La cohésion de sols : guide complet des sols cohérents et de leurs propriétés

La cohésion de sols est un paramètre fondamental en géotechnique qui caractérise la capacité d’un sol à rester assemblé, à « coller » en quelque sorte. Elle concerne surtout les sols cohérents, c’est-à-dire les sols fins riches en argile ou limon, par opposition aux sols non cohérents (sables, graviers) qui s’écoulent facilement.

Comprendre la cohésion des sols est crucial pour prédire le comportement des terrains (stabilité des pentes, tassements, retrait-gonflement) et assurer la pérennité des constructions.

Dans cet article-guide, nous allons explorer les sols cohérents et leurs propriétés, notamment les argiles, ainsi que les principaux paramètres techniques qui définissent leur comportement (limites d’Atterberg, indices de plasticité, consistance, sensibilité, activité).

Un aperçu des tests de laboratoire sur les sols fins sera donné, et nous verrons comment ces paramètres servent à la classification des sols cohérents et à la prévision du comportement des sols argileux en conditions réelles.

Enfin, nous soulignerons l’importance de faire réaliser une étude de sol (missions G1 à G5) par un professionnel tel que Geo2mo pour sécuriser vos projets de construction.

Qu’est-ce qu’un sol cohérent ? (Sols cohérents et importance géotechnique)

Un sol cohérent est un sol à grains fins (typiquement argile ou limon) doté d’une certaine cohésion interne, due aux interactions physico-chimiques entre particules.

Ces forces de liaison (liaisons d’eau, charges électrostatiques des minéraux argileux, etc.) font que le sol peut se tenir en masse compacte.

À l’inverse, un sol non cohérent (sable, grave) n’a pratiquement pas de cohésion : ses grains grossiers ne tiennent ensemble que par friction et retombent en tas lorsqu’on le manipule.

Cette différence de nature induit des comportements très distincts :

Cette distinction est capitale en géotechnique, car elle impacte directement la portance d’un sol et les méthodes de construction à employer. Les sols cohérents, riches en argile, ont une résistance au cisaillement qui comprend un terme de cohésion (noté c), en plus du frottement interne.

En termes simples, cela signifie qu’un bloc d’argile peut avoir une certaine tenue même sans confinement, là où un sable s’écoulerait.

La cohésion dépend de la présence d’argiles dans le sol, de la teneur en eau et de la densité : il faut suffisamment d’argile pour créer du lien, mais trop d’eau déstabilise l’argile en diminuant sa cohésion.

Ainsi, un sol argileux sec est dur et cohérent, tandis que saturé d’eau il devient meuble et mou. Du point de vue géotechnique, les sols cohérents sont à la fois importants et problématiques : importants car ils constituent le support de nombreuses fondations et ouvrages (par exemple, la plupart des terrains de construction en plaine contiennent de l’argile), mais problématiques car leur comportement peut varier fortement avec l’eau (gonflement, retrait, ramollissement, fissuration).

La cohésion de sols argileux bien caractérisée permet de mieux appréhender ces risques.

Pour identifier et quantifier la cohésion et le comportement des sols cohérents, les ingénieurs utilisent une série de paramètres et d’essais normalisés.

La classification des sols cohérents (par exemple selon la norme française GTR NF P 11-300) repose notamment sur la proportion de fines (argile/limon) et sur des essais de laboratoire sur sols fins mesurant leur plasticité et leur comportement à l’eau.

Les sections suivantes détaillent les propriétés clés des argiles cohérentes et les paramètres comme les limites d’Atterberg (limite de liquidité, plasticité, retrait) et les indices dérivés (indice de plasticité IP, indice de liquidité IL, indice de consistance Ic).

Argiles : propriétés, comportement et rôle en construction

Les argiles sont les principaux constituants des sols cohérents. D’un point de vue granulométrique, on parle d’argile pour les particules minérales de très petite taille (diamètre inférieur à ~2 µm). Ces particules sont généralement des minéraux argileux (illite, kaolinite, montmorillonite, etc.) ayant une structure en feuillets.

Cette structure leur confère une surface spécifique énorme et explique leur forte capacité de rétention d’eau.

En effet, les argiles peuvent adsorber de grandes quantités d’eau dans leurs interstices : un gramme de montmorillonite représente environ 500 m² de surface apte à retenir de l’eau ou des ions, à titre de comparaison, le sable est quasiment inerte et l’eau ne fait que combler ses pores sans adhérence particulière.

Cette aptitude à retenir l’eau fait qu’une argile humide n’est pas un simple mélange de grains et d’eau, mais un matériau cohésif où l’eau est liée aux surfaces des particules.

