Les propriétés géotechniques utilisées pour le calcul

Les propriétés géotechniques que l’on va chercher à caractériser sont de différentes natures : • poids volumique (§2.4.4.1) ; CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

• propriétés mécaniques : déformabilité (§2.4.4.2 et 2.4.4.3) et résistance au cisaillement (§2.4.5) ;

• propriétés hydrauliques : conductivité hydraulique (§2.4.4.4) et potentiel de développement de pression interstitielle (§2.4.8.5).

Les aspects mécaniques et hydrauliques doivent être abordés conjointement dans le cadre de la justification du dimensionnement d’un projet.

2.4.4.1 Poids volumique

On distingue divers types de poids volumiques : poids volumique sec, poids volumique humide, poids volumique saturé, poids volumique immergé (ou déjaugé). Il convient d’être attentif à l’emploi du poids volumique bien adapté à la représentation du matériau.

L’usage est de caractériser :

• les matériaux en place (fondation, remblai existant) par le poids volumique humide du sol en place ;

• les matériaux d’emprunt (remblai à construire) par la teneur en eau et le poids volumique sec à l’Optimum Proctor Normal (wOPN et γdOPN).

2.4.4.2 Déformabilité, élasticité : modules

Ces paramètres sont issus de la théorie de l’élasticité, applicable aux sols. Les précautions, liées aux divergences qui existent entre la théorie de l’élasticité et le comportement réel des sols qui sortent de leur domaine « élastique » dès que les déformations dépassent un certain seuil, doivent être intégrées :

• la courbe contrainte / déformation d’un sol n’étant pas linéaire, la valeur du module d’élasticité varie avec la déformation, selon la gamme de contraintes dans laquelle on se place : il faut donc être attentif à associer à une valeur de module d’élasticité son domaine de validité en termes de déformations et de contraintes ;

• la déformation résultant de l’application d’une contrainte n’est pas réversible ;

• la vitesse de chargement influence la réponse du sol : des efforts dynamiques (vibrations) produiront des effets différents d’un chargement de longue durée.

Les deux paramètres caractérisant le comportement élastique sont le module d’élasticité E (également appelé module d’Young) qui traduit le rapport entre le déviateur de contraintes (σ1 - σ3) et la déformation principale ε1 du sol, et le coefficient de Poisson ν. Selon les

conditions, il conviendra de différencier :

• le module drainé E, associé au coefficient de Poisson drainé ν, lorsque le phénomène de consolidation a le temps de se produire. Selon le modèle rhéologique utilisé, on utilise une unique valeur de E pour les modèles avec élasticité linéaire ou plusieurs valeurs pour les modèles à élasticité non linéaire (Ei Module initial, Et Module

tangent, Es Module sécant, Eur Module de déchargement-rechargement, …) ;

• le module non drainé Eu, associé au coefficient de Poisson non drainé νu, lorsque les

contraintes sont appliquées rapidement et que le phénomène de consolidation, compte tenu de la perméabilité des sols et des conditions de drainage, n’a pas le temps de s’établir (approche en contraintes totales) ;

Signalons que ce sont généralement les paramètres drainés (E, ν) qu’il faut utiliser, même pour le calcul du comportement non drainé, les logiciels ajoutant automatiquement un module de compressibilité pour l’eau et distinguant les contraintes totales, les contraintes effectives et les surpressions interstitielles ;

• le module dynamique Ed (les modules E et Eu précédents étant des modules

statiques). Il correspond à la réponse du sol sous des sollicitations très brèves telles

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que celles produites par les machines vibrantes ou les séismes. Il s’agit d’un module non drainé et l’on considère généralement que sa valeur est au moins trois fois supérieure à Eu.

On définit également un module de cisaillement G, qui traduit le rapport entre contraintes tangentielles τ et distorsion θ subie par le sol. Ce module a la même valeur, que l’on se trouve en condition drainée ou non drainée. Il est lié à E, via le coefficient de Poisson drainé, par la relation suivante :

)

1

(

2

+ν

=

E

G

Le module d’élasticité drainé E et le module œdométrique (cf. 2.4.4.3) sont également reliés, via le coefficient de Poisson drainé :

) 1 ( ) 2 1 ).( 1 ( .

ν

ν

ν

− − + =Eoed E

Les paramètres de déformabilité sont essentiellement utilisés dans les calculs aux éléments finis ou dans des formules empiriques de calcul de tassement.

2.4.4.3 Déformabilité et consolidation : œdomètre

Lorsque l’on souhaite évaluer le tassement selon la méthode du chemin de contrainte, on s’appuie sur les résultats issus de l’essai œdométrique qui permet de déterminer, pour les sols fins :

• la contrainte de consolidation σ’c (en kPa) ;

• l’indice de compression cc ;

• le module œdométrique Eœd (en kPa) ;

• le coefficient de consolidation cv (en m²/s).

Ces paramètres servent à l’évaluation des tassements et de leur évolution dans le temps (tassements instantanés et différés).

2.4.4.4 Paramètres hydrauliques

Le principal paramètre hydraulique est la perméabilité (ou conductivité hydraulique) du remblai et de la fondation.

Ce paramètre est difficile à caractériser :

- il varie de plusieurs ordres de grandeur en fonction de la nature et de l’état des sols et matériaux rencontrés ; il est largement influencé par les défauts et irrégularités géotechniques ou de construction,

- il varie dans le temps car il dépend étroitement de l’état de saturation du sol.

Dans un milieu saturé, il existe des formules qui donnent une estimation de la perméabilité en fonction de la taille des vides.

Perméabilité dans le sol

µ

ρg

R

n

k

8

2

=

_{µ : viscosité cinématique 10}n : porosité -3 _{Poiseuille à 20°}

R : rayon du capillaire moyen du sol en m Perméabilité dans la roche

µ

ρg

e

n

k

12

2

=

ρ : masse volumique en kg/m 3 g : accélération de la gravité e : épaisseur de la fissure moyenne en m Des formules pratiques (Hazen, Vaughan, Kozeny) sont données en annexe 2.

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Pour les sols et remblais des ouvrages réels, il faut distinguer perméabilité horizontale et perméabilité verticale. La perméabilité horizontale est généralement 5 à 100 fois plus forte que la perméabilité verticale, en raison de la stratification des dépôts naturels et en raison de la construction par couches des remblais.

Lorsqu’un sol est composé de couches multiples, il est parfois possible de considérer une perméabilité homogène équivalente (cf. annexe 2).

Le comportement des ouvrages, en particulier des digues fluviales, est fortement conditionné par le comportement hydraulique des sols non saturés. Des modèles de comportement en conditions de sol non saturé sont mis en œuvre dans plusieurs logiciels commerciaux. L’annexe 2 précise les concepts et formules les plus souvent utilisés pour les calculs hydrauliques en milieu poreux non saturé.

Dans le document Recommandations pour la justification de la stabilité des barrages et des digues en remblai (Page 35-38)