bien voulu mettre gracieusement à leur disposition : les organismes et les entreprises cités en source et, tout particulièrement, Cimbéton, le CNDB, FCBA en la personne de Didier Luro, et Saint-Gobain.
CHAPITRE 1
Les sols
1.1 Introduction
Avant toute construction (route, immeuble, ouvrage d’art, monument, aménagement), on doit s’assurer que le sol sur lequel on souhaite construire est apte à supporter durablement les charges qui vont lui incomber. Outre la résistance mécanique, il faut s’assurer de la qualité dans le temps des matériaux qui le composent, ainsi que du rôle que le climat peut jouer sur les caractéristiques du sol, notamment avec les variations dues aux périodes de sécheresses et/ou de fortes pluies.
Cela nous amènera ci-après à développer trois approches :
• géologique : une bonne connaissance des différentes roches et de leurs caractéristiques est indispensable pour identifier les matériaux constitutifs des sols et en déduire ses caractères physico-chimiques et mécaniques généraux ;
• géotechnique : une étude des propriétés plus spécifiques du sol d’un point de vue physique, mécanique et hydrologique permet de prévoir le comportement du sol sous l’action des charges et de l’eau ;
• mécanique : une recherche des propriétés des matériaux permet d’en déduire les déformations du sol sous charge, et de tenir compte des résistances à la rupture.
1.2 Les roches en géologie
Le géologue ne distingue pas, contrairement, au géotechnicien, entre les roches (dures et compactes) et les sols (meubles et friables). Il utilise le vocable de « roche » dans tous les cas de figure.
1.2.1 Roches magmatiques
Le magma qui se trouve sous la croûte terrestre est un mélange de roches en fusion sous des fortes températures et des pressions élevées. Ces roches fluides sont mélangées à des gaz. Lors d’éruptions volcaniques ou sous l’effet de pressions tectoniques, ces roches traversent la lithosphère (l’enveloppe solide de la croûte terrestre) et se retrouvent en surface :
• soit elles cristallisent dans la lithosphère puis arrivent en surface après leur solidification : ce sont des roches plutoniques ;
• soit elles cristallisent lors de leur refroidissement à la surface après une remontée rapide : ce sont les roches volcaniques.
Les roches plutoniques sont massives. On y trouve le granit, ayant un caractère acide, tandis que le gabbro a un caractère alcalin ( figure 1.1 a et b ).
Les roches volcaniques sont stratifiées ou en colonnes. On y retrouve les trachytes (caractère acide) et les basaltes (caractère alcalin) ( figure 1.1 c, d et e).

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© DjiggiBodgi.com – Fotolia.com
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© Julien Boyer Malzac – Fotolia.com
a. : gabbro ; b : granit rose ; c : trachytes ; d : basaltes
Figure 1.1. Roches magmatiques.
La finesse des structures est liée à la vitesse de refroidissement du magma :
• si le refroidissement est rapide, le matériau est vitreux (cas de l’obsidienne) ;
• si le refroidissement est moyennement lent, le matériau est microcristallin, et les cristaux sont le plus souvent invisibles à l’œil nu (cas du granit) ;
• si le refroidissement est très lent, les cristaux sont visibles à l’œil nu, avec des dimensions pouvant atteindre plusieurs centimètres (cas des trachytes et des basaltes).
1.2.2 Roches sédimentaires
Comme l’indique leur nom, ces roches sont formées à partir des dépôts (les sédiments) laissés par les eaux qui les ont transportés dissouts puis décantés. Cette formation se déroule donc en trois étapes : la dissolution (à partir soit de roches solubles, soit de décompositions organiques), le transport et le dépôt appelé sédimentation. Une transformation en roche s’opère ensuite sur des longues durées (compaction, cimentation) : la diagenèse.
Cette catégorie de roches présente une diversité très importante. En fonction de leur origine, on peut distinguer :
• celles qui proviennent de la dissolution de débris de roches : les roches détritiques. On y trouve des roches meubles comme le sable, les limons et les argiles, et des roches plus compactes comme le grès ou la pélite ( figure 1.2 ) ;

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a : grès en exploitation
b : cailloux de pélite
Figure 1.2. Roches détritiques.
• celles qui sont à base de calcaire : les roches carbonatées. Ce sont des roches poreuses et facilement solubles dans l’eau. Il y a une importante quantité à la surface du globe. Ce sont essentiellement les calcaires ( figure 1. 3 ) et les marnes (parfois argileuses) ;
• celles issues de précipitations des sels suite à leur concentration dans une eau qui s’évapore : les évaporites. Ce sont des roches facilement solubles, comme le sel gemme, l’anhydrite et le gypse (sulfates de calcium) ;

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a : falaise calcaire (Étretat)
b : morceau de houille
Figure 1.3. Roches carbonatées.

• celles qui proviennent de la décomposition de débris végétaux, transformés avec le temps en sous-sol par la température et la pression : les roches combustibles. Ce sont des roches carbonées, comme la tourbe, les lignites, la houille ( figure 1.3 ) et les anthracites. La dolomite est aussi une roche carbonatée.
1.2.3 Roches métamorphiques
Les roches métamorphiques sont dérivées des roches déjà évoquées, mais elles se sont transformées avec le temps sous l’action de la température et de la pression lors de mouvements tectoniques. Leur structure a donc été modifiée, et si leur environnement chimique s’est modifié, elles ont pu se transformer en composition.

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a : quartz
b : schiste
Figure 1.4. Roches métamorphiques.
On trouve dans cette catégorie quatre types de roches ( figure 1.4 ) :
• le gneiss (un mélange de quartz, de feldspath et de mica) ;
• les quartzites (transformation du mica) ;
• les schistes (transformés en feuillets, fabrication d’ardoises) ;
• les marbres (calcaires ou dolomites transformés).
1.3 Les sols en géotechnique
Selon le pédologue Albert Demolon, le sol est « la formation naturelle de surface, à structure meuble et d’épaisseur variable, résultant de la transformation de la roche mère sous-jacente sous l’influence de divers processus, physiques, chimiques et biologiques, au contact de l’atmosphère et des êtres vivants ». Ainsi, la tourbe par exemple est une roche en géologie, mais un sol en géotechnique.
La décomposition de la roche mère pour aboutir à un sol meuble signifie que cette roche s’est transformée en grains de dimension inférieure à quelques centimètres. L’ensemble du sol est alors composé de ces grains solides – plus ou moins poreux – qui forment son squelette ( figure 1.5 ), mais il comporte aussi du gaz (le plus souvent de l’air, avec ou sans vapeur d’eau) et de l’eau.