Du fait de cette microstructure, le comportement des sols argileux présente des caractéristiques particulières en construction.

Une argile peut changer radicalement de consistance selon sa teneur en eau : sol dur et rigide à l’état sec, elle devient sol plastique et déformable à l’état moyennement humide, puis sol mou voir liquide à l’état très humide.

Par exemple, un sol argileux bien sec peut soutenir des charges importantes (on peut parfois creuser des parois verticales dans de l’argile sèche), alors que le même sol détrempé va s’affaisser ou s’écouler.

Les argiles ont ainsi un comportement plastique marqué : elles peuvent subir de grandes déformations non réversibles sans se rompre tant qu’elles conservent une humidité suffisante, ce qui est précieux pour certains terrassements.

Cependant, elles présentent aussi des risques de retrait-gonflement : en séchant, l’argile diminue de volume (retrait) et peut fissurer; en se réhumidifiant, elle gonfle et exerce des pressions sur les structures.

Ainsi, après une période sèche, un sol argileux très desséché pourra se réhumidifier et gonfler, causant des soulèvements ou des désordres si les fondations ne sont pas adaptées.

Ce phénomène de retrait-gonflement des argiles est bien connu dans de nombreuses régions et justifie à lui seul de caractériser les argiles lors des études de sol.

Un autre aspect crucial est la densité des argiles.

À l’état naturel, un sol argileux peut présenter une faible densité apparente s’il est très chargé en eau (beaucoup de vides remplis d’eau, donc masse volumique sèche faible).

En revanche, une argile compactée (par exemple au compacteur sur un chantier routier) aura une densité plus élevée et une structure resserrée. La densité et la teneur en eau influencent directement la résistance d’un sol argileux : un sol dense avec une humidité modérée sera plus résistant, tandis qu’un sol argileux peu dense et gorgé d’eau sera très faible.

Les ingénieurs cherchent souvent à optimiser ces deux facteurs (par exemple, par un compactage au Proctor optimal qui vise la densité maximale pour une teneur en eau donnée) afin d’améliorer la cohésion et la portance du sol. En somme, les argiles sont des matériaux complexes : indispensables à la cohésion de sols, mais nécessitant une caractérisation fine de leurs propriétés d’eau (plasticité, limites, indices) et un contrôle en chantier (drainage, compactage) pour en tirer le meilleur parti en construction.

Les limites d’Atterberg : liquidité, plasticité et retrait

Pour quantifier le comportement d’un sol cohérent en fonction de sa teneur en eau, on utilise les limites d’Atterberg. Ce sont trois valeurs caractéristiques d’humidité du sol définissant les transitions entre états de consistance : la limite de liquidité (LL), la limite de plasticité (LP) et la limite de retrait (LR) (souvent notée SL en anglais pour Shrinkage Limit).

Ces limites sont déterminées par des essais de laboratoire normalisés sur les sols fins et constituent des outils précieux de classification et de prévision du comportement des argiles.

En d’autres termes, elles permettent de cerner dans quelle plage de teneur en eau un sol argileux est solide, plastique ou liquide.

• Limite de liquidité (LL) – C’est la teneur en eau à partir de laquelle un sol cohérent passe de l’état plastique à l’état liquide. Concrètement, au-dessus de la LL, le matériau se comporte comme une boue visqueuse qui ne conserve plus la forme qu’on lui donne. L’essai standard (Casagrande) consiste à mesurer la teneur en eau pour laquelle un sillon tracé dans la pâte d’argile se referme sur 1 cm après 25 coups de coupelle. La limite de liquidité correspond à cette teneur en eau critique où le sol commence à couler sous son poids. Une argile ayant une LL très élevée (par ex. LL > 70 %) est dite très sensible à l’eau, car il lui faut beaucoup d’eau pour liquéfier – cela révèle souvent une argile de type montmorillonitique très plastique. Inversement, une argile avec LL modérée (20–30 %) est moins plastique et liquéfie plus rapidement.
  
• Limite de plasticité (LP) – C’est la teneur en eau à laquelle le sol passe de l’état semi-solide (friable) à l’état plastique malléable. En dessous de la LP, le sol est rigide et fissurable; juste au-dessus, il devient suffisamment humide pour être pétri et déformé sans se casser. L’essai consiste à rouler un petit boudin de terre sur une plaque jusqu’à ce qu’il atteigne ~3 mm de diamètre et se fissure : la teneur en eau mesurée à ce moment est la limite de plasticité. À la LP, l’argile commence donc à « prendre de la plasticité », c’est-à-dire à pouvoir être travaillée comme de la pâte à modeler.
  
