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Propri´ et´ es m´ ecaniques dans le domaine lin´ eaire

3.2 Situations consid´ er´ ees

3.2.2 Propri´ et´ es des mat´ eriaux

3.2.2.1 Propri´ et´ es m´ ecaniques dans le domaine lin´ eaire

etude est pr´esent´ee dans la partie 3.2.2.1. Comme justifi´e en introduction, la d´egradation

des propri´et´es m´ecaniques pour des d´eformations de cisaillement moyennes et fortes des

mat´eriaux est prise en compte dans les mod`eles. Il s’agit de la deuxi`eme ´etape, d´etaill´ee

dans la section 3.2.2.2, permettant de d´efinir les propri´et´es des mat´eriaux «d´egrad´ees»

dans les diff´erents mod`eles.

3.2.2.1 Propri´et´es m´ecaniques dans le domaine lin´eaire

Les propri´et´es m´ecaniques des mat´eriaux sont caract´eris´ees par la vitesse des ondes

de cisaillement, la vitesse des ondes de compression (ou le coefficient de Poisson) et la

masse volumique.

Digue La digue est consid´er´ee homog`ene, sans variation lat´erale ou verticale des

pro-pri´et´es m´ecaniques. Trois vitesses des ondes de cisaillement sont d´efinies dans la digue,

correspondant `a des mat´eriaux mous, «normaux» et raides :

3.2 Situations consid´er´ees

• V

d

= 300 m{s ;

• V

d

= 500 m{s.

La masse volumique des mat´eriaux est de l’ordre de 2000 kg{m

3

mais est l´eg`erement

adapt´ee `a la vitesse des ondes de cisaillement selon la relation : ρ

d

“1880`0.4V

d

. Elle

prend ainsi les valeurs de 1960 kg{m

3

, 2000 kg{m

3

et 2080 kg{m

3

suivant le niveau de

compaction de la digue, c’est-`a-dire de rigidit´e. La vitesse des ondes de compression est

donn´ee parV

Pd

“3V

d

(soit un coefficient de Poisson environ ´egal `a 0.44).

Couche de sol La vitesse des ondes de cisaillement dans la couche de sol est bas´ee sur

les trois gradients d’augmentation de la vitesse avec la profondeur pr´esent´es sur la figure

3.4. Ceux-ci d´ecrivent l’augmentation de la vitesse avec la profondeur en champ libre,

i.e. hors zone d’influence de la digue. Ils sont d´efinis par la relation suivante, utilis´ee

notamment par Stambouli et al. (2018) :

V

Sp

zq “ V

a

` pV

b

´V

aq

c

z´z

a

z

b

´z

a

(3.1)

o`uV

S

d´esigne la vitesse des ondes de cisaillement `a une profondeurz sous la surface de la

couche de sol,V

a

etV

b

sont respectivement la vitesse des ondes de cisaillement au niveau

des profondeurs z

a

etz

b

, avec z

a

= 0 m etz

b

= -1000 m. La vitesse `a une profondeur de

-1000 m est en r´ealit´e une valeur fictive supposant que le rocher n’est pas atteint avant.

Chaque profil de vitesse pr´esent´e sur la figure 3.4 est cal´e sur une valeur de la vitesse

moyenne des ondes de cisaillement sur les trente premiers m`etres. Trois valeurs distinctes

de V

S30

sont ainsi consid´er´ees : 125 m{s, 250 m{s et 500 m{s. Les vitesses V

a

et V

b

sont choisies de mani`ere `a obtenir ces trois valeurs de vitesse moyenne des ondes de

cisaillement sur les trente premiers m`etres de couche de sol. Celles-ci sont synth´etis´ees

dans le tableau 3.2.

V

S30

associ´ee au gradient de vitesse (m{s) 125 250 500

V

a

`a z

a

0m de profondeur (m{s) 80 160 434

V

b

`az

b

“ ´1000m de profondeur (m{s) 480 950 1000

Table 3.2 – Param`etres des diff´erents profils de vitesse des ondes de cisaillement dans

la couche de sol.

L’effet du confinement suppl´ementaire apport´e par la digue sur les propri´et´es de la couche

de sol est pris en compte `a partir de la solution propos´ee par (Flamant, 1892), g´en´

erale-ment appel´ee solution Flamant-Boussinesq, d´ecrite sur la figure 3.5. Sur cette figure :

• prepr´esente le chargement lin´eaire impos´e au sol. Dans le cas pr´esent, il s’agit du

poids lin´eaire de la digue ;

• B est la largeur sur laquelle le chargement lin´eaire est appliqu´e. Elle est estim´ee

en assimilant la digue `a un rectangle de largeur B et de mˆeme hauteur (H

d

), en

conservant son aire totale ;

Figure3.4 – Gradients d’´evolution de la vitesse des ondes de cisaillement dans la couche

de sol en fonction de V

S30

.