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Figure 1.5. Exemple d’un grain de sol.

1.3.1 Le squelette solide
La transformation de la roche peut se faire selon un processus physico-mécanique (broyage) suivi ou non d’une attaque chimique. S’il n’y a pas eu d’attaque chimique, les grains du sol sont de taille généralement supérieure à 2 µm ; dans le cas où une attaque s’est produite, les particules du sol sont plus fines. Pour les grains les plus fins, le squelette est composé d’argile, et le sol a un comportement complexe. En effet, les particules de petites tailles (d < 1 µm) développent une grande surface spécifique qui engendre des forces importantes d’interaction superficielle entre particules.
Selon les diamètres d des particules, une première classification des sols peut être proposée. On la retrouve dans le tableau 1.1 .
Tableau 1.1. Appellation des squelettes solides du sol
Blocs rocheux d > 200 mm
Cailloux 20 < d < 200 mm
Graviers 2 < d < 20 mm
Sables grossiers 0,2 < d < 2 mm
Sables fins 20 µm < d < 0,2 mm
Limons 2 µm < d < 20 µm
Argiles d < 2 µm
1.3.2 Gaz dans les sols
Si le sol est sec, le gaz du sol est de l’air. Il est contenu dans les interstices entre les particules et dans les pores présents dans les grains eux-mêmes. Si le sol est humide, le gaz est un air humide, contenant donc une certaine quantité de vapeur d’eau.
Lorsque tous les vides sont remplis d’eau, le sol est saturé. C’est le cas général dans nos climats tempérés à quelques mètres de profondeur (en dessous du niveau de la nappe phréatique).
1.3.3 L’eau dans les sols
Si les grains ont un diamètre supérieur à 2 µm, on ne tient compte généralement que de l’eau libre, celle qui peut circuler entre les grains et qui s’évapore complètement dans le cas d’une ambiance de sècheresse (en tout cas si la température dépasse 100°C).
Si on est en présence de limons ou d’argile, il y a une certaine quantité d’eau qui reste adsorbée sur la surface des grains, et qui est importante du fait de la superficie développée des grains qui est élevée. Le film d’eau formé autour de chaque grain a un double rôle :
• il joue le rôle d’un lubrifiant entre les grains ;
• il participe aux forces de cohésion capillaires (voir plus loin : « Comportement des sols cohérents » au § 1.3.5.1).
1.3.4 Pondération des sols
Un certain nombre de paramètres pondéraux permettent une première caractérisation des sols. Ils sont basés sur des mesures de masses et de volumes ( figure 1.6 ), et tiennent compte de la présence des phases solide (squelette), liquide (eau) et gazeuse (air et vapeur d’eau).

Figure 1.6. Paramètres de pondération des sols.
À partir de ces informations, on peut déterminer divers paramètres tels que ceux qui sont mentionnés ci-après (ceux avec un astérisque sont calculés au laboratoire et les autres s’en déduisent) :
• les masses volumiques :
– masse volumique sèche : γ d (kN/m 3 ) = Ps/Vt ;
– masse volumique apparente (*) : γ (kN/m 3 ) = Pt/Vt ;
– masse volumique des grains solides (*) : γ s (kN/m 3 ) = Ps/Vs ;
• les indices liés à l’eau :
– teneur en eau (*) : w (%) = 100 × Pw/Ps ;
– degré de saturation : Sr (%) = 100 × Vw/Vv ;
– sols saturés (vides emplis d’eau) pour Va = 0, alors Sr = 100 % et w = W sat ;
– masse volumique saturée : γ sat (kN/m 3 ) = Pt/Vt avec Va = 0 ;
– masse volumique immergée : γ ’(kN/m 3 ) = γ sat – γ w , avec γ w = 10 (densité de l’eau) ;
• les indices des vides :
– porosité : n = Vv/Vt ;
– indice des vides : e = Vv/Vs ;
– indice de compacité (pour les sables) : I d (%) = 100 × (e max – e)/(e max – e min ), e max et e min indices e maxi et mini selon un essai normalisé.
Les valeurs que peuvent prendre ces paramètres sont les suivantes (voir le tableau 1.2 ) :
• γ sat est compris entre 19 et 22 sauf pour les tourbes et les vases ;
• γ ’ est compris entre 9 et 12 sauf pour les tourbes et les vases ;
• I d est compris entre 0 (sable très lâche) et 100 (sable très serré).
Tableau 1.2. Valeurs prises par les paramètres pondéraux

1.3.5 Sols cohérents ou pulvérulents
Les forces qui relient les grains du sol entre eux et apportent une certaine cohérence sont des forces de faible ampleur. Ce sont généralement des forces électrostatiques ou de Van der Waals qui diminuent très vite quand les grains s’écartent les uns des autres. Plus les particules sont petites, plus ces forces sont donc importantes, et plus le sol est cohérent : il résiste à des pressions courantes sans se désagréger.
On peut ainsi distinguer deux types de sols :
• les sols cohérents ou sols fins (d < 20 µm), avec des interactions fortes entre les particules qui sont maintenues en contact. Ce sont les limons et les argiles ;
• les sols pulvérulents ou sols grenus (d > 20 µm), où ce sont les caractéristiques volumiques qui prédominent, sans lien entre les grains. Ce sont les sables et les graviers.
1.3.5.1 Comportement des sols cohérents
La surface spécifique d’un sol correspond à la surface développée de tous les grains du squelette pour une masse donnée du sol. Elle s’exprime en m 2 /g. Plus les grains du sol sont fins, plus cette surface spécifique est importante.

