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Géotechnique

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Géotechnique

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www.dunod.com

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Illustration de couverture : Road Damaged by Landslide © Yali Shi - Fotolia P00I-0IV-9782100720477.indd 422/04/2015 16:17:37 "LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page V - #5

Table des matières

CHAPITRE 1 •IDENTIFICATION DES SOLS

1.1 Description d"un sol1

1.2 Classification des sols5

EXERCICES7

SOLUTIONS12

CHAPITRE 2 •HYDRAULIQUE DES SOLS

2.1 Écoulements en un milieu granulaire21

2.2 Hydraulique des puits24

EXERCICES30

SOLUTIONS38

CHAPITRE 3 •ÉTATS DE CONTRAINTE DANS LES SOLS

3.1 Contraintes totales et effectives51

3.2 Influence du chargement56

EXERCICES58

SOLUTIONS65

CHAPITRE 4 •RÉSISTANCE AU CISAILLEMENT

4.1 Élastoplasticité77

4.2 Essais de laboratoire83

4.3 Essaisin situ87

EXERCICES93

SOLUTIONS101

CHAPITRE 5 •TASSEMENTS

5.1 Consolidation117

5.2 Compressibilité122

EXERCICES126

SOLUTIONS133

"LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page VI - #6

VIGéotechnique

CHAPITRE 6 •SOUTÈNEMENT

6.1 Types d"ouvrages de soutènement151

6.2 États limites152

6.3 Murs-poids155

6.4 Rideaux157

EXERCICES160

SOLUTIONS165

CHAPITRE 7 •PENTE ET TALUS

7.1 Mouvements de terrains173

7.2 Calcul de stabilité174

EXERCICES178

SOLUTIONS183

CHAPITRE 8 •FONDATIONS

8.1 Technologie de fondations196

8.2 Méthodes de calcul198

EXERCICES215

SOLUTIONS225

ANNEXES

A. Distribution de contraintes dans un massif - abaques239

B. Coefficient de consolidation241

C. Coefficient de poussée/butée243

INDEX245

"LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page VII - #7

Avant-propos

L"étude des sols est un point-clé des projets de construction. Les travaux associés présentent un coût important, et les risques engendrés en cas de problèmes peuvent

être conséquents.

La mécanique des sols est une science complexe nécessitant de bonnes connais- sances théoriques et pratiques. La diversité des situations, des phénomènes, et la variabilité des paramètres peuvent effrayer l"étudiant. L"acquisition de méthodes de raisonnement dans la résolution d"exercices appliqués confèrera une efcacité et une adaptabilité face aux problématiques rencontrées. Ce livre d"exercices corrigés s"adresse aux étudiants préparant leur BTS, DUT, licence, master et diplôme d"ingénieur. Il est adapté à la préparation des concours d"entrée en école d"ingénieurs, et des concours de recrutement des professeurs (agrégation, CAPET, etc.).

Trois niveaux de difcultés sont proposés :

: socle de connaissances. : connaissances approfondies (à partir de bac+2). : connaissances avancées (master, cycle avancé d"école d"ingénieurs, CAPET, agrégation). À chaque début de chapitre, des rappels de cours permettront d"avoir une synthèse des différentes méthodologies, des notations et des conventions utilisées. Ces rappels se limitent à l"essentiel et il est conseillé de se munir de ses cours et éventuellement d"un ouvrage de référence adapté au niveau d"étude. "LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page VIII - #8

