Sol: Formation, classification et signification

Le mot sol est dérivé du mot latin 'solium' qui signifie couche supérieure de la surface de la terre. Ce mot "sol" a une signification différente pour différentes professions. Pour un agriculteur, c'est la matière en vrac de la surface de la terre que les plantes font pousser.

Pour un géologue, il s’agit du matériau résultant de la désintégration des roches et qui n’a pas été transporté à partir de sa position initiale. Pour un ingénieur, les sols sont une accumulation croissante de minéraux ou de particules organiques dans la zone recouvrant la croûte rocheuse.

Le sol est un matériau de construction disponible en abondance et, dans de nombreuses régions, il est essentiellement le seul matériau de construction disponible localement. La Terre a été utilisée pour la construction de monuments, de tombes, d’habitations, de structures de rétention d’eau, etc., depuis l’époque du néolithique. La mécanique des sols est l’une des disciplines les plus récentes du génie civil. Elle fait appel à tous les principes et techniques d’étude scientifique des propriétés du sol.

Définition

Le Dr. Karl Van Terzaghi, appelé le père de la mécanique des sols, a défini la mécanique des sols comme suit:

La mécanique des sols est l'application des lois de la mécanique et de l'hydraulique aux problèmes d'ingénierie liés aux sédiments et à d'autres accumulations non consolidées de particules solides produites par la désintégration mécanique et chimique des roches, qu'elles contiennent ou non un mélange ou des constituants organiques.

Pour un ingénieur civil, l'étude du comportement technique de différents types de sols est extrêmement importante car tous les ouvrages de génie civil devront être reposés et fondés sur le sol. La défaillance des structures dépend des caractéristiques de résistance du sol. La résistance du sol à supporter les charges devient un facteur important pour la conception en toute sécurité des fondations de la structure.

La branche de la science qui traite des propriétés, de la nature et des performances des sols en tant que matériau de construction et de fondation est appelée mécanique des sols.

IS: 2809-1972 définit la mécanique des sols comme «cette branche de l'ingénierie qui traite de l'application de la science des sols, des lois statiques et dynamiques, des principes, de la mécanique et de l'hydraulique aux problèmes d'ingénierie traitant du sol en tant que matériau de construction».

Les objectifs de la mécanique des sols sont:

(i) Effectuer des recherches souterraines et développer des méthodes d'échantillonnage de sol.

(ii) Classer les propriétés du sol aux fins de génie civil.

(iii) Appliquer les résultats du sol à l'utilisation du sol comme matériau de construction.

Importance des études de sol en génie civil:

Jusqu'au début du siècle présent, l'importance de l'étude des propriétés du sol n'a pas été ressentie. La plupart des bâtiments historiques importants ont été construits sur la base de l'expérience acquise dans la région et des connaissances héritées des ancêtres. Il n'y avait aucune preuve d'une quelconque étude scientifique du sol pour la construction de la fondation de ces bâtiments / structures. La défaillance de structures importantes attire l'attention des ingénieurs civils sur ce domaine.

La plupart des structures civiles reposant sur la surface du sol, leur durée de vie dépend de la capacité de charge du sol. La capacité portante du sol dépend des diverses propriétés du sol. Les différentes propriétés du sol peuvent être déterminées par des études / études de sol détaillées.

Une fois que la capacité portante et les autres propriétés du sol sont connues, il est facile pour un ingénieur / concepteur en géotechnique de choisir le type de fondation adapté à un sol en particulier. Grâce aux études de sol, un ingénieur peut décider si un sol particulier convient ou non à la construction. Certains sols, tels que la tourbe et les limons organiques, sont si compressibles qu'ils ne peuvent être utilisés comme matériaux de base, tandis que d'autres, comme le sable et le gravier, sont d'excellents matériaux de fondation pour la plupart des projets de construction.

Pour les projets de petite taille, les ingénieurs civils peuvent tenter de deviner les propriétés du sol en fonction de l'expérience de cette région. Mais parfois, cela peut coûter plus cher que le coût économisé en n’étudiant pas le sol. Une de ces histoires de trésorerie est comme ci-dessous. Une usine de calcination (calcination du calcaire) devait être construite à Assam. La capacité approximative de l'usine était de 100 tonnes par jour.

Le propriétaire du projet n'était pas intéressé par les études de sol et les travaux de construction ont été lancés sans aucune étude de sol. L'excavation a été commencée pour la fondation. Après avoir achevé l'excavation manuelle du sol pendant une journée, le propriétaire était convaincu que les fondations pourraient être posées à la profondeur convenue, le sol étant assez dur. Dès le lendemain, on s’aperçut que la fosse était pleine d’eau et que le sol était totalement meuble et se comportait comme un liquide.