Figure 1.7. L’eau dans les sols.
Quand il n’y a pas d’eau dans un sol :
• soit le sol est grenu et les grains n’adhèrent pas entre eux, et le sol est pulvérulent ;
• soit le sol est fin et les grains sont adhérent entre eux par frottement : le sol se comporte comme un solide. Sous un effort, il se déforme modérément.
Quand il y a de l’eau dans le sol, les grains du sol sont humidifiés. Cette eau se comporte comme un lubrifiant qui diminue les frottements, mais comme les grains sont fins, les interstices entre grains sont fins aussi, et de l’eau peut monter par capillarité bien au-dessus du niveau de l’eau libre ( figure 1.7 ). Cette eau capillaire humidifie aussi les grains qui s’enrobent tous d’un film d’eau par adsorption (film d’eau liée). La stabilité de ce film est assurée par différences de tensions superficielles entre le grain de sol et l’eau.
Alors, si deux grains sont en contact, les deux films d’eau liée interfèrent comme sur la figure 1.8 et les forces de tension superficielles t i de chaque grain donnent une résultante Ri qui tend à rapprocher les grains, ce qui assure leur maintien réciproque, et rend le sol cohérent. Cependant, cette cohérence n’est pas celle du solide : le sol se déforme de façon importante, et de façon irréversible sous l’action d’un effort moyen : il est devenu plastique.
Quand il y a un grand excès d’eau dans le sol, sa consistance tend vers celle d’un liquide par dilution.

Figure 1.8. Forces de cohésion capillaires entre les grains.
On définit ainsi pour les sols trois états possibles :
• l’état solide quand il y a peu ou pas d’eau ;
• l’état plastique pour des quantités d’eau intermédiaires ;
• l’état liquide quand il y a beaucoup d’eau.
1.3.5.2 Limites d’Atterberg
Les limites d’Atterberg sont les teneurs pondérales en eau par masse de sol sec qui correspondent aux transitions entre les trois états définis ci-dessus, exprimées en grammes d’eau par gramme de sol sec ( figure 1.9 ) :
• entre l’état solide et l’état plastique, elle est notée W P , c’est la limite de plasticité ;
• entre l’état plastique et l’état liquide, elle est notée W L , c’est la limite de liquidité.

Figure 1.9. Limites d’Atterberg.
Il en existe une troisième, qui correspond – lorsqu’on assèche progressivement un sol solide – à une diminution du volume correspondant à une perte en eau (retrait du solide), suivie d’un assèchement sans retrait quand l’eau perdue lors du séchage est celle contenue dans les pores du squelette. La transition entre état solide avec retrait et état solide sans retrait est notée Ws. C’est la limite de retrait.
Le principal paramètre déduit des valeurs de ces teneurs limites est l’indice de plasticité IP du sol. Il correspond à l’étendue du domaine de plasticité.
IP = W L – W p
• si IP < 5, le sol n’est pas plastique ;
• si 5 < IP < 15, le sol est moyennement plastique ;
• si 15 < IP < 40, le sol est plastique ;
• si IP > 40, le sol est très plastique.
Pour un matériau avec IP > 30, les terrassements sont difficiles (mise en place, compactage…).
Les méthodes de mesure des ces paramètres font l’objet d’une normalisation européenne codifiée dans l’Eurocode 7 sous la référence CEN/ISO/TS 17892-12.
Le tableau 1.3 fournit trois exemples de valeurs de W et IP.
Tableau 1.3. Indices IP pour les sols fins

1.3.6 Argilosité et propreté du sol
1.3.6.1 La VBS
On définit ici un nouveau paramètre destiné à caractériser le taux d’argile mélangée à du sable. Cela permet de prévoir quelle sera la sensibilité à l’eau du sol destiné essentiellement aux constructions routières. Le test est une mesure de la quantité d’un réactif coloré (le bleu de méthylène) qui peut être adsorbée par les grains du sol. Il est normalisé (NF 11-300) et le résultat s’exprime en grammes de bleu pour 100 g de sol ; il caractérise l’argilosité et s’appelle la VBS (valeur au bleu du sol). En fait, ce test est sensible à la valeur de la surface spécifique des grains.
1.3.6.2 Propreté
Les mesures de propreté consistent à déterminer la quantité d’argile qui peut se trouver mélangée à du sable, ou encore à déterminer la teneur pondérale globale en produits organiques contenus dans un sol. Ces mesures sont effectuées en laboratoire avec des tests normalisés ou à l’aide d’analyses.
L’équivalent de sable (ES ou ESV) est une mesure de la propreté des sables plus ou moins argileux. À l’aide d’un réactif tension-actif, on fait floculer les fines particules d’argile adhérentes aux grains de sable. On mesure la proportion du volume de flocs obtenus par rapport au volume de sable propre après nettoyage.
La teneur globale en matière organique est calculée après analyses (filtration des fines, étuvage, réaction à l’eau oxygénée, puis étuvage encore…). On obtient une teneur pondérale. Cette quantité, si elle est trop importante, rend le sol en l’état impropre à la construction :
• pour plus de 2 % de matière organique, il faut s’attendre au tassement des remblais ;
• pour plus de 5 % de matière organique, l’usage de ce sol est à proscrire.
1.4 Granulométrie et classification des sols
1.4.1 Courbe de granulométrie
La dimension des grains du sol est un paramètre important qui permet de caractériser ce sol de façon claire pour communiquer entre professionnels. Au niveau des définitions, et en fonction des dimensions des grains, on pourra se reporter au tableau 1.1 . Les limons sont souvent dénommés silts ; ce sont des sédiments dont la taille est intermédiaire entre celle du sable et celle des argiles.
Mais un sol possède rarement un squelette composé de grains de dimensions uniques ou même de dimensions voisines, sauf s’il est tamisé. Il faut donc décrire ce sol en tenant compte d’une répartition statistique de ses dimensions. C’est cette répartition qui est appelée granulométrie. Il s’agit non pas d’un nombre caractéristique, mais d’une courbe.
Pour la tracer, on passe un sol dans des tamis successifs empilés, de plus en plus fins. À la fin du tamisage, on mesure la masse de sol qui est restée dans chaque tamis. Si les grains sont très gros (de dimension supérieure à 8 cm), c’est par des mesures de densité que l’opération est effectuée.
Pour un tamis de dimension D, on calcule le pourcentage pondéral x des grains dont la dimension est inférieure à cette valeur D. On trace ensuite la courbe des valeurs de x en fonction de celles de D selon une échelle logarithmique. On obtient ainsi la granulométrie du sol. Une courbe exemple est reportée sur la figure 1.10 .

