Dans un sol naturel, les différents éléments (air, eau, grains) sont disposés en ordre dispersé et suivant un arrangement lié à la fois aux conditions et à l’histoire ultérieure subie. On peut schématiser les 3 phases dans un diagramme simplifié (fig. 3.1) dans lequel on distinguera :

• les volumes occupés par chaque constituant respectivement V_s pour les grains, V_w pour l’eau, V_a pour l’air avec

V = V_s + V_w + Va le volume total et V_v = V_w + V_a le volume des vides ;

• les masses des grains m_s, de l’eau m_w (la masse de l’air est nulle : pesée dans l’air) ;
• les poids des grains p_s et de l’eau p_w. 

Figure 3.1 : Diagramme des phases d'un sol

A partir de ces éléments, on peut définir les propriétés géométriques des sols qui figurent dans le tableau 3.1.

	Symbole	Unités	Expression
Teneur en eau	w	%
Indice des vides	e	/
Porosité	n	/
Volume spécifique	v	/
Degré de saturation	Sr	%
Teneur en air	Aa	%
Masse volumique des grains	ρs	Mg/m3
Poids volumique des grains	γs	kN/m3
Densité relative des grains	G	/
Masse volumique de l’eau	rw	Mg/m3
Poids volumique de l’eau	γw	kN/m3
Masse volumique humide du sol	ρ	Mg/m3
Poids volumique humide du sol	γ	kN/m3
Masse volumique du sol saturé	ρsat	Mg/m3
Poids volumique saturé du sol	γsat	kN/m3
Masse volumique sèche	ρd	Mg/m3
Poids volumique sec	γd	kN/m3
Masse volumique déjaugée	ρ’	Mg/m3	ρ’ = ρsat - ρw
Poids volumique déjaugé	γ’	kN/m3	γ’ = γsat - γw

Tableau 3-1: Définition des paramètres géométriques des sols

Les valeurs de ces grandeurs géométriques peuvent varier dans des intervalles assez larges.

Le tableau 3.2 donne par exemple les valeurs de poids volumiques γ de quelques sols. Pour les sols rencontrés couramment en France on pourra, en première approximation, considérer que au dessus de la nappe γ = 18 KN/m³ et au dessous de la nappe γ_sat= 20 KN/m³.

Les teneurs en eau naturelle varient aussi dans un large domaine comme l’indique le tableau 3.3.

Dans un dépôt homogène, ces teneurs en eau diminuent avec la profondeur d’enfouissement, juste après le dépôt au fond de la mer on obtient souvent des valeurs w_nat ≈ 1,75 à 2 w_L. Dès le début de l’enfouissement, elles diminuent très rapidement ; la figure 3.2.a montre la variation de teneur en eau dans le cas d’un dépôt artificiel de kaolinite, et dans le cas d’un stérile de minerai sur la figure 3.2.b.

Figure 3.2 : Profil de teneur en eau avec la profondeur (sédimentation sous poids propre)
a – kaolin
b – stérile de laverie

La porosité d’un sol est toujours inférieure à 1, l’indice des vides peut, par contre, être très largement supérieur à 1. L’arrangement des grains joue un rôle fondamental sur les valeurs de porosité ou d’indice des vides. A titre d’exemple, la figure 3.3 montre deux arrangements théoriques pour des grains équigranulaires, respectivement cubique ou rhombique qui conduisent aux valeurs du tableau 3.4.

Figure 3.3 : Arrangements possibles pour des grains équigranulaires

Tableau 3-4: Arrangement théorique de grains équigranulaires

Les grandeurs géométriques sont reliées entre elles par des relations dont on fournit quelques exemples dans le tableau 3.5.

Tableau 3-5 : Quelques relations entre grandeurs géométriques du sol