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Bases de la Géotechnique Module MXG4 IUT Génie Civil et Construction Durable Lu

Bases de la Géotechnique Module MXG4 IUT Génie Civil et Construction Durable Luc Sibille To cite this version: Luc Sibille. Bases de la Géotechnique Module MXG4 IUT Génie Civil et Construction Durable. Licence. France. 2018. cel-01784530v2 HAL Id: cel-01784530 https://hal.archives-ouvertes.fr/cel-01784530v2 Submitted on 4 Jul 2018 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Module MXG4 Bases de la Géotechnique Semestre 3 Barrage en terre de Serre Ponçon (Hautes-Alpes) Luc Sibille luc.sibille@univ-grenoble-alpes.fr Génie Civil et Construction Durable Ver. 04 – 2018-2019 1 Ce polycopié de cours comporte de nombreuses simplifications vis-à-vis de la description des sols et de leur comportement. Pour une étude approfondie et dans le détail du comportement des sols, on cherchera à se munir d’un document de référence complet. Ce polycopié est en partie inspiré des cours de : Jacques Lérau et Martin Cyr de l’INSA de Toulouse ; de Gaël Combe, Pierre Billet et Yves-Henri Faure de l’IUT1 de Grenoble; et du livre de Vincent Robitaille et Denis Tremblay, « Mécanique des sols - Théorie et Pratique », édition Modulo, 2001. Table des matières 1 La géotechnique et la classification des missions géotechniques 3 1.1 Qu’est-ce que la géotechnique ?........................................................................................3 1.2 Un peu d’histoire... récente..................................................................................................3 1.3 Domaines d’application........................................................................................................4 1.4 Classifications des missions géotechniques.....................................................................7 2 Rappel sur les paramètres d’état des sols 11 2.1 Constitution d’un sol...........................................................................................................11 2.2 Paramètres d’état...............................................................................................................14 3 Contraintes dans les sols 19 3.1 Notion de contrainte : vecteur contrainte.........................................................................19 3.2 Séparation des contraintes................................................................................................20 3.3 Contrainte sur une facette horizontale σV........................................................................21 4 Notions d’hydraulique des sols 26 4.1 Introduction..........................................................................................................................26 4.2 Hypothèses et définitions..................................................................................................26 4.3 Mesures de la perméabilité...............................................................................................30 4.4 Forces d’écoulement..........................................................................................................32 5 Répartition des contraintes 35 5.1 Introduction..........................................................................................................................35 5.2 Principe de superposition..................................................................................................35 5.3 Sol uniformément chargé..................................................................................................36 5.4 Cas d’une force ponctuelle - relation de Boussinesq (1885)........................................36 5.5 Cas d’une charge répartie.................................................................................................38 6 Consolidation et tassement des sols 41 6.1 Introduction..........................................................................................................................41 6.2 Phénomène de consolidation primaire............................................................................41 6.3 Compressibilité des sols....................................................................................................44 6.4 Calcul du tassement final par la méthode oedométrique..............................................48 6.5 Evolution du tassement en fonction du temps................................................................51 6.6 Réduction du temps de consolidation..............................................................................55 Chapitre 1 La géotechnique et la classification des missions géotechniques 1.1 Qu’est-ce que la géotechnique ? La géotechnique est le domaine d’étude des propriétés physiques, mécaniques et hydrau- liques des sols et des roches et de leurs applications en construction civile. Les applications consistent en la conception et le dimensionnement de solutions techniques adaptées à la si- tuation donnée, visant le plus souvent à assurer la stabilité de l’ouvrage projeté. Nous nous intéresserons dans ce cours essentiellement au matériau sol. On décrit le sol comme la couche de matériaux meubles d’origine minérale et organique qui repose sur le substratum rocheux. 