• Limite de retrait (LR) – C’est la teneur en eau en dessous de laquelle le sol ne rétrécit plus en séchant. Autrement dit, à partir de la LR, toute l’eau supplémentaire retirée ne provoque plus de diminution de volume du sol (les pores résiduels étant désormais remplis d’air). La limite de retrait marque la frontière entre l’état solide et l’état semi-solide du sol. Elle est particulièrement importante pour évaluer le retrait des argiles en cas de sécheresse : une argile dont la teneur en eau descend en dessous de sa LR aura atteint son retrait maximum (volume minimal), et toute dessiccation additionnelle n’entraînera plus de tassement significatif. Connaître la LR aide donc à anticiper le point à partir duquel un sol argileux ne se contractera plus malgré la poursuite du séchage – information utile dans les régions soumises à des cycles humides/sec qui provoquent des fissures dans les sols argileux.

Les limites d’Atterberg fournissent déjà de précieuses indications pour la classification des sols cohérents. Par exemple, la différence entre LL et LP définit l’indice de plasticité d’un sol (voir section suivante) qui sert à classer le sol comme peu plastique, moyennement plastique, très plastique, etc.

Les normes de classification (telles que l’USCS américaine ou le GTR français) intègrent ces valeurs : un sol fin avec LL et IP élevés sera classé comme argile (symbole A en GTR) alors qu’un sol avec IP faible sera classé comme limon.

En pratique, ces essais de laboratoire sur sols fins sont systématiquement effectués dans le cadre des études géotechniques pour identifier la nature d’un terrain. Ils permettent aux ingénieurs de communiquer efficacement sur le type de sol (argile haute plasticité, limon faible plasticité, etc.) et de prédire le comportement mécanique de ce sol dans diverses conditions de chantier.

Par exemple, une argile à LL=60 % et LP=25 % (donc IP=35 %) sera reconnue comme très plastique et susceptible de fortes variations de volume, ce qui alertera sur un risque de retrait-gonflement important – des précautions constructives seront alors préconisées.

Indices de plasticité, liquidité et consistance (IP, IL, Ic)

À partir des limites d’Atterberg, on définit plusieurs indices adimensionnels qui quantifient la plasticité et l’état d’un sol cohérent. Ces indices sont très utiles pour l’ingénieur car ils condensent l’information des limites sous forme de nombres faciles à interpréter.

• Indice de plasticité (IP) – C’est tout simplement l’intervalle de teneur en eau sur lequel le sol est à l’état plastique. Mathématiquement, IP = LL – LP. Plus l’IP est grand, plus le domaine où le sol est plastique est large : un IP élevé traduit donc une argile très plastique (qui peut absorber beaucoup d’eau tout en restant cohérente). À l’inverse, un IP quasi nul indiquerait un sol qui a des limites LL et LP quasi confondues : typiquement un limon ou un sol peu argileux qui perd sa cohésion dès qu’il est légèrement humidifié. L’IP est un critère majeur de classification des sols cohérents :
  
  par exemple, selon la classification de Casagrande, un IP < 7 % indique un sol peu plastique (plutôt limoneux), tandis qu’un IP > 17 % indique un sol argileux plastique.
  
• Indice de liquidité (IL) – Cet indice compare la teneur en eau naturelle d’un sol (w, mesurée in situ sur un échantillon) à ses limites de plasticité et de liquidité. On le calcule par IL = (w – LP) / (LL – LP).
  Il indique où se situe le sol entre sa LP et sa LL au moment du prélèvement. Un IL proche de 0 signifie que le sol est à sa limite de plasticité (donc assez sec et ferme) tandis qu’un IL proche de 1 signifie qu’il est à la limite de liquidité (très humide et presque fluide). On interprète couramment cet indice ainsi : IL < 0 indique un sol plus sec que la LP (consistance rigide, cassante), IL ≈ 0.5 un sol en condition plastique molle, et IL > 1 un sol au-delà de sa LL, donc à l’état liquide.
  
  Par exemple, si un échantillon d’argile naturelle a LP=25 %, LL=50 % et une teneur en eau w=40 %, on obtient IL=(40–25)/(50–25)=0,6 – le sol est en état plastique assez mou. L’indice de consistance des argiles est étroitement lié à IL : on le définit souvent comme Ic = 1 – IL, de sorte qu’un Ic proche de 1 correspond à une argile ferme (presque sèche, IL faible) tandis qu’un Ic proche de 0 correspond à une argile molle à liquide (IL élevé). Dans notre exemple, Ic = 0,4, reflétant une consistance moyennement ferme.
  
