La distribution dimensionnelle des particules qui composent un sol est le paramètre physique primaire pour son identification, sa classification géotechnique et la prévision de son comportement hydraulique ou mécanique. Alors que le tamisage mécanique permet de caractériser les fractions grossières (sables et graviers), la sédimentation par densimètre quantifie le spectre colloïdal des silts et des argiles. Cet article détaille les procédures d'essai normalisées, les calculs associés à la loi de Stokes, la construction de la courbe granulométrique et l'interprétation des coefficients d'uniformité et de courbure dans le contrôle technologique des infrastructures.
1. Qu'est-ce que l'essai et quel problème résout-il ?
L'analyse granulométrique est le processus de laboratoire destiné à déterminer les pourcentages en masse des différentes fractions dimensionnelles qui constituent un échantillon de sol. L'essai se divise méthodologiquement en deux étapes complémentaires : le tamisage (pour les particules supérieures à 0,075 mm ou 0,063 mm) et la sédimentation (pour les particules fines inférieures à ces limites).
Dans la pratique de l'ingénierie géotechnique, les sols avec des granulométries continues ou discontinues présentent des comportements mécaniques, de perméabilité et de susceptibilité au gel complètement distincts. L'analyse granulométrique résout le problème de la caractérisation géométrique de la matrice solide, permettant d'encadrer le sol dans des systèmes de classification internationale (AASHTO et USCS), de prévoir le comportement de drainage et de valider les spécifications des filtres et des couches granulaires de fondation.
2. À quoi sert-il et quand doit-il être utilisé ?
L'exécution de l'analyse granulométrique est indispensable dans les phases de projet et de construction suivantes :
• Classification préliminaire et systématique des sols de fondation, des gisements et des emprunts pour les remblais et les barrages.
• Vérification des critères de filtre (critères de Terzaghi) pour la protection des drains dans les talus et les structures géotechniques.
• Contrôle de la composition granulométrique des matériaux pour les couches de sous-base et de base stabilisées granulométriquement.
• Détermination de la nécessité d'essais complémentaires de plasticité et de sédimentation fine dans les sols argileux et limoneux.
3. Normes de référence
L'essai doit suivre rigoureusement les directives des normes techniques adoptées par le projet :
• NP 84: Sols - Essai d'analyse granulométrique.
• ASTM D6913 / D6913M: Standard Test Methods for Particle-Size Distribution (Gradation) of Soils Using Sieve Analysis.
• ASTM D7928: Standard Test Method for Particle-Size Distribution (Gradation) of Fine-Grained Soils Using the Sedimentation (Hydrometer) Analysis.
• EN ISO 17892-4: Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 4: Determination of particle size distribution.
• LNEC E 196: Sols - Analyse granulométrique.
4. Préparation et fractionnement de l'échantillon
La préparation préalable de l'échantillon exige des précautions pour préserver l'intégrité des agrégats minéraux :
- Séchage de l'échantillon représentatif à l'air ou en étuve à température contrôlée (maximum 60 °C).
- Désagrégation méticuleuse des mottes avec un mortier revêtu de caoutchouc, en évitant la fracture des grains minéraux de quartz.
- Quartzo-division pour obtenir une masse représentative en fonction de la dimension maximale des agrégats présents (ex. : 500 g à 1000 g pour les sols fins et sableux ; masses supérieures pour les sols graveleux).
- Lavage de l'échantillon à travers le tamis de 0,075 mm (ASTM N.º 200) ou 0,063 mm pour séparer la fraction grossière de la fraction fine, en recueillant et en séchant le matériau retenu pour un tamisage à sec ultérieur.
5. Équipements et matériaux
Les équipements nécessaires à l'exécution complète comprennent :
• Jeu de tamis à mailles carrées normalisées (série ASTM ou ISO : 75 mm, 37.5 mm, 19 mm, 9.5 mm, 4.75 mm, 2.0 mm, 0.85 mm, 0.425 mm, 0.25 mm, 0.106 mm et 0.075 mm / 0.063 mm), avec fond et couvercle.
• Agitateur mécanique de tamis par mouvement vibratoire et vertical.
• Pour la sédimentation : Éprouvettes de sédimentation de 1000 mL, densimètre (hydromètre) calibré en g/L pour 20 °C, thermomètre de haute précision, agitateur mécanique de dispersion à haute vitesse (10.000 tr/min).
• Agent défloculant normalisé (hexamétaphosphate de sodium à 4%) pour neutraliser les forces électrostatiques entre les particules fines.
• Balances de précision, étuve réglée à 110 °C ± 5 °C et pissettes.
6. Procédure étape par étape
L'essai se divise en deux parties opérationnelles distinctes :
A. Tamisage Mécanique (Fraction Grosse et Moyenne) :
- Le matériau retenu sur le tamis de 0,075 mm après le lavage préalable est séché en étuve à 110 °C et pesé (Mretenusec).
- L'ensemble des tamis est monté par ordre décroissant d'ouverture, surmonté du tamis de plus grande ouverture et fermé par le couvercle.
- L'échantillon est placé au sommet de la colonne de tamis et l'ensemble est soumis à l'agitateur mécanique pendant 10 à 15 minutes.