1.2 Un peu d’histoire... récente Pendant longtemps, la pratique de la géotechnique s’est résumée à la recherche d’un sol de fondation porteur et stable, sableux ou graveleux. A en juger par les ouvrages antiques qui ont survécu à l’épreuve du temps, cette pratique limitée s’est révélée fréquemment suffisante. Ainsi, pendant des siècles, le spécialiste des sols était aussi l’architecte et l’ingénieur en struc- ture. — Vers 1776, Coulomb formule les premières équations pour calculer la pression exercée par le sol sur les ouvrages de soutènement (Fig. 1.1-a). — Cent ans plus tard, l’Allemand Otto Mohr reprend et développe plus avant la théorie ébauchée par Coulomb. Mohr élabore également des techniques graphiques utiles pour représenter en deux dimensions des contraintes s’exerçant dans un espace tridimen- sionnel, se sont les cercles de Mohr. — A la même époque, le français Darcy énonce une théorie sur l’écoulement de l’eau dans les sables, qui sert encore de base à l’évaluation de la perméabilité des sols. — Au début du XXe siècle, le suédois Atterberg présente les notions fondamentales des limites de consistance des argiles. — En 1925, Karl Terzaghi, pionnier de l’enseignement de la géotechnique aux Etats-Unis (mais aussi en Turquie et en Autriche), publie le premier véritable ouvrage sur la méca- nique des sols. — Le développement de techniques de mesure de la résistance du sol en place s’accélère alors : en 1932, l’essai de pénétration statique, une nouvelle technique de sondage, voit le jour en Hollande. En 1948, on assiste à la mise en oeuvre de l’essai de cisaillement en place dans les argiles : l’essai scissométrique. En 1957, l’ingénieur français Louis Ménard conçoit la première méthode de mesure sur le terrain d’une relation entre les contraintes et les déformations : l’essai pressiométrique. Comme plusieurs sciences appliquées, la géotechnique vit au rythme du développement de la technologie et de l’informatique. De nombreuses inventions comme le nucléodensimètre, les toiles géotextiles et les techniques de consolidation dynamique ont permis d’améliorer le comportement des sols. Grâce aux calculs numériques par éléments finis et aux modèles rhéo- logiques, on peut aujourd’hui analyser les contraintes et les déformations dans les sols de façon rapide et fiable. On réalise ainsi des ouvrages plus sûrs et plus durables. (a) (b) FIGURE 1.1 – (a) pression des terres exercée sur un mur de soutènement, figure extraite de la nouvelle édition de 1821 de la « Théorie des machines simples » par C.A. Coulomb ; (b) Karl von Terzaghi (1883–1963). 1.3 Domaines d’application La géotechnique joue un rôle essentiel dans l’acte de construire pour tous les travaux de bâtiment, de génie civil et d’aménagements. On peut citer : — les fondations des ouvrages : bâtiments, ponts, usines, silos... — les ouvrages de soutènement des terres, — la stabilité des pentes naturelles et des talus, — les terrassements : routes, autoroutes, voies ferrées... — les tunnels et travaux souterrains, — les barrages et notamment les digues et barrages en terre, — les ouvrages fluviaux, portuaires et maritimes, — l’hydrogéologie et la protection de l’environnement. 1.3.1 Les sols supportent des ouvrages Le rôle des fondations est de distribuer les charges de l’ouvrage dans le sol. Or, les sols n’ayant pas tous la même capacité de support, on utilise des fondations de différentes catégo- ries (Fig. 1.2) : les principales sont les fondations superficielles, et les fondations profondes. Les fondations sont conçues et dimensionnées afin : — d’éviter que ne se développent des tassements nuisibles à l’utilisation de l’ouvrage, — d’éloigner le risque de rupture du sol en prévoyant une marge de sécurité raisonnable. FIGURE 1.2 – Différents types de fondations. 1.3.2 Les sols sont supportés par des ouvrages De nombreux projets d’ingénierie requièrent l’excavation des sols à de grandes profondeurs et, à moins de donner aux talus des pentes très sûrs, on doit soutenir les parois d’excavation avec des ouvrages de retenue. La conception de ces ouvrages est assez complexe et relève à la fois de la structure et de la géotechnique, ils peuvent prendre la forme de murs de soutènement, rideaux de palplanches, de parois moulées... FIGURE 1.3 – Ouvrages de soutènement : palplanches étançonnées à gauche et mur de sou- tènement en béton à droite. 1.3.3 Les sols sont des ouvrages Ces ouvrages prennent la forme de remblais (sous des voies de circulation routière ou ferroviaire, sous des structures), de digues, ou de barrages (Fig. 1.4), qui doivent à la fois pré- senter de bonnes caractéristiques d’étanchéité et une stabilité suffisante vis-à-vis des efforts de poussée engendrés par l’eau. FIGURE 1.4 – Coupe type d’un barrage en terre. 1.4 Classifications des missions géotechniques 1.4.1 Norme NF P 94-500 (révision 2013) La géotechnique a pour objet d’étudier le sous-sol, c’est-à-dire le non visible. Ainsi la part du connu, après une étude de sols même très complète, restera toujours très limitée. Il s’agit des quelques sondages qui ont été réalisés sur le terrain investigué : entre eux, il n’y a que interpolations et suppositions qui laissent la place à l’aléa géologique. La connaissance du sous-sol ne peut être que progressive au fil de la réalisation du projet, au travers des reconnaissances réalisées en étapes successives et des observations faites en cours d’exécu- tion des travaux (terrassements, fondations ...). Sur le plan purement économique le coût de l’intervention normale du géotechnicien aux divers stades d’un projet classique représente 1 % environ du coût de la construction ; alors qu’une intervention trop limitée peut conduire à des suppléments de coût qui se chiffreront en plusieurs dizaines de pourcent. Ainsi, il est recommandé au maître d’ouvrage ou son représen- tant de se faire accompagner par un géotechnicien tout au long de la conception puis de la réalisation de l’ouvrage. La norme NF P 94-500 définit la classification et les spécification des missions géo- techniques qui s’enchaînent pour suivre les différentes phases d’élaboration et de réalisation d’un projet afin d’assurer la gestion optimale des risques du sol, à la satisfaction du maître d’ouvrage. (Union Syndicale Géotechnique ; u-s-g.org) uploads/Geographie/ cours-mxg4-2018-19-enligne.pdf