Cour Géotechnique Chap1 [PDF]

Zitiervorschau

UTC 104 : GEOTECHNIQUE • Qu’est-ce que c’est? • Partage d’expériences? • Cas concrets? • Vos attentes?

Novembre 2021

Cours géotechnique UTC 104

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CENTRE INP- HB / LE CNAM

CODE UE : UTC 104 INTITULE DU COURS : GEOTECHNIQUE (UTC 104) Objectifs du cours : Maîtriser les concepts fondamentaux de comportement des sols; Fournir les bases nécessaires à la compréhension du comportement des sols pour pouvoir concevoir; Construire et contrôler les ouvrages avec lesquels le sol a une interaction importante. Novembre 2021

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Programme du cours Chapitre I : Généralités sur les sols I. II. III. IV.

Origine et formation des sols Identification et classification des sols Reconnaissance des sols Géotechnique routière

Chapitre II : L’eau et les contraintes dans le sol I. L’eau dans le sol et hydraulique des sols II. Contraintes dans le sol – postulat de Terzaghi III. Contraintes dues aux surcharges

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Programme du cours Chapitre III : Comportement des sols (Les déformations) I. Tassement et Consolidations des sols II. Etude du tassement des sols en laboratoire (essai à l’oedomètre) III. Calcul de Tassement (méthode des essais en laboratoire)

Chapitre IV : Comportement des sols (La rupture) I. II. III. IV.

Rupture des sols – critère MOHR-COULOMB Mesure des caractéristiques de rupture (En laboratoire et in-situ) Contraintes sur un écran – Etat limite de poussée et de butée Stabilité de pentes

Evaluation: Examen final de 3h sans document Novembre 2021

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CHAPITRE 1 : GENERALITES SUR LES SOLS I. Origine et formation des sols II. Identification et classification des sols III. Reconnaissance des sols IV. Géotechnique routière

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Pas de Génie Civil, Minier ou de BTP sans étude du SOL !!! (support de fondation ou matériau de construction) Novembre 2021

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BÂTIMENT

Fondations profondes

Fondations superficielles

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Ponts et échangeurs

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Tunnels, galeries, ouvrages d’art

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Routes

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Chemins de fer, aérodromes

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Remblais

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Barrages

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UTILITE D’UNE ETUDE DE SOL

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1. DEFINITION DE LA GEOTECHNIQUE Selon la norme français NFP 94-500 de novembre 2013, la géotechnique est « I'ensemble des activités liées aux applications de la Mécanique des Sols, de la Mécanique des Roches et de la Géologie de l'lngénieur ». La Mécanique des Sols étudie plus particulièrement le comportement des sols sous leurs aspects résistance et déformabilité. A partir d'essais de laboratoires et in situ de plus en plus perfectionnés, la Mécanique des Sols fournit aux constructeurs les données nécessaires pour étudier les ouvrages de génie civil et de bâtiment et assurer leur stabilité en fonction des sols sur lesquels ils doivent être fondés, ou avec lesquels ils seront construits (barrages en remblais); ceci tant durant la progression des travaux (grands terrassements) qu'après mise en service des ouvrages.

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1. DEFINITION DE LA GEOTECHNIQUE La géotechnique s'appuie principalement sur les différentes sciences de la terre suivantes :  la géologie qui retrace l'histoire de la terre, précise la nature et la structure des matériaux ainsi que leur évolution dans le temps ;  l’hydrogéologie, partie spécialisée de la géologie ;  la mécanique des sols et des roches ;  la rhéologie des matériaux ;  la géophysique qui permet d’approcher par des mesures physiques certaines caractéristiques de structure et propriétés des matériaux de l’écorce terrestre ;  la dynamique des sols qui étudie le comportement des matériaux soumis à des sollicitations dynamiques ;  la géochimie qui analyse la composition chimique des eaux et des matériaux.

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2. IMPORTANCE DE LA GEOTECHNIQUE Le sol:

 Supporte les fondations d’ouvrages ;  Sert comme matériau de construction (barrages, remblais) ;  Contient des ouvrages souterrains (tunnels) ;  Reçoit des matériaux a stocker (déchets industriels et nucléaires) ;  Sert à extraire des minéraux et autres ressources de production de l’énergie et des matériaux.

