Position initiale
II. 3.1.2.- Méthode des tranches :
Développée pour les ruptures circulaires par Fellenius perfectionnée par Bishop et étendue enfin aux ruptures non circulaires par Nonveille en 1965, elle se trouve sous deux formes détaillée et simplifiée.
II.3.1. 2.1 méthode des tranches de Fellenius
C’est la méthode la plus simple pour l’analyse de stabilité des talus. Fellenius suppose que le volume de glissement délimité par la surface de glissement et la topographie du talus est subdivisé en n tranches. Chaque tranche est considérée comme un solide indéformable, en équilibre sur la ligne de glissement.
Figure II.12-Rupture circulaire.
Considérons un talus recoupant un certain nombre de couches de sols de caractéristiques différentes ci, i, Ψi. La stabilité est étudiée en considérant le problème 2D, c'est-à-dire en
analysant l'équilibre d'une masse de sol d'épaisseur unité dans le sens perpendiculaire à la figure.
Soit un cercle quelconque de centre O et de rayon R pour lequel on vérifie la sécurité vis-à-vis du risque de glissement. La méthode consiste à découper le volume de sol concerné (compris dans l'arc AMB) en un certain nombre de tranches limitées par des plans verticaux.
Etudions l'équilibre de l'une de ces tranches, par exemple la tranche "abcd".
(a)
(b) hypothèse de Fellenius
Figure II.14.- forces agissant sur une tranche isolée(i). [7] Les forces agissant sur cette tranche (figure. II.14.a) sont les suivantes:
- son poids W;
- la réaction Rn du milieu sous-jacent sur l'arc ab;
- les réactions sur les faces verticales bd et ac décomposées en réactions horizontales Hn et
Hn+1 et en réactions verticales Vn et Vn+1. Il s'agit de forces internes au massif étudié.
- les pressions hydrauliques peuvent être prisent en compte, en présence de nappe (figure. II.15). Définissons par rapport au centre du cercle O:
- le moment moteur, comme celui du poids des terres W (et des surcharges éventuelles), qui tend à provoquer le glissement ;
- les moments résistants, comme ceux des réactions s'opposant globalement au glissement de la tranche.(moment de Rn , Hn , Hn+1, Vn et Vn+1.)
La surface de rupture étant limitée par les points A et B, le coefficient de sécurité global FS est défini par le quotient: Fs = .
Considérons la somme des moments pour l'arc ab, sachant que :la somme des moments des forces est nulle.
-pour la tranche n-1 : les moments des forces -Vn et -Hn s’oppose à celui de Vn et Hn. -pour la tranche n+1 : les moments des forces –Vn+1 et -Hn +1s’oppose à celui de Vn+1 et Hn+1.
Fellenius a fait une hypothèse qui simplifie considérablement les calculs, à savoir que la seule force agissant sur l'arc ab est le poids W (figure. II.14.b), à l'exception des forces internes. Dans ce cas W= -Rn.
Dans ces conditions, le moment résistant maximal est fourni par la valeur maximale que peut prendre la composante tangentielle de Rn : (Rn)t
D'après la loi de Coulomb, elle s'écrit :
(Rn)t = Ci.ab+N.tan i ………....II.2
La somme des moments pour toutes les tranches est :
ci.ab+N.tan i)………. II.3 Avec:
m: nombre total de tranches, R : rayon du cercle de glissement.
ci et i : caractéristiques mécaniques de la couche dans laquelle est situé l’arc de la tranche ab
D’autre part, le moment moteur est dû à T et égal à T.R, d'où:
Fs = ………II.4
Remarques
1-si le sol est homogène, c=Cte et =Cte, la formule (1) devient en appelant L la longueur développée de la surface de rupture :
Fs = ……….………….II.5
-b : largeur des tranches
- : angle que fait le rayon du cercle passant par le milieu de la base de la tranche avec la verticale
- la hauteur de la tranche pour le calcul de W La formule II.4devient :
Fs = ………II.6
Pour les talus en remblais sur sols compressibles (mous), les ruptures susceptibles de se produire sont profondes et interviennent rapidement. Le coefficient de sécurité d’après Fellenius pour un sol hétérogène est :
*Stabilité des talus en remblai sur sols mous En présence d’eau [16]
Figure II.15.-forces agissant sur une tranche isolée(i) en présence d’eau
Fs = ……… II.7
U : Pression interstitielle de la tranche n ; b : Largeur de la tranche ;
II.3.1. 2.2 méthode des tranches de Bishop II.3.1. 2.2.1- Méthode de Bishop détaillée
Les composantes Vn, Vn+1, Hn, Hn+1 des réactions sur les tranches verticales interviennent dans les efforts appliqués sur AB (Figure II.16.(b)) et influencent la réaction Rn.
(a)Découpage en tranche d’un talus
(b)Forces agissant sur une tranche isolée(n)
Figure II.16.-Découpage en tranche d’un talus et Forces agissant sur une tranche isolée(n) pour la méthode de Bishop
En 1954, Bishop a publié une méthode, appelée méthode détaillée, permettant de calculer le coefficient de sécurité FS en tenant compte de ces sollicitations.
