Pour lire une étude de sol, deux familles suffisent : les sols cohérents (argiles, limons argileux) et les sols pulvérulents (sables, graves). Les limites d'Atterberg et leurs indices permettent de situer une argile, de mesurer sa sensibilité à l'eau et d'anticiper ses effets sur un projet.
Deux familles de sols
| Caractéristique | Sols cohérents (argiles, limons argileux) | Sols pulvérulents (sables, graviers) |
|---|---|---|
| Taille des grains | Très fins (argile : moins de 2 µm) | Grains visibles, de 0,06 mm à plusieurs centimètres |
| Résistance au cisaillement | Cohésion c + frottement | Frottement essentiellement |
| Comportement à l'eau | Forte sensibilité : plasticité, retrait, gonflement | Perméables, peu sensibles au gonflement |
| Tassement | Lent (consolidation), parfois important | Rapide et généralement limité |
| Terrassement | Collant en période humide | Éboulement des parois à sec |
La résistance d'un sol se décrit par la relation de Mohr-Coulomb : τ = c + σ′ · tan φ, où τ est la résistance au cisaillement, c la cohésion, σ′ la contrainte effective et φ l'angle de frottement interne. Dans un sable, c est nulle ; dans une argile, c et φ contribuent selon la vitesse de sollicitation et le drainage.
L'argile, un sol fin qui boit l'eau
Les minéraux argileux forment de minuscules feuillets qui fixent l'eau. Selon la quantité d'eau, l'argile passe d'un état dur à un état plastique, puis liquide. Trois familles se rencontrent fréquemment :
- la kaolinite, peu sensible à l'eau ;
- l'illite, de sensibilité moyenne ;
- la smectite (dont la montmorillonite), très gonflante.
C'est la présence de minéraux gonflants qui provoque le retrait-gonflement (argiles gonflantes). Un sol argileux se comporte très différemment selon son état hydrique, d'où l'importance de mesurer sa teneur en eau à la date des sondages.
Ce que la cohésion change pour un projet
- Fondations superficielles : sur argile plastique, ancrer les semelles sous la zone active ou adopter une autre solution (étude G2 AVP ou PRO) ;
- Tassements : les argiles molles tassent lentement, parfois sur des années (consolidation) ;
- Terrassements : une argile humide est collante et peu réutilisable, une argile sèche dure comme de la brique ;
- Talus et soutènements : la cohésion stabilise un talus… tant que l'eau ne la dégrade pas (stabilité de pente) ;
- Désordres sur existant : les fissures saisonnières trahissent un sol cohérent sensible à l'eau (fissures sur une maison).
Les limites d'Atterberg, expliquées
Les limites d'Atterberg repèrent les teneurs en eau qui séparent trois états d'un sol fin.
- Limite de liquidité (wL) : teneur en eau à laquelle le sol s'écoule sous une sollicitation standard ;
- Limite de plasticité (wP) : teneur en eau en dessous de laquelle le sol ne peut plus être façonné en fins rouleaux sans se rompre ;
- Limite de retrait (wS) : teneur en eau en dessous de laquelle le sol ne diminue plus de volume en séchant.
Les essais sont normalisés (série NF EN ISO 17892, notamment la partie 12 pour les limites d'Atterberg). Ils se réalisent sur la fraction fine du sol, en laboratoire (essais géotechniques).
Trois indices : IP, IL, Ic
| Indice | Formule | Ce qu'il exprime |
|---|---|---|
| Indice de plasticité IP | wL − wP | Étendue de l'état plastique : plus IP est grand, plus le sol est argileux et sensible à l'eau |
| Indice de liquidité IL | (w − wP) / IP | Position de la teneur en eau naturelle w par rapport à l'état plastique |
| Indice de consistance Ic | (wL − w) / IP = 1 − IL | Fermeté du sol : proche de 1, ferme ; proche de 0, mou ; négatif, liquide |
Dans la classification des sols pour les terrassements (NF P 11-300, GTR), les sols fins des classes A1 à A4 sont classés selon l'indice de plasticité : A1 jusqu'à IP ≤ 12 (peu argileux), A2 de 12 à 25, A3 de 25 à 40 et A4 au-delà de 40 (très argileux). Plus IP est élevé, plus le sol est plastique, sensible à l'eau et collant en terrassement.
Un jeu de résultats, lu pas à pas
Supposons qu'un échantillon d'argile prélevé sur un terrain donne, en laboratoire, une limite de liquidité wL = 55 %, une limite de plasticité wP = 25 % et une teneur en eau naturelle w = 30 %. On en déduit :
- l'indice de plasticité : IP = 55 − 25 = 30 ;
- l'indice de liquidité : IL = (30 − 25) / 30 ≈ 0,17 ;
- l'indice de consistance : Ic = (55 − 30) / 30 ≈ 0,83.
Lecture : avec un IP de 30, le sol relève de la classe A3 de la NF P 11-300 (sol argileux) ; l'indice de consistance proche de 1 indique un état plastique ferme. La teneur en eau est encore proche de la limite de plasticité : si elle diminue en période sèche, l'argile va se rétracter ; si elle augmente, elle s'assouplit. Ce couple « argile plastique, teneur en eau proche de wP » est typique d'un sol sensible aux variations saisonnières.
| Paramètre | Valeur | Interprétation |
|---|---|---|
| IP | 30 | Argile plastique, sensibilité marquée à l'eau |
| Ic | 0,83 | Consistance ferme, portance correcte à l'état actuel |
| Classe GTR | A3 | Difficile à terrasser en période humide, réutilisation en remblai conditionnée |
| Point d'attention | w proche de wP | Risque de retrait si assèchement, à confronter à la profondeur des fondations |
Ces valeurs ne suffisent pas à décider d'une fondation : elles orientent la suite (essais de gonflement, profondeur de la zone active, profil de nappe).
Sensibilité d'une argile
La sensibilité compare la résistance d'une argile intacte à sa résistance après remaniement : St = cu intact / cu remanié. Une argile peu sensible garde l'essentiel de sa résistance lorsqu'on la perturbe ; une argile très sensible s'effondre. Les classes usuelles :
- St inférieure à 2 : peu sensible ;
- St de 2 à 4 : moyennement sensible ;
- St de 4 à 8 : sensible ;
- St de 8 à 16 : très sensible ;
- St supérieure à 16 : argile « rapide » (extra-sensible), à risque d'écoulement une fois remaniée.
La sensibilité se mesure notamment par l'essai scissométrique (essai scissométrique), qui donne la cohésion non drainée en place puis après remaniement. Elle importe pour les terrassements et les fondations dans des argiles molles, où le battage ou les vibrations peuvent dégrader le sol.