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1.1 Introduction:
Le rôle des ouvrages de soutènement est de retenir les massifs de terre.
La pente que suppose la construction d’un talus occasionne généralement une perte d’espace, que le mur vertical permet de récupérer. Le mur peut également servir de butée pour des pentes naturelles instables.
Il en existe une grande variété se caractérisant par des fonctionnements différents et conduisant à des études de stabilité interne spécifiques.
Tous ces ouvrages ont en commun la force de poussée exercée par le massif de sol retenu. Par contre, c’est principalement la manière dont est reprise cette force de poussée qui différencie les différents types d’ouvrages.
Mode de reprise de la
poussée OUVRAGE DE SOUTENEMENT
Poids de l’ouvrage
Mur poids en béton ou maçonnerie
Mur en Terre Armée Ouvrage cellulaire
Encastrement
Mur cantilever en béton armé
Paroi moulée Rideau de palplanches
Ancrage
Mur en béton, ancré Paroi moulée ancrée Rideau ancré
Figure 1.1 Classification des ouvrages de soutènement d’après le mode de reprise de la poussée
Après avoir donné une classification des divers ouvrages de soutènement, on indique pour chaque type les étapes principales de la méthode d’étude de dimensionnement.
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1.2 Définition:
Un mur de soutènement est constitué de deux parties essentielles (Figure 1.2) : un fut, paroi résistante destinée à retenir les terres situées en arrière, et une semelle de fondation, dans laquelle s’encastre le fut, qui assure la stabilité de l’ouvrage.
Figure 1.2 Nomenclature des termes usuels
1.3 Différents Types Des Murs Soutènements:
On classe les murs de soutènement en deux grandes catégories : Les murs gravitaires ou murs-poids ;
Les murs-voiles.
1.3.1 Murs gravitaires ou murs-poids:
Ce sont des ouvrages résistants par leur poids propre à la majeure partie de la poussée des terres. Ces murs sont massifs et réalisés en béton non armé ou en maçonnerie épaisse de pierres ou de briques. Leur parement arrière peut présenter éventuellement des redans. Quelques exemples sur des murs gravitaires.
a) Mur à caissons
Le mur à caissons (Figure 1.3) est le plus résistant. Il est constitué
d’un ensemble de boites alignées, superposées, ou encore alignées et
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superposées. Chaque boite ou caisson est remplie de sol, de pierres ou d’un autre matériau de poids volumique élevé. La stabilité du mur est assurée par la largeur des caissons et le poids du matériau de remplissage.
Figure 1.3 Mur à caissons
b) Mur gravitaire en maçonnerie:
Ce sont des murs constitués de pierres, de moellons ou de briques jointoyés (Figure 1.4).
Figure 1.4 Mur gravitaire en maçonnerie
c) Mur gravitaire à redans
Figure 1.5 Mur à redans
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1.3.2 Murs-voiles:
Ils sont aussi appelés quelquefois murs-chaises ou mur cantilever : ce sont des ouvrages utilisant comme élément de stabilisation le poids des terres soutenues par l’intermédiaire de leur semelle de fondation. De tels murs sont réalisés en voiles minces de béton armé (d’où leur nom) et peuvent avoir des formes plus ou moins compliquées. Les semelles de tels murs comportent un patin ou bec et un talon avec parfois une bêche à l’arrière.
Leur fut comporte parfois une chaise de lestage. On rencontre également des murs voiles à contreforts avec radier de lestage.
Quelques exemples sur des murs-voiles.
a) Mur en «T renversé» classique:
Le mur en «T renversé» est la forme classique pour un mur en béton armé de treillis soudé. Il est économique sans contreforts, tant que sa hauteur n’excède pas 5 à 6 mètres, et peut-être réalisé sur un sol de qualités mécaniques peu élevées. En effet, par rapport à un mur- poids de même hauteur, il engendre des contraintes sur le sol plus faibles pour une même largeur de semelle.
Figure 1.6 Mur en «T renversé» classique
b) Mur à contreforts:
Lorsque la hauteur du mur devient importante ou que les coefficients de poussée sont élevés, le moment d’encastrement du voile sur la semelle
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devient grand.
Une première solution consiste à disposer des contreforts dont le but est de raidir le voile.
Figure 1.7 Mur à contreforts
On peut encore adopter d’autres solutions pour limiter les poussées des terres sur le voile des murs, mais elles sont d’un emploi peu fréquent.