• Indice de consistance (Ic) – Comme indiqué, il s’agit du complément de l’indice de liquidité. On peut l’exprimer par Ic = (LL – w) / (LL – LP), ce qui revient à 1 – IL. Cet indice de consistance permet de traduire numériquement la consistance d’une argile in situ (dure, ferme, molle…) en se basant sur sa teneur en eau naturelle comparée à ses limites.
  
  Les ingénieurs utilisent ces valeurs pour décrire les sols lors des sondages : par exemple « argile marron, IL = 0,2 (consistance très ferme) » ou « argile grise saturée, IL = 1,2 (très molle) ». En général, Ic > 0,75 correspond à une argile ferme à dure, Ic autour de 0,5 indique une argile moyennement ferme/plastique, Ic < 0,25 révèle une argile très molle. Cet indice de consistance des argiles a une utilité pratique immédiate : il aide à estimer la portance et la facilité de mise en œuvre du sol sur le terrain.
  
  Par exemple, une argile molle (Ic faible) aura une faible résistance au terrassement et nécessitera peut-être un renforcement, tandis qu’une argile dure (Ic élevé) pourra nécessiter un foisonnement préalable pour être travaillée.

En résumé, les indices IP, IL et Ic fournissent une interprétation chiffrée du comportement d’un sol cohérent. L’indice de plasticité IP qualifie la nature du sol (son potentiel de cohésion et de déformations plastiques), tandis que l’indice de liquidité IL et l’indice de consistance Ic évaluent l’état actuel du sol par rapport à son intervalle plastique.

Ces outils aident grandement à la classification des sols cohérents et à la prévision du comportement des sols argileux sur site, notamment en ce qui concerne leur consistance et leur portance.

La sensibilité des sols cohérents (St)

Certains sols cohérents, en particulier les argiles, présentent une propriété appelée sensibilité, notée St. La sensibilité mesure à quel point la résistance du sol chute lorsqu’il est remanié.

Plus précisément, la sensibilité St d’un sol fin est le rapport entre la résistance au cisaillement du sol intact et celle du sol totalement remanié (à même teneur en eau).
Une sensibilité élevée signifie que le fait de malaxer ou de perturber l’argile fait chuter drastiquement sa résistance.

Cette notion a été introduite par l’ingénieur Bjerrum en étudiant des argiles glaciaires particulièrement instables.

On classe souvent les argiles selon leur

St : St ≈ 1–2 (argile insensible, le remaniement n’affecte presque pas la résistance),

St 2–4 (faiblement sensible),

St 4–8 (sensible), St 8–16 (très sensible),

St > 16 (extra-sensible ou argile quiquaille, quasi-liquéfiable).

Certaines argiles marines ou glaciaires du nord de l’Europe et du Canada, appelées argiles sensibles ou argiles rapides (quick clays en anglais), ont des sensibilités extrêmes (St pouvant dépasser 50 voire 100).

Un sol ayant une résistance élevée à l’état intact peut littéralement se transformer en liquide après remaniement si sa sensibilité est très forte.

C’est le cas des fameuses argiles scandinaves qui, une fois ébranlées (par une excavation, un séisme ou une surcharge), perdent leur structure et coulent comme de la boue, provoquant des glissements de terrain catastrophiques.

Dans la pratique géotechnique courante, on mesure la sensibilité d’une argile en comparant les essais de résistance au cisaillement (vane test, triaxial UU) sur échantillons intacts et remaniés.

La sensibilité (St) alerte sur le comportement des sols cohérents lorsqu’ils sont perturbés : un sol très sensible nécessite des précautions lors du terrassement (éviter de trop remanier les couches argileuses porteuses) et éventuellement des techniques de stabilisation

(p. ex. ajout de chaux/ciment pour augmenter la cohésion remaniée du sol).

Heureusement, la plupart des argiles rencontrées en France métropolitaine ont une sensibilité faible à modérée (St < 4 généralement).

Néanmoins, ce paramètre est crucial à connaître dès qu’on soupçonne la présence d’argiles dites structurées (dépôts anciens ayant développé une structure fragile, susceptible de s’effondrer à la manipulation).

L’activité des argiles (A)

Toutes les argiles ne se valent pas en termes d’effet sur la plasticité d’un sol.

Deux sols peuvent avoir une même proportion d’argile fine, mais l’un être beaucoup plus plastique que l’autre selon le type d’argile présent.

Pour rendre compte de cela, on définit l’activité d’une argile, notée A, introduite par Skempton.