- La masse de sol retenue sur chaque tamis est pesée individuellement avec soin, en s'assurant que la somme des masses partielles ne diffère pas de la masse totale initiale de plus de 1%.
B. Essai de Sédimentation par Densimètre (Fraction Fine - Silts et Argiles) :
- La fraction qui a passé le tamis de 0,075 mm est traitée avec 125 mL de solution défloculante d'hexamétaphosphate de sodium et laissée au repos pendant une période minimale de 12 heures.
- La suspension est transférée dans le bécher de dispersion mécanique, agitée pendant 1 minute à haute vitesse.
- La suspension est versée dans l'éprouvette de sédimentation de 1000 mL, le volume étant complété avec de l'eau distillée jusqu'à la marque de calibration.
- L'éprouvette est agitée vigoureusement par rotation manuelle inversée pendant 1 minute et placée sur une table exempte de vibrations.
- Le densimètre est introduit et des lectures sont effectuées aux temps standardisés (ex. : 2 min, 5 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h, 8 h et 24 h), en enregistrant simultanément la température de la suspension à chaque lecture.
7. Calculs et traitement des résultats
Le traitement mathématique des données obéit aux équations fondamentales de la mécanique des sols :
1. Pourcentages retenus et passés au tamisage :
Masse totale initiale de l'échantillon = M_total
Masse retenue cumulée sur le tamis i = Mcumuléi
Pourcentage retenu cumulé = (Mcumuléi / M_total) * 100 (%)
Pourcentage passé (fraction inférieure à l'ouverture d) = 100 - Pourcentage retenu cumulé (%)
2. Loi de Stokes en Sédimentation :
Le diamètre équivalent des particules (d en mm) est calculé en fonction du temps t et de la profondeur effective R :
d = sqrt( (30 eta L) / (980 (Gs - G_w) t) )
Où eta est la viscosité dynamique de l'eau, Gs la densité réelle des solides, G_w la masse volumique de l'eau et L la profondeur d'immersion du densimètre.
3. Coefficients Caractéristiques de la Courbe Granulométrique :
• Diamètres effectifs d10, d30 et d60 (correspondant à 10%, 30% et 60% de sol passant sur la courbe).
• Coefficient d'Uniformité (Cu) : Cu = d60 / d10
• Coefficient de Courbure (Cc) : Cc = (d30^2) / (d10 * d60)
8. Interprétation des résultats
L'analyse de la courbe granulométrique tracée sur papier semi-logarithmique (diamètres en échelle logarithmique et pourcentages passés en échelle arithmétique) permet d'inférer :
• Sols bien gradués (Cu >= 4 pour les graviers ou Cu >= 6 pour les sables, avec Cc entre 1 et 3) : Présentent une distribution continue des tailles de particules, remplissant les vides et garantissant une compacité et une stabilité mécanique élevées.
• Sols mal gradués ou uniformes (Cu petit) : Particules de dimensions très similaires, entraînant un indice des vides élevé et une perméabilité accentuée.
• Sols discontinus ou avec des paliers : Absence de certaines fractions dimensionnelles, ce qui peut induire une instabilité sous percolation d'eau (phénomène de renard).
9. Erreurs courantes et comment les éviter
Principaux écarts expérimentaux dans l'analyse granulométrique :
• Surcharge de masse dans les tamis : Dépasser la capacité de rétention d'un tamis empêche le passage des particules plus petites à travers les mailles. Solution : Fractionner l'échantillon ou utiliser des tamis de plus grand diamètre.
• Mailles rompues ou déformées : L'utilisation continue de tamis endommagés altère drastiquement la rétention. Solution : Inspecter visuellement l'état des mailles et calibrer périodiquement.
• Défloculation incomplète en sédimentation : Agrégation de particules fines par absence ou inefficacité du défloculant chimique. Solution : Respecter le temps de repos avec l'hexamétaphosphate de sodium.
• Variations thermiques pendant la sédimentation : Les changements de température altèrent la viscosité de l'eau et la densité du fluide. Solution : Maintenir l'éprouvette dans un bain thermostatique ou enregistrer rigoureusement la température à chaque lecture.
10. QA/QC et traçabilité
Dans le cadre du système de qualité laboratoire (ISO/IEC 17025) :
• Vérification métrologique des tamis : Contrôle annuel des ouvertures des mailles par inspection optique ou essais avec du matériel de référence certifié.
• Étalonnage du densimètre : Vérification périodique de l'échelle de masse volumique et du ménisque.
• Traçabilité documentaire : Enregistrement obligatoire de la feuille d'essai avec les masses partielles brutes, les corrections de température du densimètre et la signature de l'opérateur responsable.
11. Application pratique sur chantier
Dans le contrôle technologique des infrastructures :
• La validation granulométrique assure que les matériaux concassés pour les couches de base et de sous-base respectent les fuseaux granulométriques stipulés dans le Cahier des Charges.
• Dans le dimensionnement des filtres de remblais de barrages, l'application correcte des critères de renard est directement basée sur les valeurs de d15 et d85 obtenues sur la courbe granulométrique.
12. Limitations et points nécessitant confirmation
Aspects particuliers qui méritent une attention technique :