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Bulletin technique (Conseil national de recherches du Canada. Division des
recherches en bâtiment), 1974-11
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La capacité portante des argiles pour les silos-tours
Bozozuk, M.
CONSEIL NATIONAL DE RECHERCHES DU CANADA
LA CAPACITE PORTANTE DES ARGILES POUR LES SILOS-TOURS
par
Michael Bozozuk ａｎＮｾＮｌ YZ2L>
Presente
a
la Reunion des Conseillers regionaux en Genie rural avec Ie Personnel de la Division des Constructions ruraleset Ie Concours de Membres du Personnel du Service de la Recherche en Genie du Ministere de PAgriculture du
Canada. Departement de Genie Rural. Universite Laval. Quebec. 19
a
21 fevrier 1974.Bulletin Technique nO. 424 de Ia
Division des Recherches sur Ie Batiment
Ottawa novembre 1974
LA CAPACITE PORTANTE DES ARGILES POUR LES SILOS·TOURS
par
Michael Bozozuk
SOMMAIRE
Les agriculteurs canadiens font construire des silos plus grands et plus eleves que par Ie passe, suivant la tendance contemporaine aux constructions plus grandes. Puisque ces grands silos representent un investissement important, on cherche souvent
a
en reduire Ie coat en pretant moins attention aux fondations. Lorsque les silos etaient plus petits, il n'y avait generalement pas de problemes, mais dans Ie cas des constructions plusgrandes, les forces exercees approchent souvent la capacite portante des sols de fondation. 11 en resulte
l:l11 tassement excessif, une incHnaison perilleuse
(figures la, b, c) et souvent une rupture complete (figure 2).
n
importe de construire la fondation d'un silo en fonction de la capacite portante du sol avec un degre suffisant de securite. On presente une methodeservant
a
determiner la capacite portante admissible d'apres des essais faits sur Ie sol et on propose des ameliorations pour Ie calcul des fondations.LA REPARTITION DES PRESSIONS SOUS LES FONDATIONS D'UN SILO
Plusieurs silos sont construits sur des fondations en forme d 'anneau. On n'a jamais me sure la repartition des pressions que ces constructions exercent sur Ie sol - Ie poids combine des superstructures, l'equipement d'exploitation, les fondations et l'ensilage*. Dans la presente analyse,
* La densite du ble d'Inde ensile dans un silo de 82 pieds de hauteur a ete mesuree par Bozozuk (4). Pour d'autres cultures. voir McCalmont (12). On pourra aussi consulter Ie ministere federal de l' Agriculture et Ie ministere de l'Agriculture et de I'Alimentation de l'Ontario.
-2-on suppose que la charge globale est appliquee uniformement sur toute la surface de la fondation circulaire. _Pour cette supposition, la theorie de l'elasticite (16) indique qu'une ｰｲ･ｳｾｩｯｮ uniforme q, appliquee sur une surface de diametre B , est transferee au sol d'appui sous forme de bulbe de pression (voir la figure 3). Les dimensions de celle-ci sont liees au diametre de la fondation: plus Ie diametre est grand, plus la bulbe est large et profonde. La plus grande pression verticale est exercee
directement au-dessous de la semelle et tombe
a
10% de cette valeura
une profondeur egalea
deux fois Ie diametre de la fondation. Si les forces exerceesa
l'interieur de la bulbe ne depassent pas la resistance du sol au cisaillement, la construction est stable.Si l'ensilage n'est pas uniforme, il en resulte une charge W qui n'est pas centree et la bulbe de pression est deformee (voir la figure 4a). Un vent fort peut produire Ie meme effet sur un silo eleve. Des forces locales excessives exercees sur l'argile de fondation peuvent alors entrainer la rupture de la construction. Slil n'y a pas de rupture, des tassements non uniformes feront pencher Ie silo (voir la figure 1b). Si cette situation n'est pas rectifiee, I1inclinaison due
a
la consolidation non uniforme du sol augmente avec Ie temps et Ie silo risque d 'etre renverse.Lorsque deux silos ou plus sont construits trop pres l'un de l'autre, il y a chevauchement des bulbes de pression (voir la figure 4b). Les pressions exercees etant additives, la bulbe de pression combinee est beaucoup plus large et profonde. Le sol dans la zone de chevauchement est alors soumis
a
des forces plus grandes, Ie tassement des fondations est plus eleve dans cette re gion et par consequent les silos pencherontl'un
vers I1autre (figure Ie). Lorsqu1une argile compressible est chargeea
sa capacite portante admissible, l'espace horizontal minimum H entre les silos ne devrait done pas etre inferieur au diametre B des fondations. Si Pon veut rapprocher les silos, on devrait les construire sur un meme radier de fondation suffisamment renforce pour resister aux moments de flexion exerces.LA CAPACITE PORT ANTE DE 'VARGILE
La capacite portante du sol est fonction de sa resistance au cisaille-ment et des dimensions, de la forme et de la profondeur des fondations. Des enquetes sur la rupture de silos
a
New Liskeard (7) eta
Vankleek Hill (4) ont montre que Padherence ou Ie frottement du sol d'appui en contact avec les parois rugueuses de la fondation n'augmentent pas la capacite portante. Ces etudes confirment egalement l'equation de Skempton (15) quanta
la capacite portante admissible du sol:...