Figure 1.10. Exemple d’une courbe de granulométrie.

Une fois cette courbe établie, on peut utiliser les indications qu’elle fournit. Pour une valeur de x donnée, on détermine grâce à la courbe la valeur de D correspondante, que l’on note Dx. Sur l’exemple, D 50 correspond à 0,07 mm (= 70 µm), D 10 à 0,001 mm et D 60 à 0,7 mm. Pour D 50 , cela signifie que 50 % de la masse du sol possèdent une dimension de grains qui est inférieure à 70 µm.
Un sol est appelé sol fin s’il comprend au moins 50 % de grains de dimension inférieure à 80 µm. Le sol pris en exemple est donc fin. On dira que la granulométrie est uniforme si D 60 /D 10 est inférieur à 3. Dans le cas contraire, elle est dite étalée. Ce rapport est le rapport de Hazen. Pour notre exemple, il vaut 700, ce qui signifie que la granulométrie est étalée.
1.4.2 Abaque de Taylor
Si un sol contient moins de 30 % d’éléments de diamètre supérieur à 2 mm, on peut désigner un sol en fonction de sa granulométrie : on utilise pour cela un digramme ternaire appelé abaque de Taylor ( figure 1.11 ). Chaque sommet représente 100 % de l’un des trois constituants du mélange : l’argile (le plus fin), le silt (le moyen), le sable (le plus gros). Un point à l’intérieur du triangle correspond à un mélange donné de ces trois constituants, que l’on peut retrouver en se reportant aux trois côtés gradués du triangle. Inversement, pour un mélange donné, on se positionne en un point du triangle, et l’abaque de Taylor indique l’appellation du mélange.

Figure 1.11. Abaque de Taylor. Exemple pour un limon : sable 40 % ; silt 40 % ; argile 20 %.
1.4.3 Abaque de Casagrande
L’abaque de Casagrande permet elle aussi une classification des types de sols, mais en se référant aux critères liés à la plasticité des sols : l’indice de plasticité IP et la limite de liquidité W L . Six catégories de sols sont alors identifiées, comme l’indique la figure 1.12 .
Tableau 1.4. Classification des sols selon la norme NF P 11-300



Figure 1.12. Abaque de Casagrande.
1.4.4 Classification normalisée
La norme NF P 11-300 est destinée classer les sols en fonction des principaux paramètres de la géotechnique, en vue d’examiner l’aptitude des sols à être utilisés comme remblai. Ce classement prend en compte D max , D 35 , la VBS, l’IP, et parfois D 12 et D 70 .
Cette classification fait donc appel à une analyse géotechnique complète du sol, qui comporte classiquement cinq parties :
• la granulométrie ;
• les limites d’Atterberg ;
• la valeur au bleu (VBS) ;
• l’équivalent de sable (ES ou ESV) ;
• la teneur en matières organiques.
Quatre grandes catégories de sols sont proposées par la norme ( tableau 1.4 ) en fonction de la granulométrie et désignées par une des lettres A, B, C ou D :
• A = sols fins ;
• B = sols sableux ou graveleux avec fines ;
• C = sols avec des fines et des gros éléments ;
• D = sols insensibles à l’eau.
Chaque catégorie est ensuite partagée en types de sols en fonction de leur indice de plasticité IP et de leur VBS. Après la lettre est alors ajouté un chiffre. Par exemple, B 5 correspond à des sols de type « sables et graves très sliteux ». On aboutit à quatorze types différents de sols.
1.5 Hydraulique des sols
1.5.1 Charge hydraulique dans un sol saturé
Quand un sol est saturé en eau – ce qui se produit dès que la nappe phréatique est atteinte –, cette eau s’écoule à l’intérieur du sol. Il s’établit avec le temps un régime d’écoulement permanent. Si on a un débit égal à Q à travers une section S du sol ( figure 1.13 ), la vitesse moyenne V de l’eau s’écrit :

Figure 1.13. Écoulement d’eau dans un sol saturé.
L’écoulement permanent est assuré sous une pression u correspondant à une hauteur d’eau équivalente h, appelée charge hydraulique. Cette charge, mesurée en un point M d’altitude z, s’écrit en fonction de y W = ρg, poids volumique de l’eau. La masse d’eau est m = ρSz.
En effet, si la pression u s’exerce sur la surface S à la cote z, la force appliquée sur S s’écrit :
F = u.S. L’autre force est le poids propre de l’eau P = mg.
L’énergie totale du système à la cote z est E T = E P + E C :
E T = (mg+ uS) z+ ( mv 2 /2).
On appelle charge hydraulique en un point M de cote z, notée h(M), la quantité d’énergie par unité de poids. Elle s’exprime en mètres :

Si on détaille la masse de l’eau, on obtient :

En simplifiant :

En utilisant γ w = ρg, on trouve :
h(M) = z + u / γ w + ( v 2 /2 g )
L’écoulement dans les sols étant lent, le dernier terme devient négligeable, et on peut alors écrire :
h(M) = z + u / γ w .
La charge hydraulique en un point M dépend donc de l’altitude (ou cote) du point M et de la pression u exercée par l’eau.

