Une argile molle chargée par un remblai continue de tasser pendant des années. Le coefficient de consolidation Cv est le chiffre qui dit en combien de temps. Il ne mesure pas de combien le sol va tasser, mais à quelle vitesse l'eau s'évacue de ses pores sous la charge. On explique ici ce qu'il représente, son unité particulière, l'essai qui le donne et comment il sert à prévoir la durée d'un tassement.
Sommaire
Ce que mesure le coefficient Cv
Le coefficient de consolidation, noté Cv, gouverne la vitesse à laquelle un sol fin saturé se tasse sous charge. Quand on pose un remblai ou un bâtiment sur une argile, l'eau emprisonnée dans les pores doit sortir avant que le sol ne se comprime. Cette évacuation prend du temps, et c'est ce temps que Cv décrit.
Plus Cv est élevé, plus l'eau s'échappe vite et plus le tassement se produit tôt. Plus il est faible, plus la consolidation s'étire.
- Un Cv élevé signale une consolidation rapide, souvent associée aux limons.
- Un Cv faible signale une consolidation lente, fréquente dans les argiles plastiques.
- Cv combine deux propriétés du sol, sa perméabilité et sa compressibilité.
Ce paramètre vient de la théorie de la consolidation établie par Terzaghi, qui modélise l'expulsion progressive de l'eau d'un sol saturé sous charge. Il rejoint les autres notions de compressibilité rassemblées dans le lexique des termes géotechniques.
En bref : Cv mesure la vitesse de tassement d'un sol fin saturé, pas son ampleur. Un Cv faible veut dire que l'eau sort lentement et que le sol met des années à se stabiliser.
Amplitude et vitesse, deux questions distinctes
Voilà le point qui sépare Cv des autres paramètres de compressibilité. Deux questions se posent face à un sol mou. De combien va-t-il tasser, et en combien de temps. Ce sont deux mesures différentes.
L'ampleur du tassement dépend de la charge et des indices de compressibilité. La durée dépend de Cv. Un même tassement final se produit en quelques mois ou s'étale sur des années selon ce coefficient.
- L'amplitude, de combien le sol descend, se lit sur les indices Cc et Cs.
- La vitesse, en combien de temps il descend, se lit sur Cv.
- Les deux viennent du même essai de laboratoire, mais répondent à des questions opposées.
Pour le volet amplitude, voir l'indice de compression Cc, qui chiffre de combien une argile se comprime. Cv prend le relais sur la durée.
À noter : un sol qui tasse beaucoup ne tasse pas forcément lentement, et l'inverse est vrai. Une argile peu compressible mais qui laisse mal passer l'eau descend peu, mais sur une longue durée. Amplitude et vitesse se traitent séparément.
L'unité du Cv, une surface par temps
C'est une particularité de ce paramètre. Cv n'est ni un indice sans dimension comme Cc, ni une contrainte en kilopascals. Il s'exprime en surface par unité de temps.
- En mètres carrés par an (m²/an), pratique pour parler de durée de chantier.
- En mètres carrés par seconde (m²/s), l'unité du calcul en système international.
- En centimètres carrés par seconde (cm²/s), courant dans la littérature de mécanique des sols.
Le repère pour passer de l'une à l'autre, une année compte environ 31,5 millions de secondes. Cette unité de surface par temps rappelle que Cv décrit une diffusion, celle de l'eau qui sort du sol, pas une résistance ni une déformation.
Bon à savoir : retenir l'unité évite la confusion la plus fréquente. Un module de déformation s'exprime en mégapascals. Cv s'exprime en surface par temps. Les deux ne se comparent pas et ne se calculent pas de la même façon.
L'essai œdométrique qui donne le Cv
Cv se déduit de la courbe de tassement enregistrée pendant un essai œdométrique, suivant la norme NF EN ISO 17892-5. On suit l'enfoncement d'une éprouvette de sol dans le temps, à chaque palier de charge.
Chargement par paliers
On place une éprouvette de sol dans un anneau rigide qui empêche tout mouvement latéral, puis on applique la charge verticale par paliers croissants, l'éprouvette étant drainée par le haut et par le bas.
Suivi du tassement dans le temps
À chaque palier, on enregistre l'enfoncement de l'éprouvette minute après minute. La courbe obtenue porte la signature de la vitesse à laquelle l'eau s'évacue du sol.
Lecture de la courbe
On en tire le Cv par construction graphique. La méthode de Casagrande s'appuie sur le temps en échelle logarithmique, la méthode de Taylor sur la racine du temps. Les deux donnent des résultats comparables, à 10 à 20 % près.