ou
=
cNc
+
p (1)ｾ
=
capacite portante maximale,c
=
resistance moyenne du sol au cisaillementa
une profondeur sous les semelles egalea
2/3 du diametre ･ｸｕｾｲｩ･ｵｲ de la fondation,N
=
6.6c
P
=
yD=
facteur forme pour une fondation circulaire (pour d'autres formes (voir Skempton (15)),=
pression de surcharge auniveau de la semelle, ou D=
profondeur de la semelle et y=
densite du soL Note: on n1a pasa
tenir compte de ce facteurlorsque Ie sol adjacent au silo est enleve jusqu
la
la profondeur de la semelle, pour l'amenagement paysager, p. ex.I1 convient d'inclure un coefficient de securite F contre la rupture dans les etudes techniques. Ce facteur, applique
a
la resistance du sol au cisaillement, donne l'equation suivante pour la capacite portante admissible:= ｾｎ
F c + P (2 )
Lorsqu'il y a rupture d'un silo, Ie sol de fondation tourne Ie long d'un arc circulaire (figure 5). Par consequent, la direction de la contrainte de cisaillement exercee Ie long du cercle de glissement change
continuellement de 0
a
900de la verticale. Dans certains cas, la resistance au cisaillement est constante (isotrope), dans d1autres elle varie (anisotrope). A VcJlkleek Hill, la resistance a change d lenviron 21% selon la direction (figure 6). Des observations semblables ont
donne des reductions de resistance selon l'orientation allant de 35
a
40% dans 1es argiles marines de Saint-Louis et de Saint-Vallier au Quebec (11). I1 est donc tres important d 'utiliser un coefficient de securite qui tienne compte de la resistance anisotrope, des pressions non uniformes exercees sur Ie sol, des pressions de renversement dues aux vents vio1ents, des charges excentriques importantes et des tassements excessifs. Terzaghi et Peck (17) et Skempton (IS) suggerent qu'on utilise un coefficient de securite d' au moins F=
3 dans les determinations de la capacite portante.
-4-ANALYSE DES SOLS
La. capacite portante etant fonction des proprietes du sol en place, les essais doivent fournir des renseigtlements sur Ie profil du sol, Ie niveau de la nappe phreatique, les proprietes d'indice et la resistance au
cisaillement. Les tassements sont lies a. la compressibilite du sol. Compte tenu de la bulbe de pression, on devrait, analyser Ie sol sous les semeUes jusqu'a. une profondeur deux fois plus grande que Ie diametre de la fondation. Pour les essais de resistance et de compressibilite
(consolidation) en laboratoire. il importe de prelever des echantillons de sol non remanie et de bonne qualite a. l'aide d'un carottier a. piston de 2 pouces de diametre ou plus comme celui que decrit Bjerrum (5).
n
serait utile maintenant de decrire brievement les divers essais quifournissent les renseignements voulus. Les references citees contiennent des donnees supplementaires.
