Wikigeotech:Limites d'Atterberg

Généralités

Les limites d'Atterberg sont des teneurs en eau caractéristiques des sols fins permettant entre autre d'établir leur classification et d'évaluer leur consistance. Ces valeurs de teneurs en eau permettent de caractériser également les différents états des sols : liquide, plastique, solide et solide sans retrait de ces matériaux. Cet un essai relativement long à réaliser (plus de deux jours en général et la durée augmente avec la proportion d'argile). Bien que rudimentaire dans sa préparation, les résultats obtenus sont répétables et reproductibles.
Les limites d'Atterberg comprennent :

• la limite de liquidité w_L (NF P94-051 ou -052-1)
• la limite de plasticité w_P (NF P904-051)
• la limite de retrait w_R (XP P94-060-1)

L'indice de plasticité (I_P) correspond à l'écart entre la limite de liquidité et la limite de plasticité. Pour toutes les teneurs en eau comprises entre ces deux bornes, le matériau sera dans un état plastique. Plus l'écart est grand, plus la plasticité du sol est élevée.

$ I_P = w_L - w_P $

Certains laboratoires utilisent la droite de Casagrande pour évaluer l'IP à partir de la limite de liquidité, que l'on retrouve dans un diagramme I_P-w_L. Cette droite a pour équation :

$ I_P = a(w_L - b) $

avec :

• 0,70 < a < 0,80
• 13 < b < 20

et est souvent exprimée moyennement comme suit :

$ I_P = 0,75(w_L -20) $

L'utilisation de cette formule est limitée à certains sols et doit faire référence à l'expérience régionale.
L'utilisation des limites est très intéressante pour évaluer les états hydriques des sols fins en terrassement. Pour cela on évalue l'indice de consistance du sol Ic. Plus la teneur en eau naturelle du sol se rapprochera de la limite de plasticité et meilleure sera sa consistance. En s'éloignant de la limite de plasticité, le matériau s'humidifie et sa consistance diminue. Il ne faut pas confondre la consistance et la plasticité. La position de la teneur en eau naturelle (w_n)du matériau par rapport aux limites d'Atterberg permet d'exprimer cet indice de la façon suivante :

$ Ic = (w_L - w_n) / I_P $

Description du mode opératoire

Ces essais se réalisent sur un mortier de sol composé de la fraction granulométrique 0/400 µm. Pour cela, l'échantillon homogénéisé de départ est au préalable humidifié dans un bac. La quantité de sol initial est environ de 200x le diamètre en mm des plus gros éléments (Dmax).
Une fois le matériau ameubli il est tamisé sous eau au tamis de 400µm dans un bac de récupération suffisamment grand (photo 1).
Il faut ensuite laisser le mélange décanter pour éliminer l'excès d'eau (photo 2). Dès que l'eau devient claire, une première étape peut consister à siphonner l'excédent (photo 3). Pour réduire ensuite plus finement la quantité d'eau, un passage à l'étuve à des températures inférieures à 50°C peut être réalisé (photo 4). On peut également laisser évaporer doucement jusqu'à atteindre la teneur en eau la plus proche de la liquidité. Il convient d'être très vigilant afin de ne pas trop sécher le matériau car cela oblige à recommencer l'opération. Après séchage, le mortier est récupéré et malaxé sur une table en marbre pour homogénéiser autant que possible la pâte et éliminer les éventuelles boulettes qui auraient pu se former. Ce mélange doit être le plus lisse possible (photo 5).
Le mortier est enfin prêt pour commencer les essais.

1-récupération de la fraction 0/400 µm

2-décantation du mélange sol-eau

3-élimination du surplus d'eau par siphonnage de l'eau claire

4-séchage fin à des températures inférieures à 50°C

5-homogénéisation par malaxage à la truelle du mortier

Les limites sont réalisées sur une plaque de marbre poreux ce qui aide à faire baisser doucement les teneurs en eau du matériau.

détermination de la limite de liquidité

La limite de liquidité correspond à la teneur en eau qui caractérise le passage de l'état liquide à l'état plastique du mortier de sol utilisé pour les limites d'Atterberg.

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Il existe deux méthodes pour définir la teneur en eau correspondant à la limite de liquidité :

• l'essai à la coupelle de Casagrande (NF P94-051)
• l'essai au cône de pénétration (NF P94-052-1)

détermination de la limite de plasticité

La limite de plasticité est définit par application de la norme NF 94-051 . Le matériau est roulé sous la forme d'un petit rouleau plein (ou boudin) d'environ 3 mm de diamètre. Ce boudin est progressivement asséché en frottant le matériau entre la plaque de marbre et un patin poreux (souvent en bois) (photo 6). Lorsque le rouleau n'est plus plastique, il devient alors cassant (photo 7). L'essai est arrêté car la teneur en eau à ce moment correspond à la limite de plasticité.

