Deux nombres ressortent d'un essai triaxial, la cohésion du sol et son angle de frottement. Ce sont eux qui disent si un terrain tiendra sous une fondation ou si un talus risque de glisser.
L'essai mesure la résistance au cisaillement d'une carotte de sol, enfermée dans une cellule sous pression d'eau et poussée jusqu'à la rupture. Voici comment il marche, ce que veulent dire ses variantes UU, CU et CD, et à quoi sert le résultat sur un chantier.
Sommaire
- Ce que mesure l'essai triaxial
- Le déroulement de l'essai en cellule
- Les trois variantes UU, CU et CD
- Lire la cohésion et l'angle sur les cercles de Mohr
- Ce que le résultat change pour votre projet
- Triaxial ou cisaillement direct
- La norme qui encadre l'essai triaxial
- Des guides officiels à télécharger
- L'essai triaxial en bref
- Questions fréquentes
Ce que mesure l'essai triaxial
L'essai triaxial mesure la résistance au cisaillement d'un sol, c'est-à-dire la force au-delà de laquelle le terrain se met à glisser sur lui-même. Cette résistance se résume par deux valeurs, la cohésion notée c et l'angle de frottement noté phi. La cohésion représente l'adhérence naturelle entre les grains. L'angle de frottement traduit la part de résistance qui vient du blocage des grains les uns contre les autres.
Le sol testé arrive au laboratoire sous forme d'une carotte intacte, prélevée pendant un sondage. L'essai triaxial fait partie des analyses menées en laboratoire sur des échantillons de terrain prélevés, à côté de la granulométrie ou de l'essai de compressibilité.
Ce que la mesure apporte concrètement :
- La cohésion c, en kilopascals, l'adhérence du sol même sans charge par-dessus.
- L'angle de frottement phi, en degrés, qui grandit avec la résistance des sables et graviers.
- Le comportement court terme ou long terme, selon que l'eau du sol reste piégée ou s'évacue pendant l'essai.
Le déroulement de l'essai en cellule
Le principe tient dans une image. Une carotte de sol est serrée de tous les côtés par de l'eau sous pression, puis écrasée par le haut jusqu'à ce qu'elle cède. La pression latérale joue le rôle du sol environnant à la profondeur étudiée.
On taille une éprouvette cylindrique
Le laboratoire débite la carotte intacte en un cylindre régulier, souvent de 38 ou 50 mm de diamètre, puis l'enveloppe d'une fine membrane en caoutchouc étanche. Un échantillon remanié, déstructuré au prélèvement, donnerait un résultat sans rapport avec le sol en place.
On applique une pression d'eau tout autour
L'éprouvette est posée dans une cellule remplie d'eau. Cette eau est mise sous pression et serre l'échantillon de partout, comme le poids des terres à la profondeur d'où vient la carotte. C'est la pression de confinement.
On charge jusqu'à la rupture
Un piston pousse lentement sur le haut de l'éprouvette. La contrainte monte, le sol se déforme, puis rompt. L'appareil enregistre la force et le raccourcissement à chaque instant, ce qui trace la courbe de résistance.
On recommence sous trois pressions
L'essai est repris sur d'autres éprouvettes du même sol, sous des pressions de confinement différentes. Le plus souvent trois passages, ce qui suffit pour tracer la droite reliant la cohésion et l'angle de frottement.
Les trois variantes UU, CU et CD
Un même appareil donne trois essais selon deux réglages, la consolidation avant le cisaillement et le drainage pendant le cisaillement. Derrière les sigles se cache une idée simple, laisser l'eau du sol partir ou la garder piégée. Ce choix décide si la mesure parle du court terme ou du long terme.
| Variante | Réglage de l'essai | Ce qu'elle représente | Sols et cas visés |
|---|---|---|---|
| UU non consolidé non drainé | L'eau reste piégée du début à la fin, essai rapide | La tenue juste après le chargement, en cohésion non drainée Cu | Argiles, vérification de la stabilité immédiate sous un remblai ou une fondation neuve |
| CU consolidé non drainé | Le sol se consolide d'abord, puis on cisaille en mesurant la pression de l'eau | La cohésion c et l'angle de frottement durables, obtenus plus vite qu'en CD | Cas courant en bureau d'études, bon compromis entre durée et précision |
| CD consolidé drainé | Le sol se consolide, puis on cisaille lentement en laissant l'eau s'évacuer entièrement | Le comportement à long terme, une fois l'eau partie | Sables et sols drainants, talus définitifs et versants naturels |
À noter : un essai UU est rapide, puisque rien n'est drainé. Un essai CD est bien plus long, car l'eau doit s'évacuer lentement à chaque étape, ce qui peut prendre plusieurs jours sur une argile peu perméable. La variante CU donne les paramètres en contraintes effectives sans attendre cette évacuation complète, ce qui raccourcit le délai.