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2. IMPORTANCE DE LA GEOTECHNIQUE : EXEMPLES D’APPLICATION DE LA MECANIQUE DES SOLS

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2. IMPORTANCE DE LA GEOTECHNIQUE

CONSEQUENCES

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2. IMPORTANCE DE LA GEOTECHNIQUE

Fissures sur mur Désordres liés à la géotechnique : Cocody ; Abidjan 2010; sources LBTP

Renversement de bâtiment annexe Impact d’une fouille sur des constructions voisines (Abidjan, Biétry 2015)

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2. IMPORTANCE DE LA GEOTECHNIQUE ATTENTE DES DIFFERENTS ACTEURS

 MOA : veut un project ficelé, dans un delai très court  MOE : avec moins de temps et de moyens, demande a I’entrepreneur un engagement sur la conception, le coût et un auto-contrôle

 Entrepreneur : prend les marchés au forfait malgré les incertitudes, recherche les aleas pour s’en sortir  BE : En raison de la mise en concurrence par appel d’offres cherche à réaliser une étude selon les conditions fixés par le MOA en faisant des économiques sur les différents postes cernés par l’étude avec pour risque la non maîtrise du projet  Laboratoire : cherche à réaliser une campagne complète pour minimiser les risques géotechniques et assurer la durabilité de l’ouvrage avec pour conséquence une augmentation du coût des études géotechniques. Novembre 2021

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3. LA DEMARCHE DU GEOTECHNICIEN (Sciences expérimentales)

Observer

Intervenir

Mesurer

Construire, traiter, réhabiliter, …

Campagnes de reconnaissance (Essais labo et in situ)

Comprendre Comparer, Analyser,…

Modéliser Novembre 2021

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ORIGINE ET FORMATION DES SOLS

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1. Origine et formation des sols Les sols et les roches se présentent sous forme d’agrégats de particules généralement minérales, mais parfois organiques, de taille et de forme variables. La nature et l’intensité des forces qui lient les particules de l’agrégat dépendent de la nature du matériau. On ne traitera ici que des sols, qui peuvent être définis comme des agrégats dans lesquels les particules sont faiblement liées et peuvent être séparées par agitation ou trituration dans l’eau. Les sols ont deux origines principales: -la désagrégation des roches par altération mécanique ou physicochimique sous l’effet des agents naturels: fissuration consécutive à la décompression, attaque mécanique dans un processus naturel de transport, attaque chimique sous l’effet de circulations d’eaux; -la décomposition d’organismes vivants : végétaux (tourbes) ou animaux (craies). On distingue également les sols résiduels (altération surplace des roches), les sols transportés (dépôt de produit d’altération); les formations géologiques de roches tendres.

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2. Définition Le géologue qualifie de sols tous les matériaux se trouvant à la surface de l’écorce terrestre. Lors des études géotechniques, les matériaux à la surface de l’écorce terrestre sont classés en deux grandes catégories: ⁻ Les roches : agglomérats de grains minéraux liés par des forces de cohésion fortes et permanentes, même après immersion prolongée dans I’eau , cette 1ère catégorie fait l’objet de la Mécanique des roches. - Les sols: agrégats de grains minéraux pouvant être séparé sous l'effet d'actions mécaniques relativement faibles, cette 2e catégorie est l’objet de le Mécanique des sols dont nous traiterons tout au long de ce cours. - Les matériaux de transition entre sols et roches sont nommés SIRT (sols indurés et roches tendres). En définitive on retiendra que le sol est le résultat de la désagrégation physique et/ou chimique d’une roche-mère . On distingue ainsi selon leur mode de formation: - Les sols sédimentaires: résultat de l’accumulation de minéraux transportés par le vent ou l’eau; -Les sols d’altération: Résultat de la l’altération d’une roche mère. Novembre 2021

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3. Constituants Le sol est un agrégat de particules minérales dont les vides peuvent être remplis de liquide et/ou de gaz. C’est donc un milieu triphasique: - Phase gazeuse : air, vapeur d’eau et/ou gaz; - Phase liquide : eau ou pétrole; - Phase solide : particules minérales