• x

0

et z

0

sont les coordonn´ees (respectivement horizontale et verticale) d’un point

de la couche de sol ;

• Θ, Θ

1

et Θ

2

sont les angles permettant de caract´eriser la position du point par

rapport au chargement. Ceux-ci peuvent ˆetre reli´es simplement `ax

0

,z

0

et B.

Selon (Flamant, 1892), les suppl´ements de contraintes horizontale ∆σ

xx

, verticale ∆σ

zz

et totales ∆σ

tot

li´ees `a la pr´esence du chargement p au niveau du point de coordonn´ees

(x

0

,z

0

) sont donn´ees par les relations :

∆σ

xx

“ p

πppΘ

1

´Θ

2q `

sin Θ

1

cos Θ

1

´sin Θ

2

cos Θ

2q

(3.2)

∆σ

zz

“ p

πppΘ

1

´Θ

2q ´

sin Θ

1

cos Θ

1

`sin Θ

2

cos Θ

2q

(3.3)

∆σ

tot

“ p

πpΘ

1

´Θ

2q “

p

πΘ (3.4)

avec dans le cas pr´esent :

pρ

d

gH

d

(3.5)

3.2 Situations consid´er´ees

x

z

p

px

0

, z

0

q

Θ

Θ

1

Θ

2

´

B2 B2

Figure 3.5 – Illustration de la solution Flamant-Boussinesq pour le calcul du

confine-ment en chaque point de la couche de sol.

Pour traduire cet incr´ement de contrainte en une augmentation de la vitesse de

cisaille-ment, les gradients pr´esent´es sur la figure 3.4 sont utilis´es. En effet, ceux-ci donnent la

vitesse des ondes de cisaillement en un point de profondeurz

0

en fonction de la contrainte

de confinement apport´ee par la colonne de sol au-dessus de ce point, soit par une charge

p

c

´egale `aρ

c

g|z

0

|. En int´egrant le suppl´ement de contrainte li´e `a la pr´esence de la digue

z0,x0

, la contrainte totale devient :

σ

tot

“ρ

c

gp|z

0

|`ρ

d

ρ

c

H

d

π Θq (3.7)

Ce qui revient `a consid´erer un incr´ement de profondeur ∆

z0,x0

dans le calcul du gradient

donn´e par :

z0,x0

ρ

d

ρ

c

H

d

π Θ (3.8)

Cette valeur d´ependant de l’angle Θ, et donc dex

0

, elle introduit une variation lat´erale

de la vitesse. Appliquer cette relation pour quelques valeurs particuli`eres de Θ peut

permettre de mieux comprendre l’effet du confinement apport´e par la digue sur la vitesse :

• pour ΘÝÑ0

˝

, soit le cas d’un point tr`es ´eloign´e de la digue ou situ´e `a la surface,

l’incr´ement de profondeur est nul, il n’y a aucun effet de la digue ;

• pour Θ“π, soit le cas du point situ´e `a l’interface digue/couche de sol, l’incr´ement

de profondeur est maximal, il correspond `a un incr´ement de profondeur

ρd

ρc

H

d

.

123

La figure 3.6 illustre les valeurs de vitesses de cisaillement pour quelques cas particuliers.

Alors que la vitesse des ondes de cisaillement dans la couche de sol est variable dans

les deux directions (verticale et horizontale), cette derni`ere est caract´eris´ee `a partir du

gradient de r´ef´erence en champ libre sur laquelle elle est bas´ee. Plus particuli`erement,

la notation Vp

c

, pouvant prendre les valeurs de 125 m{s, 250 m{s et 500 m{s, d´esigne la

valeur de V

S30

sur laquelle le gradient de vitesse en champ libre est fond´e. Il convient de

remarquer que la valeur prise par Vp

c

ne correspond pas syst´ematiquement `a la vitesse

moyenne sur les trente premiers m`etres de la couche de sol. En effet, :

• l’´epaisseur des couches de sol choisies ´etant limit´ee, lorsque la profondeur atteint

la profondeur maximale de la couche, la vitesse des ondes de cisaillement devient

´

egale `a celle choisie dans le rocher (et ne suit donc plus le gradient de vitesse), ainsi

V

S30

ąVp

c

pourH

c

“3m et H

c

“10m ;

• le confinement apport´e par la digue entraine une augmentation de la vitesse des

ondes de cisaillement dans la couche de sol, ainsi V

S30

ą Vp

c

pour des abscisses

suffisamment proches de l’axe de la digue.