La Resistance au Cisaillement
On peut mesurer la resistance du sol sur place ou en laboratoire a. l'aide d'echantillons non remanies.
1. Les essais' sur place
(a) Le scissometre (2)
Le dispositif de base comporte quatre palettes rectangulaires en acier fixees en forme de croix au bout d 'une tige de longueur appropriee. Le dispositif complet comprend un bonier. des bielles d'acier. une gaine et une surface de mesure. Le ｳ｣ｩｳｳｯｭｾｴｲ･ est enfonce verticalement a. la profondeur voulue et on mesure l'effort de torsion requis pour faire tourner les palettes. indiquant la resistance de l'argile au cisaiUerhent. Clest un essai rapide et facile a. faire. On peut obtenir un profil complet de la resistance au cisaillement en une journee ou deux suivant Ie nombre d 'essais. On utilise beaucoup Ie scissometre dans les argiles moUes dans plusieurs regions du monde.
(b) Le penetrometre a. cone (13. 14)
On enfonce un petit cone d lacier verticalement dans Ie sol a. une vitesse constante avec une installation de forage. Une mesure continuelle de la resistance a. la penetration fournit un profil detaille de la resistance du sol au cisaillement. On utilise cette methode dans les argiles et les sables.
(c) Le pressiometre (8. 9)
II s'agit d'un cylindre en metal entoure de membranes concentri ques de caoutchouc dilatables. Le cylindre est introduit dans
-5-un trou de sonde a la profondeur voulue et les membranes sont gonflees jusqu'a ce qu'il yait rupture du sol. ce qui permet d'en mesurer la resistance au ｣ｩｳ｡ｩｬｬ･ｭ･ｮｴｾ Bien que cet essai soit moins rapide que Ie scissometre et relativement plus coilteux et difficile a evaluer, il dohne de bons resultats et est de plus en plus repandu au Canada. On l'a utilise dans les argiles, les moraines glaciaires. Ie pergetisol et la roche de fond.
(d) L'essai de charge sur plaque (1)
Cette methode sert a mesurer la resistance au cisaillement. Il s'agit de charger une plaque d'acier d'un pouce d'epaisseur et de 12 a 30 pouces de diametre deposee sur Ie sol au niveau de la semelle. Puisque la bulbe de pression est petite en comparaison de celle qui se trouve sous Ie silo (figure 3), on analyse uniquement Ie sol qui est directement sous la plaque. Cet essai ne fournit pas de renseignements sur la resistance du sol plus profond et n1est donc pas recommande.
2. Les essais en laboratoire (3. 10)
(a) L'essai non consolide non draine
On mesure la resistance a la compression d'un echantillon cylindrique de sol coherent ou argileux qui ne subit aucune etreinte
laterale. C'est la fa£on la plus facile et la plus rapide de mesurer la resistance au cisaillement en laboratoire.
(b) L'essai triaxial
Dans cet essai, un echantillon cylindrique re£oit un appui lateral durant Ie chargement. L'echantillon est protege par une mince membrane de caoutchouc et place dans une cellule fermee remplie dIeau
ou d'un autre liquide. Un piston penetre la partie superieure de la
cellule et permet Ie chargement de l'echantillon. En reglant les pressions exercees par Ie liquide dans la cellule. on peut reproduire les contraintes isotropes ou anisotropes qui existaient dans Ie sol.
L'essai de Consolidation (1. 10)
On soumet un petit echantillon de sol non remanie
a
une sened'augmentations de charge predeterminees et on Ie laisse se consolider (se tasser) avec Ie temps. Les donnees obtenues permettent de predire Ie degre de tassement du silo. Le nombre d'essais est fonction du profil du sol, de la charge appliquee et des dimensions de la construction.