C'est le même essai qui fournit les indices d'amplitude et la pression de préconsolidation. Le déroulement complet figure sur la page dédiée à l'essai œdométrique en laboratoire. L'essai demande de la patience, car chaque palier de charge est maintenu au moins 24 heures et un essai complet sur une argile s'étale sur une à deux semaines.
Une fois Cv connu, le bureau d'études passe à l'étape qui intéresse le maître d'ouvrage, le calcul de la durée du tassement.
Calculer le temps de tassement
Le temps pour atteindre un pourcentage donné du tassement final, appelé degré de consolidation, se calcule à partir de trois éléments. Le coefficient Cv, la longueur du chemin que l'eau doit parcourir pour sortir du sol, et un facteur temps sans dimension propre à la théorie de Terzaghi.
La longueur de drainage pèse lourd, car elle intervient au carré. Doubler l'épaisseur de sol à drainer multiplie par quatre la durée du tassement.
- Le coefficient Cv fixe la vitesse de fond.
- Le chemin de drainage dit la distance maximale que l'eau parcourt pour s'échapper.
- Le degré visé, souvent 90 ou 95 % du tassement final, fixe le seuil à atteindre.
Attention : un sol drainé par le haut et par le bas laisse l'eau parcourir au plus la moitié de l'épaisseur de la couche. Drainé d'un seul côté, par exemple posé sur une roche saine, elle traverse toute l'épaisseur. Confondre les deux cas fausse la durée d'un facteur quatre.
Concrètement, une argile molle de plusieurs mètres atteint parfois 90 % de son tassement au bout de dix ans ou davantage. Sur un sol perméable comme un limon ouvert, le même tassement se joue en quelques semaines.
Quand la durée prévue dépasse le calendrier du chantier, il existe des moyens de l'écourter, présentés ci-dessous.
Valeurs selon le sol et moyens d'accélérer
Ordres de grandeur par famille de sol
Cv s'étale globalement de 10⁻⁹ à 10⁻⁴ m²/s selon la nature du sol, des argiles plastiques aux sables. Les bandes par famille ci-dessous sont des ordres de grandeur de la littérature de mécanique des sols. La valeur réelle dépend du palier de contrainte et se mesure par essai, au cas par cas.
| Famille de sol | Consolidation | Cv indicatif (m²/s) |
|---|---|---|
| Argile plastique, vase, sol organique | Lente, plusieurs années | 10⁻⁹ à 10⁻⁸ |
| Argile ferme | Modérée, mois à années | 10⁻⁸ à 10⁻⁷ |
| Limon | Plus rapide, jours à mois | 10⁻⁷ à 10⁻⁶ |
| Sable | Quasi immédiate | Élevé, hors calcul de durée |
Ces ordres de grandeur expliquent pourquoi une argile fine, dont la perméabilité avoisine un milliardième de mètre par seconde, met des années à se consolider, alors qu'un limon plus ouvert se stabilise en quelques heures à quelques jours.
Accélérer la consolidation d'un sol mou
Comme Cv reste une propriété du sol, on ne le change pas directement. Pour gagner du temps, on agit sur le chemin de drainage, celui qui intervient au carré dans le calcul.
- Des drains verticaux plantés dans le sol mou créent des chemins de sortie rapprochés pour l'eau.
- Un préchargement, un remblai provisoire posé avant les travaux, force le tassement en amont.
- Selon la maille des drains et l'épaisseur de sol traitée, l'association des deux ramène la durée de plusieurs années à quelques mois.
Le guide du Cerema sur les remblais sur sols compressibles décrit la reconnaissance de ces terrains et les techniques de traitement.
Ce qu'un rapport précise au sujet de Cv
Questions fréquentes
Qu'est-ce que le coefficient de consolidation Cv
Que signifie Cv en géotechnique
Quelle est l'unité du coefficient de consolidation
Comment mesure-t-on le coefficient de consolidation
Quelle différence entre Cv et l'indice de compression Cc
Comment calcule-t-on le temps de tassement
Qu'est-ce que le degré de consolidation
Pourquoi une argile tasse-t-elle pendant des années
Quelles valeurs de Cv selon le type de sol
Comment accélère-t-on la consolidation d'un sol mou
Cv dépend-il de la perméabilité du sol
Que veulent dire les lettres Cv
À retenir
- Cv mesure la vitesse de tassement d'un sol fin saturé, pas son amplitude, qui se lit sur les indices Cc et Cs.
- Son unité est une surface par temps, m²/s, m²/an ou cm²/s, et non un module en mégapascals.
- Il se détermine à l'œdomètre, par les méthodes de Casagrande ou de Taylor, suivant la norme NF EN ISO 17892-5.
- La durée de tassement dépend de Cv, du chemin de drainage élevé au carré et d'un facteur temps sans dimension.
- Les drains verticaux et le préchargement raccourcissent cette durée en réduisant le chemin de drainage.
