Mecanique des sols

La mécanique des sols est une discipline faisant partie des techniques de génie civil qui a pour objet l'étude des matériaux constitués de particules solides, liquides et gazeuses qui forment les terrains meubles, et ce en préambule au calcul de fondations pour la construction de bâtiment ou tout autre ouvrage de génie civil (pont, route, tunnel, barrage,...). Cette discipline exclut donc le comportement des roches, qui sont étudiées au sein de la mécanique des roches. (Notons également l'existence du terme de géomatériaux cimentés pour désigner les matériaux intermédiaires entre les sols meubles et les roches dures). Cette discipline est utilisée plus largement en géotechnique, discipline et profession traitant de l'interaction sol-structure.

Le sol est donc meuble et compressible. Ces caractéristiques mécaniques des sols fondent les grands principes de la mécanique des sols et de la mise en place des fondations des ouvrages.

Nous sommes habitués à percevoir l'ensemble de notre environnement bâti comme un ensemble rigide, immeuble. Nous observons donc une contradiction  : nos immeubles seraient-ils bâtis sur une matière meuble ? Afin de lever cette contradiction, il est nécessaire de faire deux remarques :

• La notion de rigidité n'est valide que relativement à des structures plus souples. C'est le rapport des modules d'élasticité de deux matériaux qui permet de définir si l'on peut considérer, localement, l'un des deux comme rigide et l'autre comme élastique.
• Si un sol doit être vu, de manière théorique, comme un matériaux meuble, cet aspect de déformabilité a ses limites. Les techniques de mise en œuvre des fondations auront pour but final d'amener le sol à sa limite de déformabilité (consolidation). (Le maintien d'un sol dans les conditions de la limite de déformabilité n'est pas garanti. La présence d'eau en mouvement dans le sol est source de modifications structurelles et peut représenter un risque quant à la stabilité d'un sol.)

Il faut donc réfléchir en deux temps :

• Un sol sera donc considéré comme meuble pendant les phases de remaniement, et
• comme incompressible après effort de consolidation.

Cette optique nous permettra de construire côte à côte, à des moment différents, des ouvrages de poids différents, sans craindre de mettre en danger la stabilité, ni le maintien de l'esthétique.

Notions fondamentales

La mécanique des sols définit tout d'abord, pour construire les modèles qui lui seront utiles, des notions qui lui sont propres. On considère donc un échantillon de sol constitué d'une phase solide, d'une phase liquide, et d'une phase gazeuse.

• La phase solide est aussi appelée matière solide, ou grains, l'abréviation qui la concerne dans les notations mathématiques est 's'.
• La phase liquide est, quant à elle, principalement constituée d'eau, au sens commun du terme. Son abréviation est 'w'.
• La phase gazeuse est constituée le plus souvent par l'air de l'atmosphère. En un premier temps, le cas du gaz naturel sous pression n'est pas étudié. Le poids de l'air est négligé dans les calculs.

Ensemble, les phases liquide et gazeuse constituent ce qu'il est convenu d'appeler les vides, par opposition à la matière solide des grains.

On définit tout d'abord les volumes liés aux constituants d'un échantillon:

• Le volume de l'échantillon non traité est noté Ve.
• Le volume de la matière solide constituant les grains, aussi appelé volume des grains, est noté Vs.
• Le volume de liquide, otg est noté Vw.
• Le volume des vides, constitué de la somme du volume d'eau (phase liquide) et du volume d'air, est noté Vv.

Viennent ensuite les définitions des poids de ces constituants:

• Le poids de l'échantillon non traité, aussi appelé poids apparent, et noté Wh. (h pour « humid »)
• Le poids des grains, ou poids de la matière solide, est noté Ws.
• Le poids du liquide, équivalent, par hypothèse générale, au poids de l'eau présente dans l'échantillon, est noté Ww.
• Par hypothèse, également, le poids de la phase gazeuse est considéré comme nul. Il n'y a donc pas de symbole qui lui soit lié.

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