Sur un sable propre, la cohésion d'un sol est quasi nulle. Sur une argile raide et saturée, elle dépasse souvent 100 kPa. Notée c, la cohésion mesure la part de résistance qui tient les grains entre eux, sans aucune charge appliquée. On explique ici ce qu'elle représente, pourquoi elle se lit toujours avec l'angle de frottement, et ce qui sépare la cohésion effective de la cohésion non drainée.
Sommaire
Ce que mesure la cohésion d'un sol
La cohésion, notée c, est la part de la résistance au cisaillement d'un sol qui ne dépend pas de la contrainte appliquée. C'est la force de liaison entre les particules. Elle tient au contact entre grains fins et à l'eau qui les relie.
Sur un graphique qui relie la résistance au cisaillement à la contrainte normale, la cohésion est l'ordonnée à l'origine. Autrement dit, la résistance que le sol oppose encore quand aucune charge ne le presse. Un sable propre n'en a presque pas, ses grains glissent dès qu'on les sollicite sans confinement. Une argile en a une marquée, ses feuillets restent accrochés.
- Une cohésion forte fait tenir une tranchée d'argile presque verticale sur quelques mètres, juste après le creusement.
- Une cohésion quasi nulle donne un tas de sable sec qui s'étale en pente douce.
- La cohésion se lit en couple avec l'angle de frottement, jamais isolée.
Ce paramètre revient dans tout rapport de mécanique des sols, aux côtés des autres grandeurs décrites dans les autres définitions du lexique géotechnique. Pour le comprendre, il faut le replacer dans le critère qui le définit.
En bref : la cohésion c est la résistance du sol au cisaillement quand la contrainte normale est nulle. Forte dans les argiles, presque inexistante dans les sables propres. Elle décrit la part de tenue qui vient des liaisons entre grains, pas du frottement.
La cohésion et l'angle de frottement dans Mohr-Coulomb
La cohésion ne suffit pas à décrire la résistance d'un sol. Il faut un second paramètre, l'angle de frottement, qui traduit la résistance liée au serrage des grains les uns contre les autres. Les deux forment le critère de Mohr-Coulomb, le cadre de référence en mécanique des sols.
La règle de Mohr-Coulomb : la résistance au cisaillement vaut τ = c + σ tan φ. La cohésion c est la part présente même sans charge. L'angle de frottement φ donne la pente de la droite, la part qui grimpe avec la contrainte normale σ. Sur un sable, c proche de zéro, tout vient du frottement. Sur une argile, c marquée porte une bonne partie de la résistance.
Concrètement, la cohésion et l'angle de frottement se répartissent le travail.
- La cohésion tient le sol sans aucune charge dessus, comme une berge d'argile.
- L'angle de frottement ajoute de la résistance dès qu'une charge presse le sol, comme sous une semelle.
- Un sol fin combine les deux, un sable propre repose presque tout sur le frottement.
Le détail du second paramètre se trouve sur la fiche dédiée à l'angle de frottement interne du sol. Cette fiche se concentre sur la cohésion.
Cohésion effective ou cohésion non drainée
C'est le point le plus souvent mal compris. Il existe deux cohésions selon que l'eau du sol a le temps de s'évacuer ou non pendant la sollicitation. Le choix entre les deux commande l'analyse à court ou à long terme d'un ouvrage.
La cohésion effective, pour le long terme
La cohésion effective, notée c', est le paramètre exprimé en contraintes effectives, celles que supporte le squelette du sol une fois l'eau dissipée. Elle décrit le comportement à long terme, quand les pressions d'eau se sont équilibrées. Sur de nombreux sols, c' reste faible, voire nulle pour les sables propres et les argiles normalement consolidées.
La cohésion non drainée, pour le court terme
La cohésion non drainée, notée cu, décrit la résistance d'un sol fin saturé au moment où on le charge, quand l'eau piégée dans les pores n'a pas le temps de partir. Elle vaut pour le court terme, juste après un terrassement ou la pose d'un remblai sur une argile molle. Son détail et son usage figurent sur la fiche de la cohésion non drainée du sol.
| Critère | Cohésion effective c' | Cohésion non drainée cu |
|---|---|---|
| Échéance | Long terme, eau dissipée | Court terme, eau piégée |
| Sols visés | Tous, valeur souvent faible | Sols fins saturés, argiles et limons |
| Contraintes | Effectives | Totales |
| Usage type | Stabilité durable d'un talus | Sécurité juste après terrassement |
Attention : la phase la plus défavorable dépend du chantier. Sous un remblai sur sol mou, le risque est maximal en fin de travaux, puis la consolidation renforce le sol. Dans un talus de déblai en argile, c'est l'inverse, la tenue baisse avec les années à mesure que l'eau se redistribue. La cohésion retenue, non drainée ou effective, suit donc la phase étudiée.