Ce problème a été poursuivi et il a finalement été décidé d'arrêter l'excavation au bout de 5 mètres, puis un ingénieur en géotechnique a été consulté pour résoudre le problème. Finalement, des pieux en bois ont été conduits et une fondation a été construite. Le propriétaire a dû investir plus que ce qu'il avait économisé initialement en ne décidant pas d'investigation du sol. Le problème de cette zone était qu'un courant d'eau traversait le site et que le sol en dessous de 1 profondeur était très compressible.

Pour les grands projets tels qu'un aéroport, un barrage, etc., deviner les propriétés du sol peut entraîner des défaillances des fondations et une perte économique ultime. Donc, il est toujours conseillé de faire des études de sol avant la conception de la fondation de la structure. L'étendue des études de sol peut varier en fonction de l'importance du projet et du fonds disponible.

Formation de sols:

L'intérieur de la terre est à l'état fondu, appelé magma. Les roches se forment en raison du refroidissement du magma en fusion et de la décomposition de ces roches dans le sol et de leur reconversion. Ce cycle est appelé cycle géologique, comme le montre la figure 1.1.

Les roches sont le matériau de base des sols. Les sols sont formés par la désintégration et la décomposition des roches.

La désintégration des roches est causée par:

(i) vieillissement mécanique

ii) Décomposition chimique

(iii) décomposition biologique.

(1) vieillissement mécanique:

Il est également connu sous le nom de désintégration physique. Dans ce processus, la désintégration des roches est provoquée par des agents physiques tels que les racines des plantes, le gel, la dilatation thermique, etc.

a) racines des plantes:

Les plantes et les arbres poussent dans les rochers. Les racines de ces plantes et arbres pénètrent dans les fissures et les crevasses des roches. Au fil du temps, ces racines deviennent plus épaisses et induisent des contraintes sur la roche, provoquant leur désintégration.

b) le givre:

L'eau pénètre dans les fissures et les crevasses des roches pendant la pluie. En climat froid, l'eau gèle et augmente en volume. En raison de l'augmentation du volume, des contraintes sont induites dans les fissures, provoquant la désintégration des roches.

c) Dilatation thermique:

Les roches contiennent différents minéraux. Différents minéraux ont un coefficient de dilatation thermique différent. En raison des variations de température, ces minéraux se dilatent et entrent en contact. Les contraintes sont dues à la dilatation et à la contraction répétées des roches, entraînant la désintégration et la formation de sol.

d) abrasion:

L'abrasion des roches se produit sous l'action de:

(i) l'eau qui coule

ii) Souffle de vent

(iii) Glace en mouvement, appelée glaciers. Cette abrasion entraîne la formation de terre.

(2) décomposition chimique:

On l'appelle aussi altération chimique. Dans ce processus, l'identité des particules minérales est détruite et de nouveaux composés chimiques sont formés, tels que des particules d'argile, du silicium, des carbonates et de l'oxyde de fer. La décomposition chimique dépend de la pression de l'eau, de la température et des matières dissoutes dans l'eau. L'altération chimique dépend de la surface disponible pour la réaction, la température et la présence de fluide chimiquement actif.

Les processus suivants interviennent dans la dégradation chimique:

(i) oxydation:

C'est le processus dans lequel l'ion oxygène se combine avec l'ion ferreux pour former un oxyde ferreux. Les roches contenant du fer sont soumises à une décomposition chimique par oxydation. La réaction impliquée dans ce processus est

4Fe ⁺² + 3O ₂ - = 2Fe ₂ 0 ₃

(ii) hydratation:

L'hydratation est le processus par lequel les minéraux de roche se combinent avec de l'eau pour former un nouveau composé qui sera différent des minéraux d'origine. La décomposition de la roche est due à un changement de volume qui crée des contraintes physiques dans la roche.

(iii) la carbonatation:

C’est le processus par lequel le dioxyde de carbone (CO ₂ ) présent dans l’atmosphère se combine avec l’eau pour former de l’acide carbonique. Cet acide carbonique réagit avec les roches minérales en provoquant une décomposition.

La réaction impliquée dans la carbonatation est:

CaCO ₃ + H ₂ O + CO ₂ = Ca (HCO ₃ ) ₂

La carbonatation est très répandue dans les régions riches en calcaire.

