Valeurs typiques des paramètres · Mécanique des sols

Cette annexe rassemble les ordres de grandeur des paramètres géotechniques des sols rencontrés en Suisse, tels qu'ils sont utilisés dans les exemples et exercices de ce cours. Ces valeurs sont indicatives: elles proviennent de la littérature (Lang/Huder/Amann/Puzrin, Recordon, guides VSS) et de l'expérience des bureaux romands, et couvrent des fourchettes larges. Elles servent aux études préliminaires, aux vérifications de plausibilité et aux exercices; pour un projet, les paramètres doivent être déterminés par des essais de laboratoire et in situ (chapitre 8) et fixés comme valeurs caractéristiques dans le rapport géotechnique, conformément à la norme SIA 267. Une valeur choisie hors de ces fourchettes n'est pas nécessairement fausse, mais elle doit être justifiée.

Comment lire ces tables

Les sols sont regroupés en huit familles caractéristiques du territoire suisse:

Graves alluviales (GW, GP, GW-GM): dépôts fluviatiles du Rhône, de l'Aar, du Rhin, de la Sarine; grains arrondis, souvent denses, très perméables.
Sables (SW, SP, SM): sables fluvio-glaciaires, sables de plage lacustre, sables de la molasse désagrégée.
Moraine de fond (GC, GM, SC compacts): déposée sous le glacier, surconsolidée par le poids de la glace, très dense, à matrice limono-argileuse.
Moraine d'ablation (GM, SM, GC plus lâches): déposée lors de la fonte, moins compacte, souvent hétérogène avec blocs.
Silts et argiles lacustres (ML, CL, CH, OL): dépôts des lacs post-glaciaires (Léman, Neuchâtel, Zurich, plaines de l'Orbe et de la Broye), normalement consolidés, mous et compressibles sous une croûte desséchée.
Molasse altérée: grès, marnes et conglomérats tertiaires du Plateau décomprimés et altérés sur quelques mètres; comportement intermédiaire entre sol et roche.
Tourbes et sols organiques (Pt, OH): marais du Plateau et du Jura, très compressibles.
Remblais: matériaux mis en place par l'homme, compactés (remblais routiers contrôlés) ou non (remblais anciens, décharges).

Lorsque deux valeurs sont séparées par un tiret, il s'agit de la fourchette usuelle; l'abréviation «n.a.» signifie non applicable.

Poids volumiques et indices d'état

Sol	$γ$ humide (kN/m³)	$γ_{s a t}$ (kN/m³)	$e$	$n$	$w$ naturel (%)
Graves alluviales	19 – 22	21 – 23	0,25 – 0,50	0,20 – 0,33	3 – 10
Sables	17 – 20	19 – 21	0,50 – 0,90	0,33 – 0,47	5 – 25
Moraine de fond	21 – 23	22 – 24	0,20 – 0,40	0,17 – 0,29	5 – 12
Moraine d'ablation	19 – 21	20 – 22	0,30 – 0,60	0,23 – 0,38	8 – 18
Silts lacustres	17 – 20	18 – 21	0,60 – 1,10	0,38 – 0,52	20 – 40
Argiles lacustres	16 – 19	17 – 20	0,80 – 1,50	0,44 – 0,60	30 – 60
Molasse altérée	20 – 23	21 – 23	0,30 – 0,50	0,23 – 0,33	8 – 20
Tourbes	10 – 13	10 – 14	3 – 15	0,75 – 0,94	200 – 800
Remblais compactés	19 – 22	20 – 23	0,30 – 0,60	0,23 – 0,38	5 – 15
Remblais non contrôlés	15 – 19	17 – 20	0,60 – 1,20	0,38 – 0,55	10 – 30

Densité des grains: $G_{s} = 2, 65$ (quartz) à 2,75 (calcaires, minéraux argileux), 2,70 en l'absence de mesure; 1,4 à 1,8 pour les tourbes. Poids volumique de l'eau: $γ_{w} = 9, 81$ kN/m³, arrondi à 10 kN/m³ dans de nombreux calculs pratiques.

Perméabilité

Sol	$k$ (m/s)	Comportement hydraulique
Graves alluviales propres	$1 0^{- 2}$ – $1 0^{- 4}$	aquifère, drainage libre
Sables	$1 0^{- 3}$ – $1 0^{- 5}$	drainant
Sables limoneux	$1 0^{- 5}$ – $1 0^{- 7}$	semi-perméable
Moraine de fond	$1 0^{- 7}$ – $1 0^{- 10}$	pratiquement imperméable
Moraine d'ablation	$1 0^{- 5}$ – $1 0^{- 8}$	variable, lentilles perméables
Silts lacustres	$1 0^{- 6}$ – $1 0^{- 8}$	consolidation en mois
Argiles lacustres	$1 0^{- 9}$ – $1 0^{- 11}$	consolidation en années
Molasse altérée	$1 0^{- 7}$ – $1 0^{- 9}$	fissuration déterminante
Tourbes	$1 0^{- 5}$ – $1 0^{- 8}$	diminue fortement avec la compression

La perméabilité varie sur onze ordres de grandeur: c'est le paramètre le plus incertain de la géotechnique. Un facteur 10 d'écart entre estimation et mesure est courant. Pour les sables propres, la formule de Hazen ( $k \approx 0, 01 d_{10}^{2}$ , $k$ en m/s et $d_{10}$ en mm) donne un ordre de grandeur; pour les sols fins, seuls l'essai œdométrique ou l'essai de perméabilité en cellule sont fiables. L'anisotropie ( $k_{h} / k_{v}$ de 2 à 10 dans les dépôts stratifiés) doit être prise en compte dans les réseaux d'écoulement.