Figure 1.14. Principe du perméamètre.
1.5.2 Gradient hydraulique
Si l’eau s’écoule vers un point M ’ d’altitude z’, celui-ci aura une charge hydraulique différente :
h(M’) = z’ + u’ / γ w
On définit le gradient hydraulique i comme étant la différence de charge rapportée à la distance. Entre M et M’, on écrit :

Plus généralement, on pourra écrire le gradient sous sa forme vectorielle :

D’où l’on déduit le produit scalaire :

1.5.3 Loi de Darcy, perméabilité des sols
Selon la loi de Darcy, il y a proportionnalité entre la vitesse du fluide v et le gradient hydraulique i. La relation vectorielle est :

Le coefficient de proportionnalité K est la conductivité hydraulique du sol, encore appelée coefficient de perméabilité. Elle s’exprime en mètres par seconde ( m / s). K est proportionnel lui-même à la perméabilité k :
K = k / η
Dans cette relation, η est la viscosité dynamique du sol. La perméabilité s’exprime en mètres carrés (m 2 ).
Pour mesurer le coefficient K d’un sol, on utilise un perméamètre, dont le principe est représenté sur la figure 1.14 . On installe un échantillon du sol entre deux supports poreux, de surface S, distants d’une hauteur L et on immerge l’ensemble dans un tube vertical de fluide ayant la même section. On mesure le débit Q nécessaire pour maintenir une différence de niveau h entre la surface supérieure du réservoir de liquide et le niveau de l’écoulement. On en déduit :
• d’une part la vitesse v = Q / S ;
• d’autre part le gradient hydraulique i = h / L.
On obtient le coefficient de perméabilité K (en m/s) en faisant le rapport de ces deux valeurs. Le tableau 1.5 fournit quelques valeurs de ce coefficient pour différents types de sols.
Tableau 1.5. Ordres de grandeur des conductivités hydrauliques et des perméabilités selon les types de sols Type de sols Coefficient K (m/s) Perméabilité
Graviers 10 -1 à 10 -3
Très élevée
Sable moyen 10 -3 à 10 -5
Assez élevée
Sable très fin 10 -5 à 10 -7
Faible
Limon compact 10 -7 à 10 -9
Très faible
Argile franche 10 -9 à 10 -12
Imperméable
1.6 Propriétés mécaniques des sols et cohésion
1.6.1 Compressibilité
Les sols sont plus ou moins compressibles de façon élastique. Les déformations provoquées par la compression sont normales et tangentielles : il y a donc un cisaillement qui fera l’objet du paragraphe suivant. Les modules d’élasticité peuvent prendre des valeurs très différentes suivant le type de sol, allant de plusieurs centaines de MPa à seulement 100 kPa. On trouvera dans le tableau 1.6 des exemples montrant cette diversité.
Tableau 1.6. Modules d’élasticité en compression pour quelques sols Type de sol Module de Young (MPa)
Sable 10 à 300
Argile durcie 1,5 à 10
Argile souple 0,1 à 1
1.6.2 Cisaillement par compression
Pour les sols compacts – ceux qui possèdent un petit indice des vides –, la courbe représentant les déformations τ observées par cisaillement sous déformation ε ( figure 1.15 ) passe par un maximum τ max avant de redescendre vers une valeur limite τ lim . La valeur de τ max définit la résistance au cisaillement du sol.
Pour les sols peu compacts – ceux qui possèdent un indice des vides élevé –, la courbe effort-déformation croît jusqu’à une limite supérieure. La valeur de τ max est alors définie conventionnellement comme étant celle qui correspond à une déformation de 20 %.

Figure 1.15. Courbes effort-déformation par cisaillement sous compression de deux types de sol : compact et peu compact.
Un traitement des résultats de ces essais permet de tracer les courbes établissant la corrélation entre les contraints normales σ et les contraintes de cisaillement τ. Avec les deux types de sol, la corrélation est effectivement linéaire, mais les deux droites sont différentes ( figure 1.16 ). Les angles φ 1 et φ 2 de ces droites avec l’axe horizontal ont pu être identifiés comme représentant les angles de frottement interne du sol considéré.
On obtient alors une relation simple entre ces deux contraintes :
τ = σ tan φ.
Si le sol est humide ou contient des grains qui s’agglomèrent, les droites de la figure 1.15 ne passent plus par l’origine. Leur équation a donc changé :
τ = C + σ tan φ.

Figure 1.16. Comparaison des contraintes normales et de cisaillement.
La constante C est la cohésion du sol :
• si C est nul quand φ ne l’est pas, le sol est pulvérulent ;
• si C est non nul alors que φ est nul, le sol est purement cohérent ;
• si C est non nul et φ non nul, le sol est quelconque.
1.6.3 Contraintes admissibles
Les règlements définissent trois qualités de résistance suivant les types de sol : une bonne, une moyenne et une mauvaise. Les terrains de mauvaise qualité sont impropres (en l’état) à la construction. Le tableau 1.7 fournit des indications sur les charges admissibles en fonction du type de sol.
Tableau 1.7. Résistance et stabilités des sols

1.7 Techniques de renforcement des sols meubles
Outre pour la prévention des séismes, les techniques de consolidation des sols sont largement utilisées dans les cas de projets de constructions ou d’aménagements sur des terrains hétérogènes ou instables. Ces techniques font appel à des procédés diversifiés qui sont choisis en fonction du type de sol et des charges qu’il est destiné à supporter. On distingue cinq types de méthodes : le drainage, la congélation, le compactage, la consolidation par colonnes et le traitement chimique.
1.7.1 Le drainage
1.7.1.1 Le drainage vertical
Si le terrain doit être asséché, on doit envisager de le drainer de façon pérenne. La technique la plus simple consiste à enfoncer verticalement dans le sol à intervalles réguliers des longues plaquettes solides revêtues d’un géotextile synthétique choisi en fonction de ses capacités d’absorption d’eau et de sa résistance à l’abrasion ( figure 1.17 ). Alors, ce textile agit comme un papier buvard, et accumule l’humidité. Un dispositif de collecte des eaux accumulées est à prévoir au pied de chaque colonne, accompagné si nécessaire d’un pompage.
Pour installer ces plaquettes, on peut les enfoncer de force dans le sol, parfois avec des vibrations, ou bien effectuer un forage vertical qui sera ensuite comblé avec du sable.

Figure 1.17. Drainage vertical.