Ces solutions, certes astucieuses et séduisantes, ont l’inconvénient d’être d’une exécution difficile et de grever le coût du mur, même si l’on économise par ailleurs sur la matière.
c) Diverses dispositions de bêches:
Parfois, la stabilité au glissement du mur nécessite de disposer sous la semelle une «bêche». Celle-ci peut être soit à l’avant, soit à l’arrière de la semelle, soit parfois encore en prolongement du voile.
Cette bêche est toujours coulée en «pleine fouille» sans coffrage.
Le premier cas (Figure 1.8.A) peut paraître intéressant car il permet de mettre la semelle totalement hors gel. Mais à l’ouverture de la fouille de la bêche, il y a un risque de décompression du sol dans la zone où il est le plus sollicité.
De plus, il y a aussi un risque de voir, après la construction du mur, la butée devant la bêche supprimée par des travaux de terrassement (ouverture d’une tranchée pour pose d’une canalisation par exemple).
Le troisième cas(Figure1.8.C) est peu employé. Il est néanmoins très intéressant car il permet de réaliser facilement le ferraillage de l’encastrement du voile sur la semelle en prolongeant dans la bêche les treillis soudés formant
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armatures en attente.
Figure 1.8 Diverses dispositions de bêches
1.4 Les Forces de Poussée et de Butée:
1.4.1 Généralités:
Considérons un ouvrage de soutènement simple, par exemple un mur en béton retenant un massif de sol (Figure 1.9), et examinons sommairement les types de sollicitations qui s’exercent sur ce mur.
En dehors des forces de pesanteur, représentées par le poids W du mur, s’exercent sur les faces du mur, en contact avec le sol, trois forces dont la connaissance est du ressort de la mécanique des sols :
— sur la face amont du mur, généralement verticale, le massif de sol
retenu exerce des efforts ayant tendance soit à renverser le mur, soit à le déplacer horizontalement. La résultante générale de ces efforts est une
force dont la composante principale est horizontale.
On l’appelle force de poussée (ou encore poussée) et on la note , l’indice a précisant qu’il s’agit d’une force active ;
— sur la face aval du mur, dont la partie enterrée est souvent faible, le sol exerce des efforts qui ont tendance à retenir le mur.
Leur résultante générale est une force dont la composante principale est horizontale et opposée à la composante horizontale de .
On appelle cette résultante force de butée (ou encore butée) et on la note , l’indice p précisant qu’il s’agit d’une force passive ;
— sur la base du mur, le sol de fondation exerce des efforts dont la résultante générale est une force inclinée par rapport à la verticale.
Sa composante verticale, notée N, est appelée force portante, tandis que
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la composante horizontale, notée T, est appelée force de résistance
au glissement, car elle s’oppose au glissement du mur sur sa base sous l’action de la force de poussée.
Figure 1.9 Sollicitations exercées sur un mur de soutènement
1.5 Calcul de la stabilité:
Le dimensionnement comporte les étapes suivantes en ce qui concerne la stabilité externe :
— calcul des efforts de poussée et de butée ;
— sécurité vis-à-vis d’un glissement sur la base du mur ;
— sécurité au renversement ;
— sécurité vis-à-vis d’une rupture du sol de fondation ;
— sécurité vis-à-vis d’un grand glissement englobant le mur.
En premier lieu, il convient de vérifier que les déplacements du mur sont suffisants pour mobiliser la poussée ou la butée.
La force de poussée doit, par ailleurs, être calculée en fonction des conditions hydrauliques probables les plus défavorables derrière le mur.
Il faut avoir présent à l’esprit qu’un remblai horizontal totalement saturé d’eau pousse environ 2,5 fois plus que le même remblai sec.
Il est donc nécessaire d’éviter toute saturation du remblai et de toujours assurer un bon drainage à l’arrière d’un mur de façon à diminuer, autant que faire se peut, l’effet de l’eau sur la force de poussée exercée.
Parmi les dispositifs de drainage couramment adoptés, on distingue:
— les barbacanes qui sont des tubes légèrement inclinés vers l’aval et traversant le mur, ce qui permet à l’eau située derrière le mur d’être évacuée ;
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— le filtre placé à l’arrière du mur, soit directement contre le parement vertical, soit sur le terrain naturel en pente. Lorsque la pente du talus naturel est plus faible que )où ’ est l’angle de frottement interne du sol, la mise en place d’un filtre sur ce talus empêche le coin de Coulomb d’intercepter la nappe et élimine complètement son effet sur la poussée exercée sur le mur.