Résistance au cisaillement

Sol	$φ^{'}$ (°)	$c^{'}$ (kPa)	$c_{u}$ (kPa)	Remarques
Graves alluviales denses	36 – 42	0	n.a.	angle de pic; 32 – 35 à l'état critique
Graves lâches	32 – 36	0	n.a.
Sables denses	34 – 38	0	n.a.
Sables lâches	28 – 32	0	n.a.	liquéfiables si saturés
Moraine de fond	32 – 38	0 – 15	150 – 400	cohésion apparente de compacité
Moraine d'ablation	30 – 35	0 – 5	50 – 150
Silts lacustres	26 – 32	0 – 5	20 – 60
Argiles lacustres molles	20 – 26	0 – 5	10 – 30	$c_{u} / σ_{v 0}^{'} \approx 0, 2$ – 0,3
Argiles lacustres fermes	22 – 28	5 – 10	30 – 75
Argiles, résistance résiduelle	10 – 18	0	n.a.	glissements anciens
Molasse altérée (marne)	25 – 32	5 – 30	100 – 300
Tourbes	15 – 25	0 – 5	5 – 20	fibres: anisotropie marquée
Remblais compactés (grave)	32 – 38	0 – 5	n.a.
Remblais non contrôlés	25 – 30	0	20 – 50	hétérogènes

Les valeurs de $φ^{'}$ sont des angles de pic pour les sols denses; pour les vérifications de stabilité des pentes et des soutènements à grande déformation, on retient l'angle à l'état critique ( $φ_{c v}^{'}$ , inférieur de 3 à 6°) ou, dans un glissement réactivé, l'angle résiduel. La cohésion effective $c^{'}$ des sols non cimentés est faible et souvent prise nulle par prudence.

Déformabilité et consolidation

Sol	$M_{E}$ ou $E^{'}$ (MPa)	$ν$	$C_{c}$	$c_{v}$ (m²/an)	$K_{0}$
Graves alluviales	50 – 150	0,25 – 0,30	< 0,02	n.a.	0,35 – 0,45
Sables	20 – 60	0,25 – 0,35	0,02 – 0,05	n.a.	0,40 – 0,50
Moraine de fond	50 – 200	0,25 – 0,30	0,03 – 0,08	> 100	0,6 – 1,5 (surconsolidée)
Moraine d'ablation	20 – 60	0,30	0,05 – 0,12	30 – 100	0,45 – 0,6
Silts lacustres	5 – 20	0,30 – 0,35	0,10 – 0,25	3 – 30	0,5 – 0,6
Argiles lacustres molles	2 – 8	0,35 – 0,40	0,25 – 0,50	0,3 – 3	0,55 – 0,7
Argiles lacustres fermes	8 – 30	0,30 – 0,35	0,15 – 0,30	1 – 10	0,6 – 1,0
Molasse altérée	30 – 150	0,25 – 0,30	0,05 – 0,15	> 30	0,7 – 1,5
Tourbes	0,3 – 2	0,35 – 0,45	1 – 5	10 – 100	0,3 – 0,4
Remblais compactés	30 – 80	0,30	0,03 – 0,10	n.a.	0,4 – 0,5

$M_{E}$ désigne le module œdométrique (ou module de compressibilité) dans la plage de contraintes du projet; $E^{'}$ le module de Young drainé. Pour les sols normalement consolidés, $K_{0} \approx 1 - sin φ^{'}$ (Jaky); il croît avec le degré de surconsolidation. Le coefficient de Poisson non drainé vaut $ν_{u} = 0, 5$ . Pour les argiles, $C_{c} \approx 0, 009 (w_{L} - 10)$ (Skempton) et $C_{s} \approx C_{c} /5$ à $C_{c} /10$ . Les modules ME à la plaque (SN 670 317) exigés pour les couches de fondation routières sont typiquement de 80 à 100 MPa sur la couche de forme et supérieurs sur la grave de fondation.