Les Essais de Classification (1, 10)
-6-routiniers qui servent
a
identifier Ie sol eta
determiner son indice de plasticite I Celui-ci de£init la gamme des teneurs en eaua
laquellep
Ie sol a un comportement plastique. L'indice de plasticite est donne par I
=
w .. w • ou w e s t la teneur en eau (pour cent en poids de solp L P L
sec)
a
laquelle Ie sol perd sa plasticite et commencea
se comporter comme un liquide (limite de liquidite). et w e s t la teneur en eaua
p
laquelle Ie sol perd sa plasticite et commence
a
s'emietter lorsqu'on Ie roule en filaments (limite de plasticite). On peut faire ces essais sur ce qui reste de l'arasage de l'echantillon de l'essai triaxial ou sur un sol prelevea
l'aide d'une simple tal"iere. Il n'est pas necessaire d'avoir des echantillons non ｲ･ｭ｡ｮｩｾｳＮQUELQUES PROBLEMES DE FONDATION FREQUENTS
Comme toute construction, un silo-tour ne vaut que ce que valent ses fondations. S'il veut proteger son investissement, 1 'agriculteur doit exiger des fondations convenables. On ne devrait pas suivre la pratique courante de construire les semelles en remplissant simplement une
tranchee de beton, souvent de qualite mediocre. 11 convient de considerer les points suivants:
1. Le Renforcement des Semelles
Une fondation en forme d'anneau est soumise aux memes charges de circonference exercees dans les murs du silo. A cause de sa faible resistance
a
la traction, Ie beton se fend facilement, ce qui enlevea
la fondation son comportement monolithique. Les sections fissurees agissent comme des semelles independantes; elles peuvent pencher et ne fournissent pas un appui uniforme. 11 est bon de renforcer la fondation avec la meme quantite d 'acier en circonference qu 'on utilise sur une hauteur d'un pieda
la base du silo. 11 importe aussi d'utiliser un beton de bonne qualite.2. Le Centrage du Silo sur les Semelles
Une bonne pratique en construction est de centrer les murs porteurs sur des semelles afin de transferer les charges uniformement au sol d 'appui, la capacite portante admissible de celui-ci etant alors mise pleinement en valeur. Toutefois, de fac;on generale. on ne suit pas cette pratique dans la construction des silos -tours. Ceux-ci ont des fondations en forme d 'anneaux circulaires ou de rondelles, avec un diametre exterieur assez large pour fournir une stabilite maximale contre Ie renversement. Pour des raisons d 'economie, Ie silo est construit sur la marge interieure de cet anne au. Par consequent, les lourdes charges que les murs exercent sur cette marge ne sont pas
-7-locales. La fondation annulaire risque donc de pencher ou de se deformer et de se fendre en sections distinctes. perdant ainsi son action monolithique. Cette situation peut etre rectifiee en partie par un renforcement adequat. mais il faut surtout prolonger la semelle quelque distance
a
l'interieur du silo. Cela produit une repartition plus uniforme des pressions de contact et reduit la tendance de la fondation annulairea
se deform erG La pesanteur additionnelle de l'ensilage sur cette semelle est minime puisque cettecharge est transferee en grande partie aux murs du silo par frottement.
3. Le Plancher du Silo et les Jus d 'ensilage
Plusieurs silos n'ont pas de plancher et les jus d 'ensilage penetrent dans Ie sol de fondation. Pousses par de fortes pressions
hydrostatiques. les jus s'infiltrent sous les fondations. minent les semelles et affaiblis sent Ie sol. diminuant ainsi la stabilite de la construction. On devrait poser un plancher impermeable pour empecher les jus d'ensilage de penetrer Ie sous -sol. On peut eliminer les pressions hydrostatiques qui se forment dans l'ensilage
a
mesure que Ie silo se remplit au moyen de rigoles executees dans Ie plancher impermeable autour de la base du silo et permettant la decharge vers l'exterieur. Ces rigoles devraient etre couvertes et protegees d'une substance filtrante convenable pour empecher les obstructions.AUTRES RECHERCHES A FAIRE
Bien entendu. plusieurs aspects de la conception et de la construction des silos doivent etre etudies davantage. En particulier. deux problemes de premiere importance meritent une attention immediate. Ce sont:
1. La repartition des pressions exercees sur Ie sol au-dessous des fondations d 'un silo rempli. et
2. La comparaison du rendement de differents silos construits dans un sol argileux avec Ie coefficient de securite fourni par des essais de resistance particuliers. (Pour plus de details. voir l'annexe. )
RESUME ET CONCLUSIONS
La capacite portante d'un sol est fonction de sa resistance au cisaillement et des dimensions. de la forme et de la profondeur des fondations. On devrait faire des essais afin de determiner la capacite portante admissible du sol et de predire Ie comportement du silo. Il faut un coefficient de securite suffisant pour empecher les ruptures. les
-8 ...
