Ali BOUAFIA. Génie Civil. D é p a r t e m e n t d e G é n i e c i v i l. F a c u l t é d e s s c i e n c e s d e l i n g é n i e u r

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1 1 Génie Civil Collection Les Manuels de l Etudiant Génie Civil Conception et Calcul des Ouvrages Géotechniques Cours et applications Corrigés Ali BOUAFIA D é p a r t e m e n t d e G é n i e c i v i l F a c u l t é d e s s c i e n c e s d e l i n g é n i e u r U n i v e r s i t é S a â d D a h l e b d e B l i d a Copyright Eurl Pages Bleues Internationales 2010

2 2 Génie Civil Copyright Eurl Pages Bleues Internationales Maison d édition pour l enseignement et la formation Siège social : Raffour Bouira Algérie Tél : (026) Annexe : 182 Rue Saidi Ahmed, Bordj El Kifane Alger Algérie Tél/Fax : (021) Tél : / Librairie : Cité 2068 lgts Smail yefsah bt 73 Bab ezzouar Alger pagesbleues@yahoo.fr Site Web : A T T E N T I O N!! L e s P a g e s B l e u e s I n t e r n a t i o n a l e s J a n v i e r Toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement de l auteur, constitue une violation de la propriété intellectuelle et une contrefaçon réprimée par le code pénal. Nous mettons en garde les librairies ou tout autre organisme utilisant des moyens de reproduction (Photocopieur, Dupliqueur, Imprimerie, ) que la reproduction de nos ouvrages est strictement interdite. Nous faisons appel aux lecteurs afin de les alerter sur la menace que représente la contrefaçon pour l avenir de l écrit et de la production intellectuelle, particulièrement dans le domaine de l édition scientifique et technique. Pour cela nous les prions de nous signaler toute fraude en nous contactant par : Tél : (026) ou par l . ISBN : Dépôt légal :

3 3 Génie Civil Préface L idée de faire un livre sur la conception et calcul des ouvrages géotechniques est à la fois judicieuse et pertinente. C est un beau succès qui s explique aisément par la qualité et la richesse de son contenu et par une alliance efficace de la théorie et de la pratique. Il s agit d un outil pédagogique qui s articule autour des deux principaux points : Le dimensionnement des ouvrages géotechniques ; Les méthodes de calcul des ouvrages géotechniques. Les principes de ces méthodes sont d actualité. Elles évoluent rapidement dans un domaine scientifique et technologique en plein essor. L auteur a organisé son ouvrage en treize chapitres, répartis entre l étude de comportement des fondations superficielles et profondes, l analyse de la stabilité des ouvrages de soutènements, ainsi que la stabilité des talus. Le premier chapitre présente les notions fondamentales de la mécanique des sols. Les connaissances théoriques de base mettent les lecteurs en mesure de comprendre et d utiliser les méthodes de calcul des ouvrages géotechniques. Les chapitres qui suivent se chargent de détailler, de façon relativement claire, les différentes notions introduites. Les chapitres deux, trois et quatre traitent du dimensionnement des fondations superficielles courantes telles que les semelles et les radiers. Les chapitres cinq et six sont consacrés au calcul des fondations su pieux. Les dimensionnements des murs rigides, des murs souples, des parois moulées, des murs en terre armée et des murs en gabions et batardeaux sont traités respectivement aux chapitres de sept à onze. Les méthodes de stabilité des pentes font l objet du chapitre douze. Enfin, le chapitre treize donne une présentation de quelques logiciels de calcul des ouvrages géotechniques. Cet ouvrage est particulièrement facile et agréable à lire. Chaque chapitre est assorti de discussions et d une bibliographie riche et d actualité. Les formules sont correctes et bien écrites. L enchaînement des différents chapitres est plutôt cohérent dans l optique de l apprentissage et la mise en pratique. En outre, les explications et les exemples sont clairs et à la portée de débutant disposant de bases solides en mécaniques des sols. Les nombreuses illustrations et les graphiques très

