Un talus qui glisse ou un mur de soutènement qui bascule, c'est presque toujours une histoire de résistance du sol au glissement. L'essai de cisaillement direct mesure cette résistance en laboratoire, en cassant une petite éprouvette de sol entre deux demi-boîtes.
On voit ici ce qu'il donne, comment se lisent la cohésion et l'angle de frottement, et quand on lui préfère le triaxial.
Sommaire
- Ce que mesure l'essai de cisaillement
- La boîte de Casagrande impose le plan de rupture
- La droite de Coulomb donne la cohésion et l'angle de frottement
- Le sol est cisaillé lentement pour rester drainé
- Choisir entre le cisaillement direct et le triaxial
- Les ouvrages qui s'appuient sur ces deux valeurs
- Lire un résultat, un exemple concret
- La norme qui encadre l'essai
- L'essai de cisaillement en bref
- Des documents publics sur l'essai de cisaillement
- Questions fréquentes
Ce que mesure l'essai de cisaillement
L'essai de cisaillement répond à une question simple. À partir de quelle force le sol glisse et casse sous une charge. Il livre pour cela deux valeurs liées, la cohésion et l'angle de frottement interne, qui décrivent ensemble la résistance du sol au glissement.
L'éprouvette testée vient d'un sondage, dans le cadre de la reconnaissance géotechnique d'un terrain. L'essai fait partie des analyses de laboratoire qui caractérisent un sol prélevé en sondage. Là où l'œdomètre regarde l'écrasement et le tassement, la boîte de cisaillement, elle, regarde le glissement.
Les deux paramètres lus disent chacun une chose précise :
- La cohésion, notée c, traduit la part de résistance que le sol garde même sans charge dessus, comme un château de sable humide qui tient debout.
- L'angle de frottement interne traduit l'accroche entre les grains, ce qui freine leur glissement les uns sur les autres, comme un tas de gravier qui forme une pente stable.
La cohésion et l'angle de frottement interne ont chacun leur fiche dans le lexique géotechnique, où leur définition est détaillée. Cette page se concentre sur l'essai qui les mesure.
La boîte de Casagrande impose le plan de rupture
Le cœur de l'essai est un appareil appelé boîte de Casagrande, ou boîte de cisaillement. Deux demi-cadres rigides sont empilés et enserrent l'éprouvette de sol. On appuie sur le dessus, puis on tire le demi-cadre du bas à l'horizontale. Le sol casse alors le long du plan qui sépare les deux moitiés. Ce plan de rupture est imposé par l'appareil, le sol n'a pas le choix de l'endroit où il glisse.
Tailler l'éprouvette
Un morceau de sol est découpé aux dimensions de la boîte, à partir d'une carotte intacte ou d'un sol recompacté en laboratoire. La taille soignée évite de remanier le sol et de fausser la mesure.
Monter les deux demi-boîtes
L'éprouvette est placée entre deux demi-cadres superposés, avec des pierres poreuses en haut et en bas pour laisser l'eau s'évacuer. Les deux moitiés sont d'abord solidaires.
Appliquer la charge verticale
Une contrainte normale est posée sur le dessus de l'éprouvette, puis maintenue le temps que le sol se stabilise. Cette charge représente le poids qui pèsera sur le sol une fois l'ouvrage construit.
Cisailler à vitesse constante
On désolidarise les deux demi-cadres et on déplace le bas à l'horizontale, lentement et de façon régulière. La force qu'il faut pour faire glisser le sol monte, passe par un maximum, c'est la rupture, puis redescend.
Répéter sous trois charges
Le même sol est cisaillé sur au moins trois éprouvettes, chacune sous une charge verticale différente. Ces points alignés tracent la droite qui donne la cohésion et l'angle de frottement.
À noter : le cisaillement reste lent pour que l'eau du sol ait le temps de s'échapper par les pierres poreuses. Dans ces conditions, l'essai mesure des paramètres dits effectifs, notés c prime et phi prime, ceux qui décrivent le comportement du sol drainé, sur le long terme.
L'intérêt de la boîte tient à sa simplicité. Pas de cellule sous pression, pas de circuit d'eau compliqué. On charge, on tire, on note la force à la rupture. Cette robustesse explique pourquoi l'essai reste courant pour beaucoup de chantiers.
La droite de Coulomb donne la cohésion et l'angle de frottement
Chaque éprouvette livre un couple de chiffres, la charge verticale appliquée et la force de cisaillement à la rupture. Reportés sur un graphique, ces points s'alignent sur une droite. C'est la droite de Coulomb, aussi appelée droite intrinsèque du sol.
Sa lecture est directe. La pente de la droite donne l'angle de frottement interne. Le point où elle coupe l'axe vertical, à charge nulle, donne la cohésion. La relation entre les deux s'écrit en mots ainsi, la résistance au glissement vaut la cohésion plus la charge verticale multipliée par la tangente de l'angle de frottement. Cette droite est la traduction graphique du critère de Mohr-Coulomb, le modèle qui décrit la rupture des sols.