VIIIGéotechnique

Les résolutions omettent volontairement des cas particuliers et certaines étapes normatives parfois lourdes an de se focaliser sur la démarche et les méthodes de calcul. Néanmoins, les exercices ont été traités dans le cadre de l"Eurocode 7 et des normes d"application en vigueur. Le chapitreIdentification des solsest essentiel pour définir les caractéristiques de base d"un sol. Les exercices visent à familiariser l"étudiant avec ces nombreux paramètres, et à comprendre leurs intérêts dans des applications concrètes. Le chapitreHydraulique des solstraite de cas concrets en lien avec les mouvements d"eau dans les aquifères, tels que l"exploitation d"un réseau d"écoulement, l"évalua- tion d"un débit de pompage ou d"un rabattement de nappe. Le chapitreÉtats de contrainte dans les solsprésente des exercices permettant de déterminer en tout point d"un massif, et en fonction des charges appliquées, la distribution des contraintes totales et effectives. Le chapitreRésistance au cisaillements"intéresse aux problèmes de rupture des sols, essentiels pour aborder l"étude du comportement des ouvrages. De nombreux exercices exploitent des résultats d"essaisin situet de laboratoire. Le chapitreTassementspermettra à l"étudiant d"estimer, par différentes méthodes, les valeurs des tassements, globaux ou différentiels, en fonction du temps. Les derniers chapitresSoutènement,Pente et talusetFondationsprésentent de nom- breux problèmes en lien avec l"interaction sol/structure. Les calculs de résistance des matériaux structuraux ne seront pas traités. Des exercices supplémentaires sont également téléchargeables sur : "LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page 1 - #9

Chapitre1

Identication des sols

1.1 DESCRIPTION D"UN SOL

1.1.1. Un milieu triphasique

Un sol est défini par trois phases : gazeuse, liquide et solide (cf. figure 1.1). À partir des proportions volumiques et pondérales, on dénit des paramètres géométriques et hydriques tels que :

Porosité :n=

V v V

• Degré de saturation :S

r V w V v

• Indice des vides :e=

V v V s

• Teneur en eau (pondérale) :w=

W w W s

• Indice de compacité :I

d e max -e e max -e min Avece max indice des vides correspondant au sol dans son état le plus lâche, ete min dans son état le plus dense. "LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page 2 - #10 21

Identification des sols

Gaz (air)

W W S w 0 w d sat

Reprsentation simplifie des 3 phases

FIGURE1.1Description d"un sol - États de saturation Un sol est caractérisé également par différents poids volumiques : apparent :γ= W V

• du squelette :γ

s W s V s

• sec :γ

d W s V

• de l"eau :γ

w W w V w "LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page 3 - #11

1.1Description d"un sol3

• déjaugé :γ

sat w D"après la figure 1.1, le poids volumique apparentγest égal àγ d pour un sol sec, à sat pour un sol saturé, et àγ h (pour " humide ») dans les autres cas.

1.1.2. Granulométrie

La distribution dimensionnelle des grains des sols (granularité) peut être appréciée en laboratoire en construisant la courbe granulométrique (cf. gure 1.2). Cette courbe, utilisée pour les classications des sols, représente les pourcentages de tamisats cumulés en fonction de l"ouverture des tamis. On appelletamisat, la masse de matériau passant à travers un tamis donné, etrefusla masse de matériau retenue par ce tamis. La somme des tamisats et des refus cumulés donne toujours la masse total du matériau testé. Pour les sols très ns pour lesquels le tamisage n"est pas possible, la granulométrie est déterminée par sédimentométrie. 0 1 FIGURE1.2Courbes granulométriques de six sols différents

Le coefficient d"uniformité (ou de Hazen)C

u et le coefficient de courbureC c per- mettent d"apprécier la forme de la courbe granulométrique (cf. gure 1.3) : C u D 60
D 10 C c D 2 30
D 10 .D 60
AvecD 10 ,D 30
etD 60
, les diamètres pour lesquels les pourcentages de tamisats cu- mulés sont respectivement de10%,30%et60%. "LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page 4 - #12 41

Identification des sols

1 < C granulomtrie

Jν?σπGδε"λ?

C granulomtrie mal

Gδε"λ?