4 4 Génie Civil sobres sont d une grande facilité d utilisation et contribuent à la clarté du texte. Sur la base de ces treize chapitres, l auteur a donc pu formuler d intéressantes méthodologies didactiques. L ouvrage s adresse principalement aux étudiants qui, tout en possédant une connaissance de base solide, n ont qu à suivre pas à pas la lecture des treize chapitres, rédigés dans un style fort agréable et accessible. Ils peuvent s exercer facilement à partir des contenus des différents chapitres tout en replaçant les méthodes de calcul dans une perspective d utilisation pratique qui manque si souvent aux manuels existants. Cet ouvrage intéressera aussi les enseignants de géotechnique soucieux de proposer un manuel de référence en langue française à leurs étudiants et de disposer d un aide mémoire précieux à leur activité pédagogique, voire de recherche. Il n en reste pas moins que ce livre constituera sans aucun doute l un des ouvrages de référence dans le domaine de la géotechnique. Même si certaines notions ont évolué depuis ces derniers temps, étant fortement liées aux progrès technologiques, elles demeurent néanmoins toujours utiles à des fins pédagogiques. Malgré quelques mises à jour, le contenu du livre peut suffire à appréhender les principales méthodes traitées, et à être capable de les exploiter pour développer des applications honorables. Ce livre n a pas la prétention de dresser en détail les différentes étapes des méthodes de calcul des ouvrages géotechniques. Néanmoins, il donne un aperçu global de celles-ci. C est donc un livre interactif. Professe ur M ELBOUCI Bachir Université Mouloud Maâmeri de Tizi-Ou zou

5 5 Génie Civil Avant-propos Actuellement, il est de plus en plus courant qu on construise des ouvrages lourds ou de configuration spéciale sur des sols médiocres ou délicats. Un tel fait est à la fois un challenge et un stimulus continu au développement de la recherche appliquée en mécanique des sols. Le dimensionnement des ouvrages géotechniques se heurte souvent à une complexité inhérente de l interaction sol/ouvrage, due entre autres à la complexité elle-même de comportement du sol. Variabilité spatiale, anisotropie, non linéarité matérielle prononcée, réponse dépendant de l histoire et du chemin de contraintes, tels sont quelques uns de ces aspects marquant cette complexité. Cette dernière a poussé plusieurs générations à effectuer des recherches, souvent rationnelles, mais c est au début du 20 e siècle que les bases de la mécanique des sols en tant que science ont été bâties, suite à la contribution de Terzaghi et ses collègues à élucider les mécanismes fondamentaux de comportement du sol. Une telle contribution était marquée par un mariage heureux entre l expérimentation et la théorie. Une démarche pragmatique pour la prise en compte de cette complexité dans les projets est de caractériser expérimentalement le comportement du sol au laboratoire et/ou sur place, ce qui permet d obtenir ainsi les paramètres mécaniques nécessaires au dimensionnement des ouvrages. La mécanique des sols est certes une science expérimentale, mais elle a connu ces dernières décades un épanouissement en matière de méthodes de calcul, suite au développement des recherches théoriques et des méthodes numériques appliquées en géotechnique. En fait, les manifestations scientifiques internationales jalonnent d une richesse de publications traitant des méthodes de calcul. Cette diversité de méthodes de calcul forme un véritable condensé d'informations, habituellement disséminées dans la littérature technique et difficilement accessibles, sauf au prix de recherches bibliographiques longues et fastidieuses. En outre, l évolution rapide de l état de connaissances en cette discipline relativement jeune ne rend pas aisée l actualisation, surtout avec la cadence élevée de la tenue des congrès internationaux traitant de la géotechnique. Il va de soi qu un état de la pratique de calcul géotechnique est plus que profitable pour les ingénieurs, Ce livre vise à présenter d une manière didactique une panoplie de méthodes modernes de calcul des ouvrages géotechniques, notamment les fondations et les soutènements, en s adressant aussi bien aux ingénieurs civils ou géotechniciens impliqués dans le calcul géotechnique, qu aux étudiants en cycle de formation d ingénieur.