.

La v´eritable valeur de V

S30

en champ libre (sans effet du confinement apport´e par la

digue) et la classe de sol (Eurocode 8, 2004) correspondante est pr´esent´ee pour chaque

valeur de H

c

et de Vp

c

dans le tableau 3.3. A titre indicatif, le coefficient d’amplification

S du spectre de r´eponse r´eglementaire (voir sous partie 1.3.2.1 et tableau 1.6) associ´e `a

ces classes de sol est rappel´e dans ce mˆeme tableau.

La figure 3.6 permet de constater l’effet relativement faible du confinement apport´e par

la digue sur la vitesse des ondes de cisaillement dans la couche de sol. A une profondeur

donn´ee, la vitesse est l´eg`erement plus importante dans la zone d’influence de la digue

(en particulier juste sous la digue) qu’`a distance de celle-ci. Elle est en partie li´ee `a la

g´eom´etrie de la digue, en particulier `a sa hauteur et son emprise `a sa base. Pour une

meilleure visualisation de l’impact de la digue sur la vitesse des ondes de cisaillement dans

la couche de sol, la figure 3.7 repr´esente l’incr´ement de V

S

par rapport `a une situation

sans digue. Cet incr´ement est calcul´e, dans la couche de sol, de la mani`ere suivante (il

est par d´efinition nul dans la digue, o`u le confinement n’est pas pris en compte) :

VS

“ V

S

pH

dq ´

V

Sp

H

d

“0mq

V

Sp

H

d

“0mq (3.9)

o`u ∆

VS

est l’incr´ement de V

S

li´e au confinement apport´e par une digue de hauteur H

d

,

V

S

pH

dq

est la vitesse des ondes de cisaillement en un point des mod`eles en pr´esence de

l’effet d’une digue de hauteurH

d

etV

Sp

H

d

“0mqest la vitesse des ondes de cisaillement

« hors zone» d’influence de la digue (ou tout simplement sans consid´erer l’effet du

confinement apport´e par la digue).

L’effet du confinement apport´e de la digue est significatif surtout pour les couches de sol

les plus molles (Vp

c

“125 m{s), les digues les plus hautes (H

d

“20 m) et `a proximit´e de

l’interface entre la digue et la couche de sol.

3.2 Situations consid´er´ees

(a)H

d

= 4 m etVp

c

= 125 m{s. (b) H

d

= 20 m etVp

c

= 125 m{s.

(c) H

d

= 4 m etVp

c

= 500 m{s. (d) H

d

= 20 m etVp

c

= 500 m{s.

Figure 3.6 – Illustration de quelques valeurs de vitesses des ondes de cisaillement dans

les mod`eles, pour V

d

= 300 m{s,H

c

>30 m et (a) H

d

= 4 m etVp

c

= 125 m{s ; (b)H

d

=

20 m et Vp

c

= 125 m{s ; (c) H

d

= 4 m etVp

c

= 500 m{s ; (d) H

d

= 20 m et Vp

c

= 500 m{s.

Finalement, en tout point de la couche de sol, la vitesse des ondes de compression est

donn´ee par V

Pc

“3V

c

, o`uV

c

d´esigne la vitesse des ondes de cisaillement en un point de

la couche de sol. La masse volumique ob´eit `a la mˆeme d´ependance `a la vitesse des ondes

de cisaillement que dans la digue. Elle est ainsi bas´ee sur une valeur de 2000 kg{m

3

et

est donn´ee en chaque point par la relation : ρ

c

1880`0.4 V

c

. Elle varie donc entre

1910 kg{m

3

, pour les sols mous en surface, et 2200 kg{m

3

, pour les sols les plus raides et

profonds.

Rocher Le rocher est suppos´e homog`ene purement ´elastique avec une vitesse des ondes

de cisaillement de 800 m{s, une vitesse des ondes de compression de 2500 m{s et une

masse volumique de 2300 kg{m

3

.

H

c

(m) Vp

c

(m{s) V

S30

(m{s) Classe de sol S

a

g

ď3.0m{s

2

a

g

ą3.0m{s

2