C granulomtrie C granulomtrie

FIGURE1.3Interprétation des coefficientsCuetCc

1.1.3. Plasticité

La consistance d"un sol fin peut être modifiée en faisant varier sa teneur en eau. Par séchage progressif, les argiles et limons passent de l"état liquide à plastique puis à l"état solide. Les limites d"Atterberg de liquiditéw L et de plasticitéw P , déterminées expérimentalement, permettent de séparer ces trois états.

Teneur en eau, w [%]

(νL"ν?

Nα?"β?

;α?ν? O?εθψνL"? K O K

FIGURE1.4Limites d"Atterberg

À partir de ces limites, on définit les indices de plasticitéI p et de consistanceI c I p =w L -w P I c w L -w P I p

1.1.4. Optimum Proctor

L"essai Proctor permet de déterminer les caractéristiques de compactage d"un sol. Garantir un compactage sufsant permet, entre autres, d"assurer une bonne portance.

Le poids volumique secγ

d correspond au poids de squelette placé dans un certain volume. Il constitue donc un bon indicateur de la compacité. Les trois paramètres qui contrôlent la variation de poids volumique secγ d sont : la granulométrie, l"énergie de compactage, la teneur en eau. Pour un sol à granularité et à énergie de compactage xées, le poids volumique sec d atteint une valeur maximale pour une certaine valeur de teneur en eau : l"optimum

Proctorw

OP . Ce paramètre se détermine pour différentes énergies de compactage (cf. gure 1.5). "LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page 5 - #13

1.2Classification des sols5

Lescourbesγ

d =f(w)sont asymptotiques àla courbe de saturation d"équation (avec S r =1): d S r s S r w.γ s w d #S,Uβ V w

Sr = 1

OP1 w OP2 w OP3 w OP4 E d4 d3 d2 d1

‚nergie de compactage

E

FIGURE1.5Diagramme Proctor -γ

d =f(w)

1.2 CLASSIFICATION DES SOLS

Les principes de classification permettent de regrouper les sols en classes présentant des compositions et des propriétés géotechniques similaires, et en fonction de leur convenance aux usages qui leur sont destinés par l"ingénierie. Les sols sont classés en groupes de sols en fonction de leur nature, qui correspond à leur composition uniquement, indépendamment de leur teneur en eau ou de leur compacité, en tenant compte de la granularité, de la plasticité, de la teneur en matière organique et de leur origine.

1.2.1. Classification USCS-LCPC

1 Cette classication se base sur la granulométrie des trois composantes : graviers (Gr), sables (Sa) et nes (cf. tableau 1.1 et gure 1.6). On distingue les sols grenus et ns selon que le pourcentage d"éléments <0,08mm est inférieur ou supérieur à

50 %. La différenciation en limon et argile est faites à partir des caractéristiques de

plasticité. On utilise pour cela le diagramme de Casagrande qui permet de classer la fraction argileuse selon sa sensibilité à l"eau ou sa plasticité.

1. USCS :Unified Soil Classification System- LCPC : Laboratoire Central des Ponts et Chaussées.

"LIVRE" - 2015/4/24 - 14:45 - page 6 - #14 61

Identification des sols

0 102030405060708090100

>?Y α"π+δY ;νYπα"π+δY >?(V;ν( FIGURE1.6Diagramme de Casagrande pour la classification des sols fins

Cl Z argile[ \i Z limon[ ]r Z sol organique - Q Z peu plastique[ I Z plastique[ H Z très plastique

Tableau 1.1Classification des sols grenus

Fraction

!δ%δγ...m

δ%δγ...m

Cu > 4 1 < Cc < 3 Grave propre, bien grε"λ? 9δX θνσασ 9δεN?π∂δα∂δ?πβε?πGδε"λ? 9δO θα"θπ?επ?νGσ?π0 9δεN?π?νβασ?"θ?π θν9δ θ"δπ?επ?νGσ?π0 9δεN?πεδGν??"θ? !?9δ

>"π^ππππππππ_π>!π_ππ ;εJ??π∂δα∂δ?πJν?σπGδε"λ ;εX

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