6-le mortier est roulé sous la forme d'un petit boudin plein et progressivement asséché en le roulant entre le marbre et la plaque de bois

7-la teneur en eau diminuant, le boudin se casse à la teneur en eau correspondant à la limite de plasticité : les morceaux de boudin sont alors immédiatement pesés

détermination de la limite de retrait

8- vue d'une coupelle et d'un échantillon de sol sec : on distingue nettement la diminution de volume horizontale et verticale

L'essai est réalisé selon la norme XP P94-060-1. le mortier de sol est mis dans une coupelle métallique puis asséché doucement à l'étuve (température inférieure ou égale à 50°C) jusqu'à ce que le volume de sol sec ne varie plus. On atteint alors le volume minimal que le matériau peut avoir après dessiccation (photo 8). Si les teneurs en eau continuent de baisser, le volume ne varie plus. Le volume est en général évalué à l'aide de mercure. L'essai n'est valable que si le retrait n'entraîne pas de fissuration dans l'échantillon.

Utilisation des limites d'Atterberg dans le domaine routier

Les limites d'Atterberg sont utilisées pour identifier et classer les matériaux fins. Ainsi la norme NF P11-300 permet de distinguer différentes classes de sols selon les indices de plasticité des matériaux. Il s'agit même d'un essai à privilégier pour les sols fins au détriment de l'essai au Bleu de méthylène.

Pour les matériaux très fins, contenant plus de 35% de passant à 80µm, on distinguera 4 classes de sols :

• les sols A₁ dont l'I_P est inférieur à 11 ;
• les sols A₂ dont l'I_P est compris entre 11 et 25 ;
• les sols A₃ dont l'I_P est compris entre 25 et 40 ;
• les sols A₄ dont l'I_P est supérieur à 40.

Pour les argiles sableuses (%80µm compris entre 12 et 35%), l'I_P permet de distinguer :

• les sables argileux B₅ dont l'I_P est inférieur à 12 ;
• les argiles sableuses B₆ dont l'I_P est supérieur à 12.

L'indice de consistance permet d'évaluer l'état hydrique des sols fins et ceci avec d'autant plus de précision que le sol est constitué de plus de 80% de passant à 400µm. Pour cela il convient au préalable de ramener la teneur en eau naturelle à la fraction 0/400µm du sol par une règle de 3. Plus l'Ic sera proche de 1 plus le matériau sera dans des états hydriques moyens ("m"). Un Ic supérieur à 1,1 traduit un état hydrique sec ("s" ou "ts") et un Ic inférieur à 1 correspond à des états hydriques plutôt humides ("h" ou "th").

Incertitudes de l'essai

graphique illustrant la dispersion des résultats obtenus au cours d'une campagne d'essais croisés. La valeur moyenne étant proche de la limite de classe, les écarts peuvent faire basculer l'identification d'un A2 à un A3.

Ces essais nécessitent un savoir-faire certain de l'opérateur, mais lorsqu'ils sont maîtrisés, ils sont répétables et reproductibles. Des campagnes d'essais croisés menées en 2003 et 2011 avec les laboratoires des Ponts et Chaussées montrent les évolutions dans les incertitudes d'essais. Les résultats obtenus en 2011 ont été réalisés avec un panel de 14 laboratoires sur un sol argileux classé A2 au préalable. Les incertitudes évaluées en 2011 étaient plus élevées que celles obtenues en 2003 probablement en lien avec une diminution des pratiques et/ou un renouvellement des opérateurs.
Disposer de la valeur de l'incertitude est important pour évaluer la portée du résultat. Cette information semble ainsi nécessaire pour valider l'application de résultats surtout lorsque l'incertitude affecte la conformité aux limites d'une spécification.

Incertitudes évaluées en 2011 sur la limite de liquidité à la coupelle

• limite de répétabilité : r = 3,7
• limite de reproductibilité : R = 7,0
• incertitude élargie pour k=2 : U = 5,0

Pour information l'incertitude U évaluée en 2003 était de 2,0.

Incertitudes évaluées en 2011 sur la limite de liquidité au cône

• limite de répétabilité : r = 1,7
• limite de reproductibilité : R = 8,0
• incertitude élargie pour k=2 : U = 5,7

Pour information l'incertitude U évaluée en 2003 était de 2,2.

Incertitudes évaluées en 2011 sur la limite de plasticité au rouleau

• limite de répétabilité : r = 2,9
• limite de reproductibilité : R = 7,7
• incertitude élargie pour k=2 : U = 5,4

Pour information l'incertitude U évaluée en 2003 était de 3,6.

Incertitudes sur l'indice de plasticité

L'indice de plasticité peut être obtenu indifféremment avec l'essai à la coupelle ou au cône. L'expression du résultat (voir graphique) montre au final une certaine dispersion par rapport à la moyenne.