Lorsque la géométrie du parement du mur, du côté du remblai, est complexe, on utilise pour évaluer la force de poussée un parement fictif qui englobe une partie du remblai (Figures 1.10, 1.11 ).
1.5.1 Sécurité vis-à-vis d’un glissement sur la base du mur :
Le coefficient de sécurité vis-à-vis d’un glissement sur la base du mur est défini comme le rapport de la force résistante de cisaillement à la composante tangentielle de la réaction exercée sur la base.
Si R est cette force de réaction, T et N ses composantes suivant la base du mur et la normale (figure 4.35), tan le coefficient d frottement entre le sol de fondation et la base du mur, le coefficient de sécurité vis-à-vis d’un glissement a pour expression : tan (1.1)
En règle générale, on ne tient pas compte, dans la détermination de la force R, de la butée des terres qui s’exerce sur la partie frontale du mur.
Figure 1.10 – Mur cantilever en béton armé
Figure 1.11 – Murs cantilever en béton armé, simple et avec contreforts
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Pour un contact sol-béton, on admet que le frottement sol-mur sur la base a la même valeur qu’au parement :
(1.2)
Avec angle de frottement interne du sol.
Le coefficient de sécurité doit être supérieur ou égal à 1,5.
1.5.2 Sécurité au renversement :
La sécurité au renversement d’un mur traduit son équilibre statique par rapport au moment des forces exercées. Le coefficient de sécurité est calculé en considérant l’équilibre limite, généralement lorsque le mur se renverse autour de son arête extérieure.
Au-dessus de la base, le mur est sollicité par deux types de forces (Figure 4.36) :
— des forces qui tendent à renverser le mur autour de son arête extérieure ; principalement la force de poussée ;
— des forces qui tendent à stabiliser le mur autour de cette arête ; principalement le poids du mur.
Si et sont les moments de ces forces autour de l’arête extérieure, on définit le coefficient de sécurité au renversement par le rapport de ces deux moments :
(1.3)
La valeur de doit être supérieure ou égale à 1,5.
On utilise aussi parfois la règle du tiers central, qui consiste à s’assurer que la réaction R sur la base passe dans le tiers central de la semelle de fondation (Figure 1.12). Cette règle équivaut à ce que, dans une distribution linéaire des contraintes verticales sous la semelle, aucune zone de cette semelle ne soit décomprimée.
Vis-à-vis de la sécurité au renversement, la règle du tiers central est plus sévère que la méthode du rapport des moments ; elle correspond à une valeur de supérieure à 2 et voisine de 3 selon les cas. Lorsque le mur est fondé sur un terrain résistant, on peut admettre que la réaction sur la base soit en dehors du tiers central.
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1.5.3 Sécurité vis-à-vis d’une rupture du sol de fondation :
La sécurité vis-à-vis d’une rupture du sol de fondation est obtenue par l’adoption d’un coefficient de sécurité égal à 3 sur la capacité portante du sol de fondation relative à une charge excentrée et inclinée.
L’étude de la capacité portante q repose soit sur des essais de laboratoire, soit sur des essais en place.
Pour tenir compte de l’excentrement e de la charge, on peut utiliser fréquemment la formule de Meyerhof qui consiste à calculer la force portante sur la largeur réduite B – 2e de la semelle.
A. Méthode basée sur les essais en laboratoire :
( – ) (1.4)
Avec (1.5) Où γ est le poids volumique du sol.
Les coefficients , et dépendent de l’angle de frottement interne ϕ et de l’inclinaison de la charge.
Figure 1.12 Sécurité au renversement pour le calcul de la sécurité au
renversement
Figure 1.13 Règle du tiers central
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Figure 1.14 Surface de rupture du sol de fondation
B. Méthode basée sur les essais en place (par exemple, la méthode pressiométrique) :
La force portante est :
( – ) (1.6)
Avec (1.7)
Où est la pression limite déterminée au pressiomètre, et contraintes initiales dans le sol,
Pression admissible.
Le facteur de portance dépend à la fois de la géométrie de la fondation et de la nature du sol. La force portante Q du sol de fondation doit être supérieure ou égale à la composante verticale de la réaction sur la base.