(iv) hydrolyse:

L'hydrolyse est une altération chimique affectant les minéraux silicatés. Dans de telles réactions, l'eau pure s'ionise légèrement et réagit avec le silicate minéral. Comme par exemple:

Le feldspath de potassium dans l'eau acide s'hydrolyse en kaolinite, quartz et hydroxyde de potassium

2KAISi ₃ O ₈ + 3H ₂ O = Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4SiO ₂ + 2KOH

v) Lessivage:

La lixiviation consiste à éliminer les matières solubles en les dissolvant des matières solides. Au cours de ce processus, certains minéraux dissous hors des roches et déposés séparément ont provoqué une décomposition.

(3) décomposition biologique:

La décomposition de la matière organique dans les sols se fait entièrement par les microorganismes. Les bactéries et autres microorganismes induisent des modifications chimiques dans leur environnement en produisant des acides organiques, qui contribuent à l'érosion des sols.

Classification géologique du sol:

Sur une base géologique, les sols peuvent être classés en deux groupes:

i) Sols résiduels

ii) Sols transportés.

Sols résiduels:

Les sols qui restent sur le lieu de leur formation sont appelés sols résiduels. Si le taux de décomposition de la roche est supérieur au taux d'élimination des produits de décomposition, il en résulte une accumulation de sol résiduel. L'épaisseur des sols résiduels dépend du climat, de l'époque et du type de roche mère. Ces sols se trouvent directement sur la roche mère. Ignore les roches et les roches sédimentaires sont le matériau de base du sol résiduel.

Le profil de sol résiduel peut être divisé en trois zones:

(a) Zone supérieure, où il y a un fort degré de vieillissement et d'enlèvement de matière.

(b) Zone intermédiaire, où il y a des intempéries dans la partie supérieure de la zone, mais des dépôts se font vers la partie inférieure de la zone.

Sols transportés:

Les sols transportés sont des sols qui sont emportés de leur lieu de formation vers un autre lieu par les agences de transport. Les agences de transport peuvent être des glaciers, de l’eau, du vent ou de la gravité. Ces agences de transport agissent seules ou en combinaison.

Sols transportés par les glaciers:

Les sols transportés par les glaciers comprennent les matériaux transportés et les dépôts effectués par glacier ou par les eaux de glace provenant des glaciers. Les glaciers apportent d’énormes quantités de débris minéraux qui se mélangent à la glace et s’emportent. Il se dépose lorsque la glace fond à plusieurs milles de la position initiale.

Ces types de dépôts sont différenciés en utilisant la terminologie suivante:

a) la moraine:

La moraine est un matériau glaciaire déposé par la glace et non par les eaux de fonte.

(b) dérive:

La dérive est la matière transportée par les glaciers et déposée à partir de l'eau de fonte. La dérive a un arrangement stratifié.

c) jusqu'à:

Le till sont des mélanges hétérogènes non stratifiés d'argile ou de limon déposés directement par la glace.

d) Dépôts glacio-fluviaux:

Les dépôts glacio-fluviaux sont des matériaux transportés par les glaciers et déposés par les eaux de fonte avec stratification. Celles-ci consistent en des couches minces alternées de limons gris moyen et d'argile limoneuse foncée.

Sols transportés par l'eau:

Les matériaux transportés et redéposés par l'action de l'eau sont appelés «alluvions». Les ruisseaux se forment dans une vallée à cause des fortes pluies. L'eau qui coule des ruisseaux entraîne avec elle diverses particules de sol, soit en suspension, soit en les roulant au fond. En raison du roulement, les particules du sol subissent une abrasion qui réduit leur taille.

La taille des particules pouvant être transportées par le sol dépend de la vitesse de l'eau. Si la vitesse est supérieure, elle peut déplacer des particules de grande taille et lorsque la vitesse diminue, les plus grosses particules se déposent. Les particules les plus fines sont entraînées plus loin dans une partie plus lente du flux lorsque celui-ci se dépose.

Les sols transportés par l'eau sont classés comme suit:

(i) sol alluvial

ii) sol lacustre

iii) sol marin.

Sol alluvial:

Le sol transporté de son lieu de désintégration par les eaux courantes et déposé le long du ruisseau est appelé sol alluvionnaire. Ces sols sont très courants et un très grand nombre d'ouvrages d'art y sont construits. Les sols alluviaux contiennent souvent une alternance de couches horizontales de types de sols différents.