L’indice d’activité A est le rapport de l’indice de plasticité IP à la teneur en argile du sol (fraction < 2 µm en pourcentage).

Formellement, A = IP / (% argile).

Cet indicateur relie donc la plasticité d’un sol à la quantité d’argile qu’il contient .

Plus l’argile induit une forte plasticité pour un faible pourcentage, plus elle est dite « active ».

Les argiles de type montmorillonite (smectites) ont une activité élevée, souvent A > 1, car une petite quantité de montmorillonite suffit à faire grimper fortement la plasticité (ce sont des argiles très gonflantes, qui absorbent énormément d’eau).

À l’inverse, les argiles de type kaolinite sont peu actives (A de l’ordre de 0,3–0,5), leur présence même majoritaire n’apporte qu’une plasticité modérée au sol.

Les illites ont une activité intermédiaire (~0,5–1).

En pratique, connaître l’activité d’une argile aide à anticiper son comportement en cas de variation d’eau : une argile active sera sujette à un retrait-gonflement important et à des changements brusques de consistance, alors qu’une argile inactive sera plus stable volumétriquement.

On peut estimer l’activité soit en mesurant directement la fraction argileuse (analyse granulométrique fine + IP), soit indirectement via des essais comme la valeur au bleu de méthylène (VBS) qui donne une indication de la surface spécifique argileuse.

D’ailleurs, la VBS est utilisée dans le GTR pour évaluer la quantité et l’activité des argiles d’un sol.

Pour illustration, prenons deux sols : l’un contient 10% d’argile montmorillonitique, l’autre 10% d’argile kaolinitique.

Supposons que le premier a LL=60%, LP=30% (donc IP=30%) et le second LL=30%, LP=20% (IP=10%). Le premier sol aura une activité A = 30/10 = 3 (très active), le second A = 10/10 = 1 (peu active).

Cela correspond bien à l’idée que la montmorillonite confère beaucoup plus de plasticité et de cohésion au sol pour la même quantité.

Ce concept d’activité permet aussi de classer les argiles selon leur nature à partir d’essais simples, ce qui est précieux dans le diagnostic des sols.

Par exemple, une activité > 1,25 suggère la présence d’argiles gonflantes problématiques, tandis qu’une activité < 0,75 indique un sol plutôt limoneux ou à argile inerte.

Conclusion : l’importance d’une étude de sol par Geo2mo (missions G1 à G5)

Nous avons parcouru les principaux concepts relatifs à la cohésion de sols cohérents et aux propriétés des argiles (plasticité, consistance, sensibilité, etc.).

Ces notions techniques, bien maîtrisées par les géotechniciens, sont déterminantes pour la sécurité et la viabilité des projets de construction.

En effet, la stabilité d’un ouvrage (maison individuelle, immeuble, route…) repose en grande partie sur le comportement du sol en place.

Une argile expansive mal identifiée peut entraîner des fissures dans les fondations en période de sécheresse, tout comme un remblai argileux trop mou peut céder sous le poids d’une structure.

Professionnels comme particuliers, il est donc essentiel de faire réaliser une étude de sol adéquate avant vos travaux sur des terrains argileux ou hétérogènes.

En France, les missions géotechniques sont classées de G1 à G5 (de l’étude préliminaire à l’étude d’exécution et au diagnostic) afin de couvrir tous les besoins d’un projet.

Que ce soit pour un avant-projet (mission G1 ESR, étude de sol préalable pour orienter la conception), pour une étude géotechnique d’exécution (mission G3/G4 assurant le suivi en phase travaux) ou pour un diagnostic de sinistre (mission G5, par exemple fissures liées au retrait-gonflement), l’équipe de Geo2mo est là pour vous accompagner avec expertise et sérieux.

Geo2mo mobilise des ingénieurs géotechniciens expérimentés qui analyseront in situ la nature de votre sol (sondages, prélèvements) et réaliseront en laboratoire les essais nécessaires (limites d’Atterberg, analyses granulométriques, tests de cohésion, etc.) afin de déterminer précisément la cohésion du sol, sa portance et ses risques éventuels.

Vous recevrez un rapport complet avec des préconisations sur les fondations ou les travaux de terrassement à entreprendre en toute sécurité.

Nous vous aiderons à bâtir sur des bases saines, en vous apportant la tranquillité d’esprit quant au comportement de votre terrain.

Que ce soit pour une maison individuelle ou un projet d’infrastructure, une étude de sol professionnelle est le gage d’une construction durable, sans mauvaises surprises liées au sol.

N’hésitez pas à nous consulter pour toute demande d’étude géotechnique.