Lorsque la fondation du mur est placée en tête de talus, la portance doit être calculée en apportant des facteurs de correction pour la géométrie du terrain .On
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peut obtenir une première approximation en considérant des plans de rupture recoupant la surface du talus (Figure 1.15).
De façon plus courante maintenant, on compare la capacité portante , précédemment calculée, à la contrainte de référence , qui est la contrainte verticale existant aux trois quarts de la largeur comprimée dans l’hypothèse d’une répartition linéaire des contraintes verticales à la base du mur (Figure 1.14).
1.5.4 Sécurité au grand glissement :
Il y a rupture du mur par grand glissement lorsque la partie du massif de sol qui glisse englobe le mur, la surface de rupture passant alors à l’arrière du mur (Figure 1.16).
Le coefficient de sécurité correspondant est défini comme le rapport du moment des forces motrices (forces de pesanteur) au moment des forces résistantes
mobilisables le long de la surface de rupture.
On utilise, en général, des surfaces de rupture cylindriques, à section
circulaire, et l’on détermine par un calcul systématique, le plus souvent fait à l’ordinateur, la valeur minimale du coefficient de sécurité et la position du cercle
de la rupture correspondant.
La méthode la plus fréquemment utilisée est la méthode des tranches de Bishop.
La valeur du coefficient de sécurité doit être supérieure ou égale à 1,5 .
Figure 1.15 Plans de rupture pour le calcul de la portance
Figure 1.16 Rupture par grand glissement
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1.6 Dispositifs de drainage:
Dans la plupart des cas de glissement, l’eau joue un rôle moteur déterminant.
Aussi utilise-t-on couramment les techniques de drainage, qui ont pour but de réduire les pressions interstitielles, au niveau de la surface de rupture lorsque celle-ci existe.
C’est donc en termes de diminution de pression interstitielle, et non de débit d’exhaure, qu’il faut évaluer l’efficacité d’un dispositif de drainage.
Les différentes techniques qui peuvent être mises en œuvre pour atteindre cet objectif relèvent de deux options fondamentales :
- éviter l’alimentation en eau du site.
- expulser l’eau présente dans le massif instable.
De nombreux paramètres conditionnent l’efficacité d’un système de drainage, en particulier la nature et l’hétérogénéité des terrains, la géométrie des couches aquifères, la perméabilité et l’anisotropie des sols, les alimentations et les exutoires.
De ce fait, et compte tenu des difficultés de détermination de l’ensemble de ces éléments, le dimensionnement d’un système de drainage est fait en prenant un coefficient de sécurité plus élevé que celui pris pour d’autres techniques (terrassements, renforcements).
Comme la plupart des ouvrages, les dispositifs de drainage nécessitent un entretien régulier qui, s’il n’est pas réalisé, peut leur enlever toute efficacité. On distingue : les drainages de surface et les ouvrages de collecte des eaux, les tranchées drainantes, les drains subhorizontaux, les masques et éperons drainants, les drains verticaux, et enfin les galeries et autres ouvrages profonds. Toutes ces techniques peuvent être utilisées seules ou associées, ou en complément d’autres techniques de stabilisation.
1.6.1 Collecte et canalisation des eaux de surface:
L’objectif est de limiter les infiltrations dans le massif en mouvement. Les eaux peuvent provenir de zones de sources, d’un défaut d’étanchéité sur un réseau ou un bassin de stockage à l’amont ou plus simplement de l’impluvium et des eaux de ruissellement. En effet, les eaux de surface ont tendance à s’infiltrer dans les fissures,
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à stagner dans les zones de faible pente et aggravent ainsi une instabilité amorcée.
Aussi les ouvrages de collecte des eaux (fossés, caniveaux, cunettes) et l’étanchéification des fissures de surface, bien que ne constituant pas des ouvrages
de drainage à proprement parler, sont-ils réalisés en première urgence dans de nombreux cas de glissements.
On ne décrira pas dans le détail les ouvrages de collecte des eaux de surface : ils sont d’usage courant en génie civil, comme les fossés et caniveaux qui peuvent éventuellement être étanchés par des géo-membranes. Il est recommandé de façon générale d’éviter d’implanter des ouvrages rigides sur les fissures provoquées par les mouvements.