Interaction sol–structure

Pieux: coefficients de frottement latéral

Sol et type de pieu	Coefficient	Valeurs usuelles
Argiles, méthode $α$ ( $q_{s} = α c_{u}$ )	$α$	1,0 pour $c_{u} < 25$ kPa, décroissant à 0,5 pour $c_{u} > 70$ kPa, 0,4 pour $c_{u} > 150$ kPa
Sols pulvérulents, méthode $β$ ( $q_{s} = β σ_{v}^{'}$ )	$β$	0,25 – 0,45 pieux forés, 0,4 – 0,8 pieux battus
Argiles, méthode $β$ à long terme	$β$	0,15 – 0,35
Résistance de pointe non drainée	$q_{b} = N_{c} c_{u}$	$N_{c} = 9$
Résistance de pointe dans les graves	$q_{b}$	3 – 8 MPa pieux forés, 8 – 15 MPa pieux battus (limité par le tassement)
Frottement latéral unitaire dans les graves	$q_{s}$	80 – 200 kPa
Frottement latéral dans la molasse	$q_{s}$	150 – 400 kPa

Frottement sol–structure

Interface	$δ$
Béton coulé en place contre le sol (mur, pieu foré)	$δ = φ^{'}$ (souvent $2/3$ à $1 φ^{'}$ selon la rugosité)
Béton préfabriqué lisse, acier rugueux	$δ = 2/3 φ^{'}$
Palplanches en acier	$δ = 1/2$ à $2/3 φ^{'}$
Géotextile, surface lisse ou bitumée	$δ = 1/3$ à $1/2 φ^{'}$
Argile non drainée (adhérence)	$a = α c_{u}$ , souvent $0, 5 c_{u}$

Pour la butée, la norme SIA 267 limite en général $δ$ à une fraction de $φ^{'}$ plus faible que pour la poussée; pour les vérifications de glissement d'une semelle, $δ = φ^{'}$ pour le béton coulé en place et $2/3 φ^{'}$ pour le béton préfabriqué sont les valeurs usuelles.

Pressions admissibles indicatives sous fondations superficielles

Les valeurs ci-dessous, issues de la pratique, servent uniquement aux avant-projets et aux vérifications de plausibilité; elles supposent des semelles de largeur de 1 à 2 m encastrées d'au moins 0,8 m, hors nappe, et un tassement admissible de 2 à 3 cm. Le dimensionnement se fait par le calcul de capacité portante et de tassement (chapitre 10).

Sol	Pression admissible (kPa)
Molasse saine (grès, marne dure)	800 – 1500
Moraine de fond compacte	400 – 800
Graves alluviales denses	400 – 600
Graves alluviales moyennement denses	250 – 400
Moraine d'ablation	200 – 400
Sables denses	250 – 400
Sables moyennement denses	150 – 250
Silts lacustres fermes	100 – 200
Argiles lacustres fermes	150 – 250
Argiles lacustres molles	50 – 100 (tassements déterminants)
Tourbes, remblais non contrôlés	fondation profonde ou amélioration du sol

Poids volumiques des matériaux de construction

Matériau	$γ$ (kN/m³)
Eau	9,81 (10)
Béton armé	25
Béton non armé	24
Acier	78,5
Maçonnerie de briques, de pierre	18 – 24
Enrobé bitumineux	24
Grave concassée en vrac (non compactée)	16 – 18
Grave compactée (couche de fondation)	20 – 22
Bois de construction	5 – 8
Ballast de voie ferrée	17 – 20

Ces valeurs correspondent aux poids volumiques usuels de la norme SIA 261 (annexe sur les poids propres); on s'y référera pour les actions de dimensionnement.

Facteurs partiels retenus dans ce cours

Le format de vérification de la norme SIA 267 (cohérent avec l'Eurocode 7) applique des facteurs partiels sur les actions, sur les paramètres de résistance du sol et, pour certaines vérifications, sur les résistances. Les valeurs ci-dessous sont les valeurs usuelles retenues dans ce cours pour les situations de projet durables et transitoires; les normes prévoient des ajustements pour les situations accidentelles et sismiques, les états limites hydrauliques et certains types d'ouvrages, que le lecteur consultera dans le texte normatif.

Grandeur	Symbole	Valeur retenue	Application
Actions permanentes défavorables	$γ_{G}$	1,35	vérifications de type 2 (rupture de la structure)
Actions permanentes, état limite de type 3	$γ_{G}$	1,0	poids propre du sol dans les analyses de stabilité
Actions variables défavorables	$γ_{Q}$	1,5	surcharges
Angle de frottement	$γ_{φ}$	1,2 sur $tan φ^{'}$	$tan φ_{d}^{'} = tan φ_{k}^{'} /1, 2$
Cohésion effective	$γ_{c}$	1,5	$c_{d}^{'} = c_{k}^{'} /1, 5$
Résistance non drainée	$γ_{c u}$	1,5	$c_{u, d} = c_{u, k} /1, 5$
Résistance ultime (capacité portante, pieux)	$γ_{R}$	1,4	$R_{d} = R_{k} /1, 4$
Poids volumique du sol	$γ_{γ}$	1,0	pas de facteur sur $γ$

Avec ce format, la sécurité de type 3 (stabilité des pentes, capacité portante en paramètres de calcul) revient à exiger un facteur global de l'ordre de 1,3 à 1,5 sur valeurs caractéristiques, en accord avec la pratique antérieure. Les valeurs caractéristiques elles-mêmes doivent être des estimations prudentes de la moyenne des paramètres dans le volume de sol qui gouverne l'état limite, et non des minima d'essais.