Le coefficient de sécurité est donné par la formule générale suivante :
Fs = ……… II.8
Pour déterminer FS, il faut :
- procéder par itérations successives, puisque FS figure aux membres de l’équation, - définir Vn- Vn+1 Pour cela, une hypothèse supplémentaire est nécessaire, par exemple admettre que le long des plans verticaux les contraintes sont proportionnelles à la distance verticale de leur point d’application à la surface libre.
Compte tenu des équations régissant l’équilibre général du massif de sol limité par les cercles de glissement, déterminer − est alors possible. Toutefois, le calcul est très fastidieux et n’est
II.3.1. 2.2.2- Méthode de Bishop simplifiée
L’hypothèse supplémentaire est que Vn- Vn+1 = 0, quelle que soit la tranche considérée. L’équation II.8 devient alors :
Fs = ……….II.9
Tous les termes sont connus et FS est calculé par itérations successives.
La première itération est faite en adoptant, comme valeur le coefficient de sécurité obtenu par la méthode de Fellenius.
Le résultat est rapidement convergent. Evidemment, ce type de calcul se prête bien au traitement par ordinateur.[7]
Remarques
Pour les talus en remblais sur sols compressibles (mous), les ruptures susceptibles de se produire sont profondes et interviennent rapidement. Le coefficient de sécurité d’après Bishop pour un sol hétérogène est :
*Stabilité des talus en remblai sur sols mous La méthode de Bishop détaillée donne :
Fs = ……….II.10
u : Pression interstitielle de la tranche n ; b : Largeur de la tranche ;
W : Poids de la tranche.
La méthode de Bishop simplifiée donne :
Fs = ……….II.11
Si le sol est homogène, le cercle de rupture est faible, il se produit un fluage du sol de fondation entraînant un tassement anormal sous remblai et un renflement latéral de la couche molle. Cette déformation à volume constant vient s’ajouter au tassement dû à la consolidation du sol. [7]
II.3.2. calcul de stabilité en rupture plane. II.3.2.1- principe de calcul
le coefficient de sécurité vis-à-vis de la rupture le long du plan situé à la profondeur z est donné par la formule :
Fs = = ………..II.12
II.3.2. 2.- Rupture selon un plan parallèle à une pente indéfinie.
Soit une pente indéfinie d’inclinaison β dans un sol ayant pour caractéristique : -poids spécifique
1 au-dessus de la nappe, sat au-dessus de la nappe, - cohésion effective c’,
-angle de frottement interne effectif ’.
Supposons de plus que la nappe règne sur une hauteur hW au-dessus de la ligne AB et
s’écoule donc parallèlement à la pente, ce qu’est un cas courant. Les lignes de courant sont donc parallèles à la pente et les équipotentielles sont des droites inclinées de β sur la vertical (fig. II. 17)
Fig. II.17.-glissement plan parallèle à la pente indéfinie
Considérons l’équilibre du prisme ABCD de largeur b : -par symétrie les réactions sur AD et BC sont égales et opposées,
- Le poids W= 1(z –hw) +sat. hwb………..…..II.13 Ce qui peut s’écrire sous la forme :
h étant l’épaisseur d’une couche quelconque et son poids spécifique apparent. Décomposons W en des composantes normales N et tangentielle T :
N= b.cosβ .h……….II.15
T = b.sinβ h……….……….II.16
-la pression interstitielle sur AB est :
u= whwcos2β ……… II.17
-la résultante U =uAB, orientée sur la normale à AB, est :
U=w.hw.b.cosβ. ……… …II.18
Finalement, la résistance maximale mobilisable en cisaillement le long AB est d’après l’équation de coulomb :
R= c’.AB+ (N - U) tg ’……….……….………..II.19 Soit:
R = c’ + ( .h - w.hw) bcosβtg’…………..…… ..II.20
Et le coefficient de sécurité vis-à-vis de la rupture le long du plan situé à la profondeur z est donné par la formule :
Fs = = ………..…II.21
Nous avons étudié le cas général avec poussée d’écoulement. S’il n’y a pas de nappe, et que le poids spécifique peut être considéré comme constant, la formule devient :
Fs = ……….………..….II.22
REMARQUES.
1- Il est facile de vérifier qu’en milieu homogène FS diminue lorsque z augmente. La surface de rupture est donc la plus profonde possible.
En générale, la rupture plane correspond au glissement du manteau d’altération sur les couches profondes intactes. La rupture plane est souvent constituée par la courbe enveloppe de mouvements complexe.
2- la formule (II.21) montre que FS diminue lorsque hw augmente. Ceci explique que les glissements de terrain se produisent essentiellement en période pluvieuse. Cette remarque est générale et valable, quelle que soit la forme de la surface de glissement. Un des procédés utilisés pour stabiliser les pentes consiste à les drainer afin de diminuer la valeur de .[7]