1.6.2 Tranchées drainantes:
Les tranchées drainantes, dont une coupe type est présentée sur la (Figure 3.5), sont des ouvrages couramment utilisés pour rabattre le niveau de la nappe. Elles sont implantées sur le site de façon à venir recouper les filets d’eau (lignes de courant
dans un horizon homogène, couche aquifère, venues d’eau ponctuelles, etc.).
Le choix de l’implantation (dans le sens de la plus grande pente ou dans un sens parallèle aux lignes de niveau, ou encore en épis), de la profondeur et de l’espacement des tranchées dépend des résultats de l’étude hydrogéologique et conditionne l’efficacité du drainage.
Ces tranchées peuvent être réalisées de plusieurs façons :
- à la pelle mécanique : la profondeur de la tranchée peut atteindre 5 à 6 m sur une largeur de l’ordre du mètre. Un drain souple est généralement placé au fond avec un sable propre en protection. Le remplissage est réalisé en matériau drainant ; un géotextile est parfois disposé comme filtre.
- à la trancheuse : les profondeurs atteintes sont du même ordre de grandeur, mais la largeur de la tranchée est par contre réduite, de l’ordre de 30 cm.
Un dispositif mécanisé permet de mettre en place un géotextile, le drain en plastique et le matériau drainant de remplissage.
- à la haveuse de paroi : les profondeurs atteintes sont plus importantes (jusqu’à 20 m). La technique de creusement est identique à celle utilisée pour les
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parois moulées, par panneaux successifs (de 2 à 3 m). La tenue des parois de la fouille est assurée par une boue biodégradable.
Figure 1.17 Coupe type d’une tranchée drainante
1.6.3 Drains Subhorizontaux
:Lorsque les contraintes d’accessibilité du site ou les conditions de circulation interdisent la réalisation de tranchées, la réalisation de drains subhorizontaux peut permettre de diminuer les pressions interstitielles et de décharger des aquifères localisés.
La technique consiste à réaliser de nombreux forages avec une faible pente sur l’horizontale (2 à 5 o ) et à y placer des tubes crépinés. Ces tubes sont généralement en PVC (50 à 80 mm de diamètre), parfois en acier lorsque de grandes déformations sont susceptibles de se produire. Un dispositif de captage des eaux recueillies dans les drains avec un exutoire adapté complète l’ensemble. Les drains subhorizontaux sont disposés en un ou plusieurs faisceaux ou plus simplement en lignes.
Cette technique s’emploie dans de nombreuses configurations de glissement et dans de nombreuses formations géologiques. Cependant, les terrains très peu perméables s’y prêtent mal ; en effet, le rayon d’action des drains est dans ce cas très faible.
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Les drains subhorizontaux permettent en particulier de drainer des couches et des poches aquifères, éventuellement en charge, et des circulations d’eau localisées (dans des fractures, dans des couches de faible épaisseur).
Le bon fonctionnement des drains nécessite : - une protection contre le gel à la sortie des drains.
- une lutte contre le colmatage (utilisation de jets d’eau sous pression, d’acide oxalique pour dissoudre des dépôts calcaires, etc.).
- un entretien du système de collecte des eaux d’exhaure.
1.6.4 Masques et Eperons Drainants :
Les masques drainants sont des ouvrages en matériaux granulaires grossiers mis en place en parement de talus ; leur rôle est d’annuler la pression interstitielle dans la portion correspondante de terrain, mais leurs caractéristiques très frottantes apportent également un gain de stabilité. Les éperons drainants sont des sortes de masques discontinus ; s’il est inutile ou difficile de réaliser un masque, on se contente de faire des saignées remplies de matériau drainant régulièrement espacées.
1.6.5 Drains verticaux, galeries drainantes :
Les puits drainants équipés de pompes, installés en ligne, constituent un écran drainant, à condition bien sûr que la maintenance soit correctement assurée. Le forage de drains subhorizontaux depuis le fond de puits de gros diamètre permet d’accroître leur rayon d’action.
Les drains-siphons sont des forages verticaux équipés d’un système d’évacuation de l’eau par siphonage vers un point bas du versant (de cote inférieure à celle du fond de forage).
Le creusement de galeries drainantes est une solution onéreuse mais efficace.
Par exemple, le glissement du Bilan (Isère) qui menaçait la retenue EDF de Grand maison a été traitée avec succès par une galerie de 850 m de long, forée sous la surface de rupture, avec des forages verticaux ascendants (1 300 m au total).