Sols lacustres:

Le sol transporté par les eaux courantes et déposé dans les lacs est appelé sol lacustre. La plupart des sols lacustres sont principalement des limons et des argiles. Leur aptitude à la fondation varie de médiocre à moyenne.

Sols marins:

Le sol transporté par les eaux courantes et déposé dans l'océan est appelé sol marin. Les sols marins sont principalement des limons et des argiles et sont très mous.

Sols transportés par le vent (sols éoliens):

Le vent est un autre moyen important de transport de la terre. Les sols transportés et déposés par le vent sont appelés sols éoliens. Ce mode de transport produit généralement des sols très mal classés en raison du fort pouvoir de tri du vent. Ces sols sont généralement très meubles et possèdent des propriétés techniques satisfaisantes.

Les sols éoliens sont de deux types:

Lœss:

Le loess est constitué de dépôts profonds de limon provenant du vent. Ces dépôts se trouvent souvent sous le vent des déserts. Ces dépôts ont une très haute porosité. Le loess est assez fort lorsqu'il est sec, mais devient faible lorsqu'il est mouillé.

Dunes de sable:

Les petites collines irrégulières formées par des accumulations de sable le long de certaines plages et dans certaines zones désertiques sont appelées des dunes de sable. Il est probable que des dunes de sable se forment lorsque le vent souffle constamment d'une seule direction. Ces dunes ont tendance à migrer sous le vent. Le taux de migration peut être ralenti ou stoppé par la croissance d’une végétation appropriée sur la dune.

Sols déposés par gravité:

Les sols déposés par gravité sont des sols meubles ou des fragments de roche transportés en aval sous l'action de la gravité et déposés sur ou à proximité d'un sol en pente. Ces sols sont également connus sous le nom de sols colluviaux.

Les mouvements de descente sont de deux types:

Lente et rapide. Le mouvement lent s'appelle le fluage qui est de l'ordre de millimètres par an. Le mouvement rapide en pente est appelé glissement de terrain.

Profils de sol:

La formation du sol commence par la décomposition de la roche par l'altération et le processus de développement de l'horizon du sol conduit à l'élaboration d'un profil de sol. Un profil de sol est l'affichage vertical des horizons de sol. Un profil de sol est divisé en couches appelées horizons.

Le profil du sol comprend l’horizon principal suivant:

O horizon:

En haut du profil se trouve l'horizon O. Il est principalement composé de matière organique. La matière décomposée ou l'humus enrichit le sol avec de l'azote, du potassium, etc., améliore le sol et améliore la rétention d'humidité du sol. O-horizon peut être divisé en catégories O ₁ et O ₂ . Les origines d'O ₁ contiennent des matières décomposées dont l'origine peut être vue à vue et les horizons d'O ₂ ne contiennent que des matières organiques bien décomposées dont l'origine ne peut pas être immédiatement vue.

A horizon:

Au-dessous de l'horizon O se trouve l'horizon A. Cela marque le début du vrai sol minéral. Dans cet horizon, les matières organiques se mêlent aux produits inorganiques de l’altération. C'est un horizon de couleur sombre dû à la présence de matière organique. L'épaisseur de cet horizon est généralement de 25 à 30 cm mais peut aller de 5 à 60 cm.

Horizon B:

Sous l'horizon A se trouve l'horizon B. Il est communément appelé sous-sol. L’horizon B est une zone où de la matière fine s’accumule par percolation de l’eau. Dans certains sols, l'horizon B est enrichi en carbonate de calcium sous forme de nodules ou de couche. Il a la même couleur et la même texture sur toute sa profondeur. L’épaisseur de cet horizon est de 25 à 30 cm mais elle peut aller de 10 à 240 cm.

L'horizon B peut être divisé en types B ₁, B ₂ et B ₃ . B ₁ est un horizon de transition d'un horizon A à un horizon B. Il a été dominé par les propriétés de l'horizon B situé en dessous, mais contenant certaines caractéristiques de l'horizon A. Les horizons B ont une concentration de minéraux, d'argile ou de matières organiques. B ₃ horizons et la transition entre les couches B sus-jacentes et le matériau situé en dessous.

Horizon C:

L'horizon C représente le matériau parent du sol, créé in situ ou transporté à son emplacement actuel. Sous l'horizon C se trouve le substrat rocheux. Il a la même couleur et la même texture sur toute sa profondeur. L'épaisseur de cet horizon varie de 5 à 30 cm. Cet horizon fournit la majeure partie du matériel nécessaire à la construction de la structure du sol.