(Fines ou grossières

provenant de la désagrégation physique ou chimique de la roche)

et

organiques (décomposition de végétaux ou organismes vivants). La définition d’un sol repose donc sur une description précise de ces trois phases. Novembre 2021

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4. Diagramme des phases Afin d’analyser le comportement d’un sol il est nécessaire de définir certains paramètres qui se rapportent aux divers proportions des constituants du sol ainsi qu’aux propriétés des particules et de l’intensité de leur liaison avec l’eau. Pour cela on considère la représentation suivante d’un sol dans laquelle les trois phases sont séparées:

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5. Paramètres d’état Les paramètres d’état sont des caractéristiques qui définissent l’arrangement dans le sol des différentes phases (les particules solides, l’eau et du gaz). Ils sont très importants en mécanique des sols et essentiellement variable.

Poids volumiques Novembre 2021

Paramètres sans dimensions Cours géotechnique UTC 104

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6. Relations entre les paramètres d’état Tous les paramètres précédemment définis ne sont pas indépendants. Il est très pratique d'utiliser le diagramme des phases pour les déterminer ou démontrer les relations les reliant.

Quelques relations entre les paramètres d’état d’un sol Novembre 2021

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7. Paramètres indépendants Pour caractériser complètement un sol, la connaissance de trois paramètres indépendants est nécessaire; le poids volumique de l'eau étant connu. Par exemple : - Un paramètre quantifiant le poids volumique : g ou gs ou gd - Un paramètre quantifiant I'importance des vides : e ou n - Un paramètre quantifiant la présence d'eau : w ou Sr Novembre 2021

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IDENTIFICATION ET CLASSIFICATION DES SOLS

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1. Identification des sols Identifier un sol, c’est déterminer un ensemble de propriétés physiques, mécaniques ou chimiques qui permettent de le caractériser. Ces propriétés sont déterminées par des essais simples et rapides, appelés « essais d’identification ». Ces essais conduisent à une description précise et chiffrée du sol. On distingue classiquement deux grandes catégories d’essais d’identification : - les essais qui traduisent les propriétés des particules du sol et l’intensité de leurs liaisons avec l’eau. Ces essais caractérisent la nature du sol et sont réalisés sur des échantillons intacts ou remaniés; - les essais qui répondent de l’arrangement et de la répartition des phases (squelette solide, eau, air). Ces essais caractérisent l’état du sol et ne peuvent être réalisés que sur des échantillons intacts . Novembre 2021

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2. Propriétés des particules du sol et essais correspondants Les propriétés des particules d’un sol déterminent sa nature. La nature d’un sol est définie par: - sa granularité; - sa plasticité ou son équivalent de sable; - la nature de ses particules (minéraux, matières organiques). Les essais permettant de déterminer ces caractéristiques peuvent être effectués sur des échantillons intacts ou remaniés. Novembre 2021

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2.1 Analyse granulométrique La granularité se définit comme la répartition de la dimension moyenne des particules du sol, exprimée en pourcentage de la masse totale du matériau.

Analyse granulométrique par tamisage Novembre 2021

Analyse granulométrique par sédimentation Cours géotechnique UTC 104

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2.1 Analyse granulométrique

Courbe granulométrique. Définition des paramètres D10, D30 et D60 Soit Dp le diamètre correspondant à p% de passant, on définit:  Le coefficient d’uniformité de Hazen : Cu = D60/D10 le coefficient de courbure : Cc =( D30) /(D60 x D10) Le diamètre efficace : D10 Formes types de courbes granulométriques Novembre 2021

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2.1 Analyse granulométrique

Les classes granulaires sont définies sur la base de critères purement granulométriques. Le tableau ci-contre indique les classes utilisées traditionnellement en France et les classes recommandées par la Société Internationale de Mécanique des Sols et des travaux de fondations (SIMSTF).