Figure 1.18. Drainage sous vide.
1.7.1.2 Le drainage sous vide
La technique consiste à confiner le volume de sol à traiter à l’aide d’une membrane étanche à l’air, puis de faire baisser la pression de l’air dans le sol confiné, à l’aide de pompes adaptées (pompes à air et à eau) qui font baisser la pression d’air ( figure 1.18 ). Le vide est transmis à l’intérieur de tubulures implantées verticalement dans le volume de terrain à traiter. Le terrain se retrouve en dépression. Sous l’effet de cette dépression combinée à l’action de la pression atmosphérique s’exerçant sur la membrane périphérique et autour du volume de sol traité, l’eau remonte vers la surface où un dispositif de drainage permet son évacuation.
1.7.2 La congélation
La congélation des sols en vue de leur consolidation n’est pas un procédé pérenne. Il nécessite d’utiliser les techniques du froid qui sont nécessairement appliquées de manière provisoire, généralement durant la période d’un chantier sensible. Cette méthode est particulièrement onéreuse et n’est applicable que lors de gros chantiers sur des terrains aquifères qui seraient dangereux sans cette consolidation. L’efficacité du traitement est très dépendante de la perméabilité des différents sols rencontrés. Deux grandes techniques sont pratiquées, qui peuvent aussi être combinées, en injectant de l’azote liquide dans le circuit primaire de la méthode fermée.
1.7.2.1 La méthode ouverte
On commence par installer, après forage vertical à intervalles réguliers, des tubulures coaxiales qui sont reliées en série comme sur la figure 1.19 . Un camion citerne livre de l’azote liquide à – 196 °C sous 5 bars et le transfère dans les sondes. L’azote circule dans les sondes entre les tubulures coaxiales, et refroidit le sol environnant, qui gèle. Si le terrain est favorable et si les sondes sont convenablement implantées, le terrain est congelé au bout de 2 à 3 jours, avec une très bonne résistance à la compression (jusqu’à 5 MPa).

Figure 1.19. Congélation méthode ouverte.
1.7.2.2 La méthode fermée

Figure 1.20. Congélation méthode fermée.

Dans un circuit frigorifique primaire fermé, de l’ammoniac gazeux est comprimé puis condensé ( figure 1.20 ). Le liquide obtenu est détendu puis passe à l’évaporateur avant de retourner au compresseur. L’énergie consommée lors de l’évaporation est retirée à de la saumure concentrée qui se refroidit. Cette saumure froide circule dans un circuit secondaire où elle transite dans des sondes en contact avec le sol. La température du sol peut alors descendre jusqu’à – 25 à – 30 °C. La congélation est bien plus longue qu’avec la méthode ouverte (2 à 3 semaines), mais le coût est bien moindre.
1.7.3 Le compactage
1.7.3.1 Le compactage dynamique ( figure 1.21 )
Le concept est simple : pour compacter un sol meuble, on le pilonne avec une énergie suffisante pour d’abord le déstructurer, puis faire en sorte qu’il se restructure en devenant plus dense. La surface est maillée, et l’opération peut se mesurer en semaines. La durée est fonction de la superficie à traiter. Le pilon est une sphère, un cube ou un cylindre qui peut peser de huit à plusieurs dizaines de tonnes. C’est en général un contenant en acier résistant, rempli de béton armé. Il est porté à des hauteurs comprises entre 10 et 20 m, pouvant aller jusqu’à 30 m, avant d’être lâché.
L’énergie à apporter varie comme le cube de la profondeur à traiter. Elle peut aller de 2 à 20 mégajoules. On peut traiter des sols granulaires jusqu’à 5 à 10 m de profondeur.
1.7.3.2 Le vibro-compactage ( figure 1.22 )
Un sol lâche peut être compacté en profondeur en utilisant une aiguille vibrante introduite dans un terrain granulaire. Cette technique provoque dans un laps de temps très court une liquéfaction du sol, suivie d’un tassement qui conduit à sa compaction. La liquéfaction est due à des surpressions localisées qui détruisent les liaisons entres les grains, liaisons créées par les énergies de surface.
Les paramètres qui contrôlent ce procédé sont tous liés à la vibration :
• sa fréquence ;
• sa puissance ;
• le temps de vibration par couche traversée.

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Figure 1.21. Compactage dynamique.

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Figure 1.22. Vibro-compactage.

Un flux d’eau est entretenu pendant toutes les opérations : il facilite la restructuration de terrain traité. Le tassement est combattu par un apport de sable ou de gravier dans la cavité créée, et l’eau facilite aussi leur mise en place.
Ce procédé convient aux sols granulaires non cohérents (sable, gravier), dont la teneur en particules fines (argilosité) est inférieure à 12 à 15 %. Le terrain est densifié dans un volume cylindrique de 2 à 4 m de diamètre.
1.7.4 La consolidation par colonnes
1.7.4.1 Les plots et colonnes ballastés
1.7.4.1.1 Les plots
On utilise des élévateurs comme pour un compactage dynamique ( figure 1.21 ) pour créer des colonnes de 2 à 3 m de diamètre de matériau très compacté, appelées plots ballastés. Les conditions sévères du pilonnage (masses de plus de 20 t, hauteurs de chute de plus de 20 m), souvent combinées avec un vibro-compactage, font pénétrer le plot qui peut descendre à plus de 10 m de profondeur.

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Figure 1.23. Principe de la mise en place d’une colonne ballastée.
1.7.4.1.2 Les colonnes
Dans le cas de sols cohérents (argiles, limons), on commence par effectuer un forage initial qui permet d’introduire dans le sol un vibreur placé en bas d’un tube de soutien. La vibration refoule les grains du sol, et le vibreur s’enfonce en forant le sol. Au cours de la remontée, on injecte du gravier soit par la tubulure, soit à l’aide d’une pompe à gravier ( figure 1.23 ). Les colonnes obtenues de gravier compacté sont espacées de 2 à 3 m, et ont des profondeurs qui peuvent aisément dépasser 5 m. Le procédé dit par voie humide utilise un vibreur immergé dans l’eau.
1.7.4.2 Le jet de coulis
Ce procédé est couramment appelé jet grouting : la consolidation du terrain est obtenue par injection sous haute pression d’un coulis de ciment dans la masse du sol. On commence par pratiquer un forage de petit diamètre qui permet d’introduire une tête de forage jusqu’au niveau de la base du sol à traiter. Au cours de la remontée, on envoie sous environ 450 bars le coulis dans la tête qui est alors animée d’un mouvement rotatif ( figure 1.25 ) La haute pression appliquée par la foreuse commence par déstabiliser le sol, ce qui facilite la mise en place ultérieure du mélange.

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Figure 1.24. Colonnes de jet de coulis.