L'allure de la droite change selon le type de sol.
| Type de sol | Ce que donne l'essai | Allure de la droite |
|---|---|---|
| Sable, gravier | Cohésion quasi nulle, angle de frottement élevé | Part presque de l'origine, forte pente |
| Argile, limon | Cohésion marquée, angle de frottement plus faible | Décalée vers le haut, pente plus douce |
| Sol intermédiaire | Cohésion et frottement tous les deux présents | Position et pente intermédiaires |
Un sable propre tient surtout par le frottement de ses grains, sa cohésion reste quasi nulle. Une argile, elle, garde une cohésion même sans charge dessus, ce qui lui permet de tenir une paroi verticale sur une faible hauteur et pour un temps limité. La droite raconte cette différence d'un coup d'œil.
Le sol est cisaillé lentement pour rester drainé
La vitesse du cisaillement n'est pas un détail. Dans un sol fin saturé, l'eau coincée entre les grains met du temps à s'évacuer. Cisailler vite reviendrait à piéger cette eau et à mesurer autre chose que la vraie résistance du squelette du sol.
La boîte de Casagrande est donc menée lentement, le temps que l'eau s'évacue et qu'aucune surpression ne s'installe dans le sol. On parle alors d'essai drainé, et les valeurs obtenues sont les paramètres effectifs c prime et phi prime. Ce sont eux qui servent aux calculs de stabilité sur le long terme.
Attention : la boîte ne mesure pas la pression de l'eau dans le sol et ne contrôle pas vraiment le drainage. Sur une argile saturée qu'il faut juger à court terme, juste après les travaux, ce manque devient une vraie limite. C'est là que le triaxial reprend la main, car il sait suivre cette pression d'eau.
Pour un sable, la question se pose moins. L'eau y circule vite, le sol est drainé presque tout de suite, et l'essai à la boîte donne directement de bons paramètres.
Choisir entre le cisaillement direct et le triaxial
Les deux essais visent le même but, mesurer la cohésion et l'angle de frottement. Mais ils ne s'y prennent pas de la même façon, et le résultat ne se lit pas pareil. Le tableau les met face à face.
| Ce qu'on compare | Cisaillement direct | Triaxial |
|---|---|---|
| Appareil | Boîte à deux demi-cadres | Cellule fermée sous pression de confinement |
| Plan de rupture | Imposé, horizontal, entre les deux demi-boîtes | Libre, le sol casse là où il est le plus faible |
| Lecture du résultat | Droite de Coulomb tracée directement | Cercles de Mohr tangents à une enveloppe |
| Eau et drainage | Cisaillement lent, pression d'eau non mesurée | Drainage contrôlé, pression d'eau suivie |
| Mise en œuvre | Simple, rapide, peu coûteuse | Plus longue et plus technique |
| Usage le plus courant | Talus, murs de soutènement, sols courants | Sols fins saturés, court terme contre long terme |
Le choix se résume vite. Pour une mesure rapide et fiable de la cohésion et de l'angle de frottement sur un sol ordinaire, la boîte suffit. Dès que le comportement de l'eau dans une argile devient la vraie question, le triaxial prend le relais. Les deux figurent souvent dans une même étude, sur des sols différents du terrain.
Les ouvrages qui s'appuient sur ces deux valeurs
La cohésion et l'angle de frottement ne restent pas dans le rapport de laboratoire. Ils nourrissent les calculs de plusieurs ouvrages courants, où la stabilité dépend de la résistance du sol au glissement.
- Les talus et les pentes : les deux valeurs servent à vérifier le coefficient de sécurité contre le glissement. Un talus taillé trop raide dans un sol à faible cohésion finit par décrocher.
- Les murs de soutènement : l'angle de frottement décide de la poussée des terres derrière le mur et de la butée devant. Sous-estimer la poussée, c'est risquer un mur qui se penche.
- Les fondations : la cohésion et l'angle de frottement entrent dans le calcul de la charge que le sol accepte avant de poinçonner sous une semelle.
Sans ces deux chiffres, un calcul de talus ou de mur n'a tout simplement pas de point de départ. Voilà pourquoi l'essai de cisaillement revient si souvent dans une mission géotechnique de dimensionnement.