On peut ameIiorer les fondations d 'un silo et leur rendement en utilisant du beton de bonne qualite, suffisamment arme d'acier, et en prolongeant les semelles quelque distance
a
l'interieur du silo.On devrait poser un plancher impermeable avec des rigoles pour empecher les jus d 'ensilage de penetrer Ie sol de fondation et d 'affaiblir la stabilite de la construction.
REMERCIEMENTS
La recherche sur laquelle se fonde Ie present expose a ｲ･ｾｵ la
collaboration et l'appui de differents ｭｾｭ｢ｲ･ｳ du personnel du ministere federal de l'Agriculture et du ministere de l'Agriculture et de
l'Alimentation de l' Ontario.
Le present expose a ete redige
a
la Division des recherches sur Ie batiment du Conseil national de recherches du Canada; Ie directeur de la Division en a autorise la publication.BIB LIOGRAPHIE
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( a) (b) (c)
Figure 1. Silos qui penchent par suite du tas sement non uniforme de s fondations. Photos (a) et (b): M inistere de 11Agriculture et de llAlimentation
de II Ontario.
Figure 2. Rupture dlun silo-tour de 21 m (70 pieds) de hauteur et de 6 m (20 pieds) de diametre con-struit dans de l'argile marine. Nouveau silo en construction
a
1'arriere -plan.SURCHARGE TONNE PAR PIEO CARRE
SURCHARGE TONNE PAR PIEO CARRE
28
Figure 3. Bulbes de pression sous des semelles rondes. petites et grandes.
BULBE DE PRESSION INCllNAISON / -V-I H
l
--,
,
"'"
" _-<." BUlBE DE .!'RESSION - - "'-CONJUGUEE (aI Ib \ INCliNAISON...----if
I VENTI
SURCHARGE IRREG UliERE D'ENSllAGE GA INE DE CHARGEMENTFigure 4. Bulbes de pression non uniformes et qui s e chevauchent.
5
SURFACE CIRCULAIRE DE RUPTURE
10
-/ . / S / " - S I L O {CROULE , o. /' SOULEVEMENTｾＭＭＮＺ
[A/"/
_ Y'POSITION ORIGINALE ＭｲＭＭＭＭＭＭＭＢＧＭＭＭＭＭＭｾ［ＬＮｊＮ /" DE LA FONDATION TABLIER DE BETON o "! 0..
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40Figure 5. Etat des fondations d 'un silo apres rupture.
w, e> <{ I -Z 0 V
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I -Z \ w 6 ｜ｾ ｾ w 5 l:. 24 PIEDS ...J \ (1.5 a 7.3M) ...J 8 <{\
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DU VERT ICA L, DEG RES
Figure
6.
Variation de la resistance au cisaillement du sol suivant l'inclinaison du scissometre de laboratoire.ANNEXE
Coefficient de securite
II est difficile, en theorie, de determiner la diminution de resistance qui puisse tenir compte du caractere anisotrope des sols naturelS.
Bjerrum (6) a analyse des ruptures de la capacite portante dans toutes les regions du monde et a observe que Ie pourcentage de diminution de la resistance est lie
a
l'indice de plasticite I du sol, que est un parametrep
facile
a
determiner. Cette observation est appuyee par l'etude faitea
Vankleek Hill (4). Lorsqu1on connan: Pindice de plasticite, on peut donc determiner la resistance operatoire qui convient Ie mieux.Compte tenu de ce rapport entre la resistance au cisaillement et l'indice de plasticite, on peut trouver Ie coefficient de securite reel comme suit:
F
=
f - O. 0 1 (I - 20) p our I ｾ 20P
P
..
ou
f
=
coefficient de securite calcule, comparea
la rupture de la capacite portante, d1apres la resistance mesuree du sol au cis aillem ent,I
P