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Figure 1.25. Tête de forage sous pression.
On obtient finalement des volumes colonnaires contenant un mélange sol-ciment. Les colonnes de mélange atteignent jusqu’à 2 m de diamètre ( figure 1.24 ).
1.7.5 La consolidation chimique
Il s’agit dans ce cas de traiter un sol qui contient des quantités d’eau trop importantes. Un épandage de chaux vive ou de ciment permet de consommer une partie de l’eau qui est utilisée dans la formation de carbonates ou de ciments hydratés solides qui renforcent la résistance mécanique du sol. Cette technique ne permet pas de traiter le sol sur des grandes profondeurs.

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Figure 1.26. Malaxage de la terre avec la chaux.

Le mélange est réalisé à l’aide de broyeurs tractés par des engins de chantier ( figure 1.26 ). Les applications principales du traitement à la chaux concernent la construction de sous-couches de routes, de remblais ou de talus. Celles du traitement au ciment sont plus variées : on y ajoute les pistes d’aéroport, les sols de halles, les terrains de sport…
Les ciments haut de gamme ne sont pas indispensables, et on peut aussi utiliser des mélanges avec des ciments à base de laitier ou des cendres volantes.
L’utilisation de chaux éteintes est possible, mais la consommation d’eau devient beaucoup plus réduite.
CHAPITRE 2
Les pierres
2.1 Introduction
« Investir dans la pierre » est une expression qui signifie qu’une personne place une partie de sa fortune dans l’immobilier en espérant tirer profit de ce placement. Dans une telle sentence, la pierre est assimilée à un patrimoine construit. Cela met en évidence l’importance que ce matériau a prise dans le domaine de la construction. Depuis notre plus tendre enfance, chacun connaît l’histoire des trois petits cochons, où l’on nous fait comprendre que seules les maisons en pierre résistent aux agressions. Selon notre tradition, les meilleures constructions sont donc en pierre.
Depuis la plus haute Antiquité, les monuments qui devaient durer ont en effet été érigés en pierre ( figure 2.1 ) : les pyramides d’Égypte, les menhirs et dolmens des Celtes en sont des exemples, mais aussi les grands monuments grecs ou romains, les châteaux forts du Moyen

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Figure 2.1. Des imposants monuments en pierre : les pyramides d’Égypte.

Âge, puis ceux de la Renaissance, et beaucoup d’autres. Souvent, certains châteaux en ruine ont servi de carrière de pierres pour les constructions du village le plus proche.
On a aussi utilisé des pierres pour les toitures : de la lauze dans certains secteurs montagneux ( figure 2.2 ) ou des ardoises dans une bonne partie de la France ( figure 2.3 ). Si les lauzes ne sont plus mises en place que pour restaurer des toitures anciennes, on a parfois recours aux ardoises naturelles sur des couvertures modernes.

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Figure 2.2. Couverture en Lauzes.

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Figure 2.3. Toiture en ardoises.
Pour des raisons évidentes, on a construit de préférence avec des pierres de la contrée, et leur diversité géologique a donné à chacune de nos régions un cachet différent. De nos jours, l’usage de la pierre est plus limité. Ce matériau confère toujours du cachet aux constructions, mais son coût élevé – tant à l’achat que pour la mise en œuvre – dissuade le maître d’ouvrage de concevoir une construction en prenant de la pierre comme matériau de structure. Aussi, on l’emploie souvent pour la restauration des monuments ou celle des constructions traditionnelles. Elle est aussi utilisée comme élément de décoration d’une façade ou d’un mur intérieur, souvent sous forme de revêtement.
2.2 Nature des pierres à bâtir
En France, à chaque région correspond sa formation géologique : magmatique, sédimentaire ou métamorphique, qui permet un grand choix de roches à bâtir, mais souvent lié au secteur géographique de la construction, ce qui réduit de beaucoup les frais de transport de ce matériau lourd. Parfois, la réglementation locale impose un usage minimal de pierre régionale sur les façades des bâtiments. On utilisera différentes roches.
2.2.1 Basalte ( Figure 2.4 )
Pierre d’origine éruptive, cette roche est issue des carrières de volcans éteints, où la lave s’est lentement solidifiée. Il existe d’autres pierres de lave (comme l’ andésite). Le basalte est une pierre très dure, et présente des porosités qui dépendent du type et de l’origine du matériau.
Les plus grandes exploitations du basalte sont localisées aux États-Unis (Hawaï), en Inde, en Irlande et en France (Vivarais en Auvergne).
Parmi les roches volcaniques, on trouve aussi le trachyte. Les trachytes sont riches en feldspaths alcalins et ont une teneur assez élevée en silice. Ils sont issus d’éruptions à caractère explosif.

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Figure 2.4. Vieille maison en pierres basaltiques (Vivarais).

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Figure 2.5. Maisonnette bretonne en granite.
2.2.2 Granite ( Figure 2.5 )
Le granite est une roche magmatique plutonique qui effleure le sol à la suite d’une importante érosion. Il est formé de petits cristaux millimétriques. Très courant, il est composé de silicates (quartz, feldspath et mica, environ 75 %), d’alumine (environ 15 %) et d’autres oxydes métalliques (environ 10 %) qui le colorent en fonction de l’oxyde. Si ce matériau a été utilisé pour construire des bâtiments, il est de nos jours surtout employé comme élément décoratif, ou pour des usages plus ponctuels (monuments funéraires, dallages, bordures…).
La serpentine est aussi une roche plutonique, mais elle a été hydrolysée.
2.2.3 Calcaire ( Figure 2.6 )
Roche sédimentaire comprenant majoritairement du carbonate de calcium, le calcaire est une roche très répandue en France et dont l’exploitation donne lieu à l’existence de nombreuses carrières à travers tout le territoire. On le trouve sous deux formes : la calcite ou l’aragonite, associé parfois à de la dolomite, qui est un carbonate mixte de calcium et de magnésium.

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Figure 2.6. Carrière de calcaire.

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Figure 2.7. Construction en tuffeau: le château de Saumur, Maine et Loire.