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2.2 Limites d’Atterberg Lorsque l’on fait décroître progressivement la teneur en eau d’un échantillon de sol, on constate qu’il passe successivement par plusieurs états, dont la description a été proposée par l’agronome suédois Atterberg : — un état liquide, à teneur en eau élevée. Le sol se répand lorsqu’on le dépose sur une surface plane. Il ne possède aucune résistance. Ses particules sont pratiquement séparées par l’eau ; — un état plastique, Le sol est stable naturellement mais, dès qu’un effort lui est appliqué, il subit de grandes déformations, en grande partie irréversibles, sans variation notable de volume et sans apparition de fissures. Le sol est malléable et conserve la forme qu’on lui donne. Lorsqu’on le triture, il peut perdre une partie de sa résistance. Certains sols, dits thixotropes, ont la propriété de récupérer avec le temps une partie de leur résistance ; — un état solide, Le sol a le comportement d’un solide. L’application d’un effort n’entraîne que de faibles déformations. Le passage à l’état solide s’effectue d’abord avec réduction du volume ou retrait, puis à volume constant, sans retrait. Novembre 2021

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2.2 Limites d’Atterberg Les teneurs en eau séparant les divers états de consistance du sol dépendent de la nature du sol. On les appelle: - limite de liquidité wL : limite entre l’état liquide et l’état plastique ; - limite de plasticité wP : limite entre l’état liquide et l’état solide ; -limite de retrait ws : limite entre l’état solide avec retrait et l’état solide sans retrait. Les limites de liquidité, de plasticité et de retrait sont déterminées au moyen d’essais conventionnels. Les essais s’effectuent sur le mortier du sol (fraction inférieure à 420 µm).

A partir de ces limites on définit : - l’indice de plasticité : Ip = Wl – Wp - l’indice de consistance : Ic = (Wl - W)/Ip - l’activité du sol : A = Ip/(%= 100% et ρdfc>= 98%) de ρ(opm) • Q2 : ( ρdm >= 97% et ρdfc>= 95%) de ρ(opm)  Q3 : ( ρdm >= 98,5% et ρdfc>= 96%) de ρ(opn)  Q4 : ( ρdm >= 95% et ρdfc>= 92%) de ρ(opn) N.B :  ρ(opm) est la masse volumique sèche optimale de l’essai Proctor modifié.  ρ(opn) est la masse volumique sèche optimale de l’essai Proctor normal.

Il est du ressort de l’ingénieur alors de choisir la qualité de compactage requise selon l’utilisation finale du sol.

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Matériaux à compactés

La connaissance des matériaux à compacter, leurs caractéristiques intrinsèques, mais aussi leur comportement vis-à-vis du compactage est indispensable pour réussir l’opération de compactage. L’identification aussi de l’état hydrique du sol à compacter est majeure pour l’opération de compactage, du fait que l’obtention du résultat optimal suppose une teneur en eau donnée du sol au moment du compactage.

5.3

Epaisseur compactée

L’épaisseur compactée forme un facteur très prépondérant dans l’opération de compactage, en effet il existe une épaisseur optimale pour laquelle on atteindra l’objectif de compacité escompté avec une énergie moindre. Il n y a pas d’épaisseur standard à adopter pour le compactage, pourtant il est de convention aujourd’hui d’effectuer le compactage en couches allant de 20 à 30 cm.

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5.4

Matériel à choisir

Il existe plusieurs types de compacteurs, selon le Guide des Travaux Routiers (GTR 92) ces compacteurs ont été classés en six famille selon leur efficacité . 5.4.1 Compacteurs à pneus (Pi) Le classement est fait selon la Charge par roue (CR) :  P1 : CR entre 25 et 40 KN  P2 : CR entre 40 et 60 KN  P3 : CR supérieure à 60 KN Les roues des compacteurs Pi sont lestables pour atteindre la charge par roue maximale prévue par le constructeur

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5.4.2 Compacteurs vibrants à cylindres lisses (Vi) Ils sont classés selon le paramètre (

 

 M1 : masse totale s’appliquant sur la génératrice du cylindre.  L : longueur de la génératrice du cylindre en cm.  A0 : amplitude théorique à vide calculable par A0=1000x avec :  me : moment des excentriques de l’arbre à balourd  M0 : masse de la partie vibrante sollicitée par le balourd

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5.4.2 Compacteurs vibrants à cylindres lisses (Vi) V1: (M1/LAo) compris entre 1 et 25 et Ao >0.6 ou supérieur à 25 et 0.6