La valeur retenue dépend donc de la question posée. Reste à savoir comment ces deux cohésions se mesurent.
Comment on mesure la cohésion en laboratoire
La cohésion et l'angle de frottement se déterminent ensemble, à partir d'éprouvettes cisaillées sous plusieurs contraintes. Deux essais de laboratoire servent à cela.
- La boîte de cisaillement, qui impose un plan de rupture et déplace une demi-boîte sur l'autre, suivant la norme NF EN ISO 17892-10.
- L'essai triaxial, qui comprime une éprouvette sous une pression de confinement et contrôle le drainage de l'eau.
Le principe de lecture des deux paramètres tient en trois temps.
Cisailler plusieurs éprouvettes
On rompt au moins trois éprouvettes d'un même sol, chacune sous une contrainte normale différente, et on relève la résistance au cisaillement à la rupture.
Tracer la droite des points
On reporte chaque couple contrainte normale et résistance sur un graphique. Les points s'alignent sur une droite, la droite de Coulomb.
Lire c et l'angle de frottement
L'ordonnée à l'origine de la droite donne la cohésion c. La pente de la droite donne l'angle de frottement. Les conditions de drainage de l'essai fixent si la cohésion est effective ou non drainée.
Le protocole complet et le réglage du drainage relèvent de l'essai de cisaillement direct en laboratoire. Une mesure rapide de la cohésion non drainée se fait aussi sur le terrain, au scissomètre, sans prélèvement.
Valeurs indicatives de cohésion selon le sol
La cohésion grimpe des sols grenus propres vers les argiles fermes. Le tableau ci-dessous donne des ordres de grandeur indicatifs, tirés de la littérature de mécanique des sols, pas des seuils réglementaires. Les valeurs de cohésion non drainée suivent la consistance de l'argile, de molle à dure.
| Type de sol | Cohésion effective c' | Cohésion non drainée cu |
|---|---|---|
| Sable, grave propre | Quasi nulle | Sans objet, drainage immédiat |
| Limon | Faible | Faible à modérée |
| Argile molle | Faible | Environ 12 à 25 kPa |
| Argile ferme | Faible à modérée | Environ 50 à 100 kPa |
| Argile raide à dure | Modérée | Au-delà de 100, jusqu'à plus de 200 kPa |
Deux réflexes pour lire ce tableau sans se tromper.
- La cohésion non drainée n'est pas une propriété fixe du sol, elle suit la teneur en eau et la consistance, et baisse quand l'argile se ramollit.
- Une valeur de cohésion ne s'utilise jamais seule, elle va de pair avec l'angle de frottement et avec les conditions de l'essai qui l'a fournie.
Où intervient la cohésion dans un calcul
La cohésion entre dans tous les calculs de résistance d'un sol. Elle pèse sur la sécurité de trois familles d'ouvrages.
- La stabilité des pentes et des talus, où une cohésion faible favorise le glissement, un phénomène recensé par le portail public des risques.
- La poussée sur les soutènements, murs et parois, où la cohésion réduit l'effort que le sol exerce.
- La capacité portante des fondations, où la cohésion d'un sol fin participe à la charge admissible.
L'État cartographie d'ailleurs les zones sujettes aux glissements de terrain sur le portail Géorisques, rubrique mouvements de terrain. Pour le calcul, un rapport solide doit préciser quelle cohésion il retient et d'où elle vient.
Ce qu'un rapport doit préciser sur la cohésion
Bien lue, la cohésion oriente le choix des fondations et la stabilité d'un projet sur sol fin.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la cohésion d'un sol
Que signifie la lettre c en mécanique des sols
Quelle est l'unité de la cohésion
Quelle différence entre la cohésion et l'angle de frottement
Qu'est-ce que le critère de Mohr-Coulomb
Quelle différence entre cohésion effective et cohésion non drainée
Un sable a-t-il de la cohésion
Quels sols ont la cohésion la plus forte
Comment mesure-t-on la cohésion en laboratoire
La cohésion est-elle une propriété fixe du sol
À quoi sert la cohésion pour la stabilité d'une pente
Pourquoi distinguer le court terme et le long terme avec la cohésion
À retenir
- La cohésion c est la part de résistance au cisaillement du sol présente sans aucune charge, forte dans les argiles, quasi nulle dans les sables propres.
- Elle se lit toujours en couple avec l'angle de frottement, dans le critère de Mohr-Coulomb τ = c + σ tan φ.
- Son unité est le kilopascal, une contrainte, à ne pas confondre avec l'angle de frottement exprimé en degrés.
- On distingue la cohésion effective c' du long terme et la cohésion non drainée cu du court terme, selon que l'eau du sol s'est évacuée ou non.
- Elle se mesure à la boîte de cisaillement ou au triaxial, et sert aux calculs de stabilité de pente, de soutènement et de fondation.