Lire un résultat de cisaillement, un exemple concret
Prenons un petit mur de soutènement à bâtir en bordure d'un terrain. Le laboratoire cisaille trois éprouvettes du sol en place et rend deux chiffres, la cohésion et l'angle de frottement. Pour montrer ce que ces valeurs changent, voici deux sols voisins qui pourraient se présenter sous ce même mur, avec des ordres de grandeur courants.
| Sol testé | Cohésion | Angle de frottement | Ce que ça change pour le mur |
|---|---|---|---|
| Sable propre | Proche de zéro | De l'ordre de 30 à 38 degrés | L'angle élevé réduit la poussée des terres sur le mur, mais une fouille verticale s'éboule vite faute de cohésion |
| Argile ferme | De quelques kilopascals à une vingtaine | De l'ordre de 15 à 25 degrés | La cohésion aide une tranchée à tenir le temps des travaux, mais l'angle plus faible alourdit la poussée et la cohésion baisse si le sol se sature |
Le sable tient par le frottement de ses grains et appuie moins fort sur le mur, sauf qu'il ne garde aucune paroi verticale sans soutien. L'argile, elle, tient mieux une tranchée pendant le chantier grâce à sa cohésion, mais une pluie longue ou une nappe peut faire baisser cette cohésion et déclencher le glissement. Le bureau d'études lit les deux valeurs ensemble avant de dimensionner le mur et de décider comment ouvrir la fouille.
À noter : les valeurs ci-dessus sont des ordres de grandeur courants, donnés pour comprendre la lecture, pas un résultat mesuré. Les chiffres réels viennent toujours de l'essai mené sur votre sol, car deux argiles d'apparence proche affichent parfois une cohésion et un angle bien différents.
La norme qui encadre l'essai
L'essai suit la norme NF EN ISO 17892-10, intitulée essai de cisaillement direct, publiée en décembre 2018. Elle s'inscrit dans le cadre de l'Eurocode 7, le texte européen qui régit les essais géotechniques et le calcul des ouvrages.
La norme fixe le mode opératoire, les pierres poreuses pour le drainage, et le principe d'au moins trois éprouvettes cisaillées sous trois charges verticales différentes. Elle décrit aussi un appareil voisin, l'appareil de cisaillement annulaire, utilisé pour mesurer la résistance résiduelle des sols fins le long d'une surface de glissement déjà formée. Des organismes publics comme le Cerema et l'Union Syndicale Géotechnique éditent par ailleurs des guides qui replacent l'essai dans une étude complète.
L'essai de cisaillement en bref
Les repères à garder en tête, réunis sur une vue.
| En bref | L'essai de cisaillement direct |
|---|---|
| Ce qu'il mesure | La cohésion c et l'angle de frottement interne, soit la résistance au glissement |
| Appareil | La boîte de Casagrande, deux demi-cadres superposés |
| Plan de rupture | Imposé, horizontal, entre les deux demi-boîtes |
| Lecture | La droite de Coulomb, pente pour l'angle, ordonnée pour la cohésion |
| Conditions | Cisaillement lent et drainé, paramètres effectifs c prime et phi prime |
| Éprouvettes | Au moins trois, sous trois charges verticales différentes |
| Applications | Talus, murs de soutènement, fondations |
| Norme | NF EN ISO 17892-10, dans le cadre de l'Eurocode 7 |
Avant de commander l'analyse, quelques points méritent d'être vérifiés dans le rapport.
Ce qu'un bon rapport de cisaillement doit montrer
Des documents publics sur l'essai de cisaillement
Deux documents publics permettent d'aller plus loin. Le premier explique le principe de l'essai et la lecture de la cohésion et de l'angle de frottement, le second montre comment ces deux valeurs servent à dimensionner un ouvrage.
Bon à savoir : le cours de géotechnique de l'INSA Toulouse sur la résistance au cisaillement en laboratoire détaille le critère de Mohr-Coulomb, la droite de Coulomb et les ordres de grandeur de la cohésion et de l'angle de frottement. Le guide du Cerema sur les murs de soutènement (Eurocode 7, NF P94-281) montre, lui, comment ces deux valeurs entrent dans le calcul de la poussée et de la butée.
Avec ces repères en main, voici les questions qui reviennent le plus souvent sur l'essai de cisaillement.
Questions fréquentes
Qu'est-ce qu'un essai de cisaillement
Comment fonctionne l'essai de cisaillement direct
Qu'est-ce que la boîte de Casagrande
Que mesure l'essai de cisaillement
Comment obtient-on la cohésion et l'angle de frottement
Qu'est-ce que la droite de Coulomb
Quelle différence entre le cisaillement direct et le triaxial
Quand préférer l'essai de cisaillement direct
À quoi sert l'essai de cisaillement pour un talus ou un mur de soutènement
Quelles sont les limites de l'essai de cisaillement direct
Quel est le prix d'un essai de cisaillement
Quelle norme encadre l'essai de cisaillement direct
À retenir
- L'essai de cisaillement direct mesure la cohésion et l'angle de frottement d'un sol, soit sa résistance au glissement.
- Une éprouvette est cassée dans la boîte de Casagrande, le long d'un plan de rupture imposé entre deux demi-cadres.
- Trois éprouvettes sous trois charges donnent la droite de Coulomb, dont la pente livre l'angle de frottement et l'ordonnée la cohésion.
- Le cisaillement lent garde le sol drainé et fournit les paramètres effectifs c prime et phi prime, ceux du long terme.
- La boîte est simple et rapide. Le triaxial reprend l'avantage quand le drainage et la pression d'eau doivent être suivis de près.