Lire la cohésion et l'angle sur les cercles de Mohr
Chaque éprouvette cassée se traduit par un cercle tracé sur un graphique, le cercle de Mohr. Sa largeur dépend de la pression de confinement et de la force atteinte à la rupture. Avec trois pressions, on obtient trois cercles de tailles différentes.
On trace alors la droite qui frôle ces cercles par le haut. Cette droite porte un nom, la courbe intrinsèque, et deux nombres se lisent dessus :
- La cohésion c se lit à l'endroit où la droite coupe l'axe vertical. C'est la résistance de base du sol, sans aucune charge par-dessus.
- L'angle de frottement se lit dans la pente de la droite. Plus la pente est forte, plus le sol gagne en résistance quand la charge augmente.
Ce lien entre les deux porte le nom de critère de Mohr-Coulomb. Il dit une chose concrète, la résistance d'un sol au glissement vaut sa cohésion de départ plus une part qui grimpe avec la pression qu'il subit. Un sable propre a peu de cohésion mais un angle de frottement élevé. Une argile molle montre l'inverse.
Ce que le résultat change pour votre projet
La cohésion et l'angle de frottement ne restent pas dans le rapport de laboratoire. Ils entrent directement dans les calculs de l'ingénieur.
- Pour une fondation, ils servent à calculer la charge que le sol supporte sans poinçonner ni trop tasser. L'une des méthodes prévues par l'Eurocode 7 part de ces deux paramètres mesurés en laboratoire sur des échantillons intacts, à côté des données tirées du pressiomètre ou du pénétromètre.
- Pour un talus ou un remblai, ils alimentent le calcul de stabilité qui dit si la pente tient ou glisse.
- Pour un mur de soutènement, ils fixent la poussée des terres à reprendre.
Le moment du chargement compte autant que le sol. Juste après la construction, l'eau du terrain n'a pas eu le temps de partir, c'est le court terme, et l'argile travaille avec sa cohésion non drainée Cu. Des années plus tard, l'eau s'est évacuée, c'est le long terme, et le sol travaille avec ses paramètres durables. Le bon essai dépend de la situation à vérifier.
Triaxial ou cisaillement direct
Les deux essais donnent 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 avec la même finesse. Le tableau les place côte à côte.
| Ce qu'on compare | Cisaillement direct | Essai triaxial |
|---|---|---|
| Appareil | Boîte de Casagrande, l'échantillon coupé en deux demi-boîtes | Cellule cylindrique remplie d'eau sous pression |
| Plan de rupture | Imposé, le sol casse à l'horizontale entre les deux demi-boîtes | Libre, l'éprouvette rompt là où elle est la plus faible |
| Maîtrise du drainage | Limitée | Précise, avec les variantes UU, CU et CD |
| Pression de l'eau dans le sol | Non mesurée en général | Mesurable, en particulier sur l'essai CU |
| Lecture du résultat | Directe, à partir des forces relevées | Par les cercles de Mohr puis la courbe intrinsèque |
| Mise en oeuvre | Simple et rapide | Plus longue, mais plus complète |
Attention : le triaxial gagne dès qu'il faut séparer le court terme du long terme, ou tenir compte de l'eau dans le sol. Le cisaillement direct reste utile pour une mesure simple et rapide. Les deux ne s'opposent pas, le bureau d'études choisit selon le sol et la question posée.
La norme qui encadre l'essai triaxial
L'essai triaxial suit des normes précises, différentes selon la variante.
- L'essai non consolidé non drainé, l'UU, relève de la NF EN ISO 17892-8, publiée en mars 2018.