À titre d’exemples, on trouve dans la Beauce des habitations de moellons calcaires extraits du sous-sol, ainsi que dans le sud du Berry où le calcaire fournit les matériaux d’imposants corps de ferme. Entre Touraine et Anjou, c’est le tuffeau des coteaux voisins qui est utilisé, tant pour les habitations traditionnelles modestes que pour les châteaux de la Loire ( figure 2.7 ).
Le tuffeau est une roche sédimentaire marine calcaire, que l’on trouve dans le Val de Loire. Transportés par les eaux de rivière, des fragments de roches calcaires et des restes d’organismes vivants (coquillages) se sont déposés sur les berges (calcaire conchylien). Leur entassement pendant des millions d’années les a compactés et cimentés. La roche exploitée permet d’obtenir des pierres blanches utilisées pour construire des bâtiments.
Le travertin est une pierre issue directement du dépôt de solide à partir d’eaux de source ou de ruisseau saturées en carbonates. Le dépôt peut avoir lieu sur tout objet, minéral ou végétal qui se trouve ainsi « pétrifié » ( figure 2.8 ). Ce matériau blanc a été très utilisé par les Romains de l’Antiquité à la Renaissance pour les constructions. Son usage actuel est beaucoup plus limité : dalles, escaliers, revêtements…
2.2.4 Meulières ( Figure 2.9 )
Une pierre meulière est une roche sédimentaire siliceuse utilisée jusqu’au XIX e siècle pour fabriquer des meules à grains, d’où son nom. Une meulière est le nom donné à certains pavillons construits entre 1870 et 1930, typiques de la région parisienne, qui utilisaient ce matériau et qui se singularisaient par leur style architectural soigné et leurs ornementations alors en vogue, inspirés par l’Art nouveau. Cette pierre comporte des porosités assez volumineuses pour lui communiquer un certain pouvoir d’isolation qui était très apprécié. L’extension de l’utilisation de la meulière est liée au développement de nouvelles techniques de taille à la fin du XIX e siècle, permettant de découper cette variété dure de calcaire, en la mettant en œuvre sans enduit.

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Figure 2.8. Dépôt de travertin à Pamukkhale (Turquie).

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Figure 2.9. Exemple de « meulières » de la banlieue parisienne.
2.2.5 Grès
Le grès est une roche sédimentaire détritique très répandue (deuxième en France après le calcaire) formée de plus de 85 % de grains de quartz ou de sable assemblés par un ciment qui peut être de base silice ou calcaire. Il est de couleur blanchâtre à gris clair, parfois teinté (vert ou rouge). Le grès des Vosges est le plus réputé. Le grès fut très employé pour construire dans des villes comme Strasbourg, ou pour les murs de Carcassonne. Il est actuellement utilisé pour la fabrication de pavés, car il est plus résistant à l’usure que le calcaire.
2.2.6 Gneiss
Le gneiss est une roche métamorphique contenant du quartz, du mica et du feldspath. La roche est striée par une foliation, alternance de petites bandes claires et sombres. Dans les zones claires, on trouve le quartz et le feldspath. Les zones sombres contiennent du mica. Cette pierre est surtout utilisée pour les revêtements de murs et pour quelques aménagements intérieurs ou extérieurs (dallages, décors…).
Le quartzite provient d’une métamorphose de grès anciens.
2.2.7 Schistes
Il existe deux sortes de schistes : le schiste argileux sédimentaire et le schiste métamorphique. Le premier n’est pas utilisable pour la construction, car il est constitué de feuillets qui peuvent contenir des produits organiques donnant naissance aux gaz de schistes. Le second est lui aussi en argile, mais transformé sous l’action de la pression et de la température. Il est structuré en lamelles parallèles de fine épaisseur.
Les pierres de schistes ont été utilisées en tant que moellons pour la construction. Les fortifications du château d’Angers en sont un exemple. L’ardoise est une variété de schiste qui se délite en lauzes très fines pour les toitures (les ardoises) ou pour le bardage des façades.
2.2.8 Marbres
Le marbre est une roche métamorphique dérivant d’une transformation cristalline du calcaire ou de la dolomie, sous l’effet de la pression et de la température. Il a la particularité de prendre un poli réfléchissant. Depuis l’Antiquité, il est utilisé dans la construction de monuments de prestige (château de Versailles, Taj-Mahal, Parlement hongrois…).
Il existe une grande variété de marbres, car son aspect « marbré » et ses coloris sont dus à la présence d’inclusion d’oxydes métalliques. Le gisement de Carare (Italie) est mondialement connu. Il en existe aussi en France ( figure 2.10 ), principalement dans la moitié sud-est (Bourgogne, Alpes, Pyrénées, Corse).
Deux remarques s’imposent :
• toute pierre bien polie n’est pas nécessairement du marbre ;
• on sait faire du revêtement de faux marbre : le stuc. En fait, c’est un mélange de marbre en poudre avec de la chaux (et/ou du plâtre), qui après polissage prend l’aspect de la pierre polie.

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Figure 2.10. Carrière de marbre.

2.3 Extraction et conservation
2.3.1 Extraction
L’extraction des pierres à bâtir depuis le sol s’effectue le plus généralement dans des carrières à ciel ouvert ( figures 2.6 , 2.10 et 2.11 ), mais il existe aussi quelques galeries souterraines. Les veines peuvent être exploitées :
• horizontalement comme sur la figure 2.6 (bancs en lits) ;
• verticalement (bancs en délits).
La pierre extraite a des caractéristiques variables en fonction de la profondeur à laquelle elle était située dans le gisement, car la pression qu’elle y a subie n’a pas la même intensité.
La technique la plus courante consiste à effectuer des forages dans lesquels on introduit un explosif qui « casse » la roche, puis à extraire des blocs par sciage avec de gros engins (les haveuses) ou bien à l’aide de jets d’eau sous haute pression, pour terminer la taille régulière sur place. Ces gros blocs sont ensuite débités en atelier à l’aide de disques diamantés pour être mis aux dimensions souhaitées pour la vente ( figure 2.12 ).

Figure 2.11. Schéma en coupe d’une carrière de pierre.
2.3.2 Conservation
L’opération d’extraction s’avère délicate et peut conditionner le comportement ultérieur de la pierre, car elle s’accompagne d’un changement radical de l’environnement du matériau :
• décompression importante, qui peut entraîner la formation de décohésions dans la matière : fissures, tapures, clivages, délitements… ;
• modification des températures, avec des cycles jour-nuit qui occasionnent des cont