- Les essais consolidés, le CU et le CD, relèvent de la NF EN ISO 17892-9, publiée en avril 2018. Cette norme a remplacé l'ancienne NF P 94-074, encore citée dans de vieux documents.
La liste à jour de ces normes est tenue par les commissions de normalisation géotechnique, dans le recensement officiel des normes du secteur. Les valeurs mesurées alimentent ensuite les calculs encadrés par l'Eurocode 7, le référentiel européen de dimensionnement des ouvrages géotechniques.
Des guides officiels à télécharger
La cohésion et l'angle de frottement mesurés au triaxial servent ensuite aux calculs encadrés par l'Eurocode 7. Les guides publics du Cerema montrent, ouvrage par ouvrage, comment ces deux valeurs entrent dans le dimensionnement.
Le guide qui explique le calcul de la portance d'une semelle ou d'un radier selon l'Eurocode 7. Il part des paramètres de résistance au cisaillement du sol, la cohésion et l'angle de frottement mesurés en laboratoire sur des échantillons intacts, pour vérifier qu'une fondation ne poinçonne pas et ne tasse pas trop.
Ce que vous y trouverez : le chemin entre les deux valeurs du triaxial et la charge admissible sous une fondation.
Le guide consacré aux écrans de soutènement, parois moulées et rideaux de palplanches. Il détaille la poussée des terres à reprendre, calculée à partir de l'angle de frottement et de la cohésion du sol retenu, là où le résultat d'un essai triaxial trouve une application directe.
Ce que vous y trouverez : comment l'angle de frottement gouverne la poussée d'un terrain derrière un écran.
Le guide dédié aux murs de soutènement, qu'il s'agisse de murs poids ou de voiles en béton. Il reprend les mêmes paramètres de sol, cohésion et angle de frottement, pour vérifier la stabilité du mur face à la poussée des terres et au glissement de sa base.
Ce que vous y trouverez : l'usage de la cohésion et de l'angle de frottement dans la vérification d'un mur.
L'essai triaxial en bref
Les repères à garder, rassemblés sur une vue.
| En bref | L'essai triaxial |
|---|---|
| Ce qu'il mesure | La résistance au cisaillement du sol, sous forme de cohésion c et d'angle de frottement |
| Comment | Une éprouvette cylindrique serrée par de l'eau sous pression, écrasée jusqu'à la rupture |
| Variantes | UU pour le court terme, CU et CD pour le long terme |
| Lecture | Cercles de Mohr, courbe intrinsèque, critère de Mohr-Coulomb |
| À quoi ça sert | Dimensionner fondations, talus et soutènements selon l'Eurocode 7 |
| Normes | NF EN ISO 17892-8 pour l'UU, NF EN ISO 17892-9 pour le CU et le CD |
| Face au cisaillement direct | Plus complet, drainage maîtrisé, plan de rupture libre, mais plus long |
Avant de commander des essais, quelques réflexes évitent un rapport inutilisable.
Avant de demander des essais triaxiaux
Questions fréquentes
Qu'est-ce que l'essai triaxial
Comment fonctionne un essai triaxial
Quelle différence entre les essais UU, CU et CD
À quoi sert la pression de confinement
À quoi servent les cercles de Mohr
Comment obtient-on la cohésion et l'angle de frottement
Qu'est-ce que le critère de Mohr-Coulomb
Quelle différence entre l'essai triaxial et le cisaillement direct
Quand choisir un essai triaxial drainé ou non drainé
À quoi sert l'essai triaxial pour dimensionner une fondation
Quel est le prix d'un essai triaxial
Quelle norme encadre l'essai triaxial
À retenir
- L'essai triaxial mesure la résistance au cisaillement du sol et en tire la cohésion c et l'angle de frottement.
- Une éprouvette cylindrique est serrée par de l'eau sous pression, puis écrasée jusqu'à la rupture, sous plusieurs pressions, le plus souvent trois.
- L'UU parle du court terme, le CU et le CD du long terme, selon que l'eau reste piégée ou s'évacue.
- La cohésion et l'angle se lisent sur les cercles de Mohr et la courbe intrinsèque, selon le critère de Mohr-Coulomb.
- Le résultat sert à dimensionner fondations, talus et soutènements, sous les normes NF EN ISO 17892-8 et 17892-9.