6 6 Génie Civil L auteur reconnaît que la tâche de rédaction d un tel livre n est pas aisée, du fait de la difficulté de réaliser un équilibre stable entre le besoin didactique nécessitant une présentation détaillée destinée aux étudiants, et le besoin pratique d acquérir directement les outils de calcul. Néanmoins, outre la présentation des concepts de base nécessaires à la compréhension des différentes méthodes de calcul, au premier chapitre, chaque chapitre comporte une introduction au thème étudié. Enfin, par souci de ne pas alourdir le texte, le développement mathématique de certaines méthodes est reporté en annexe du livre. Le livre est subdivisé en treize chapitres, répartis entre l étude du comportement des fondations superficielles et profondes, l analyse de la stabilité des différentes catégories d ouvrages de soutènement, ainsi que la stabilité au glissement des terrains en pente. Chaque chapitre finit par une série d applications sous forme d exercices ou de questions et dont la solution ou la réponse a été regroupée au CD-Rom joint à ce livre. Le premier chapitre comporte une revue des principes de base sur lesquels repose le calcul géotechnique. Limité à un bref rappel didactique, ce chapitre a été renforcé par une série de diapositives en Powerpoint, présentant les bases de la mécanique des sols, mises au point par le Professeur Sivakugan à l université de James Cook, en Australie. Ce dernier a aimablement autorisé l auteur à les traduire et les adapter en langue française. Outre la présentation Introduction à la géotechnique, ces diapositives contiennent aussi un jeu éducatif, en langue anglaise, testant les connaissances acquises à partir des diapositives. Les chapitres 2 à 4 traitent du dimensionnement des fondations superficielles courantes telles que les semelles et le radier, en focalisant sur les deux impératifs traditionnels de dimensionnement des fondations, à savoir la résistance du sol à supporter les surcharges (ou capacité portante), et les déplacements du sol induits par la construction. Les chapitres 5 et 6 sont consacrés au calcul des fondations sur pieux, aussi bien en termes de capacité portante que de déformations. On présente ainsi quelques méthodes de dimensionnement, basées sur les essais in-situ, et qui connaissent actuellement un gain d intérêt auprès des ingénieurs. Le dimensionnement des murs rigides est traité au chapitre 7, alors que celui des murs souples, tels que les rideaux de palplanches, les murs en terre armée, les parois moulées, les murs en gabions et batardeaux est traité respectivement aux chapitres 8 à 11. On mentionne dans ces chapitres quelques recommandations issues du règlement géotechnique européen Eurocode-7. On étudie au chapitre 12 les différents mécanismes d instabilité des terrains et les méthodes d analyse de la stabilité des terrains en pente. L application pratique

7 7 Génie Civil de telles méthodes requiert le recours à un logiciel d analyse de stabilité au glissement. En vue de concrétiser les définitions et la description des ouvrages géotechniques, une série de diapositives Powerpoint a été incluse dans le CD, traitant des fondations, de la stabilité des murs de soutènement et du glissement des terrains en pente. Les diapositives étant en lecture seule, les enseignants désirant améliorer de telles diapositives sont invités à contacter l auteur pour obtenir la source des diapositives à l adresse ci-dessous. En outre, certaines procédures d installation des ouvrages géotechniques, telles que le battage d un rideau de palplanches, le forage d un pieu ou le coulage d une paroi moulée ne peuvent être concrétisées qu à travers des séquences vidéos, ce qui a été fait en regroupant une série de vidéos didactiques dans un répertoire au CD joint. Enfin, le dernier chapitre comporte une présentation de quelques logiciels utiles pour le calcul de quelques ouvrages géotechniques. Les logiciels sélectionnés sont en principe disponibles au large public et aucune restriction d accès ou d utilisation n a été exprimée par leurs auteurs. Ils ont ainsi été compilés dans le CD joint à ce livre, à la disposition des lecteurs intéressés. Outre le manuel d utilisation du logiciel, des exemples simples de calcul des ouvrages géotechniques simples, mis au point par leurs auteurs, afin de démontrer les possibilités de calcul numérique, y ont été inclus. L auteur espère qu une tel ouvrage, aussi modeste soit-il, contribuera à la compréhension des différentes méthodes modernes de calcul géotechnique. Dr. Ali BOUAFIA Université Saâd Dahleb de Blida\Département de génie civil B.P : 270 R.P Blida Blida Algérie soildyn07@yahoo.fr

8 8 Génie Civil Table des Matières Préface 03 Avant-propos 05 Sommaire 9 Chapitre 1 : Rappels de mécanique des sols Introduction Catégories des matériaux du sol Paramètres d état du sol Classification des sols Ecoulement de l eau libre Contraintes dues au poids des terres Principe des contraintes effectives de Terzaghi Résistance au cisaillement des sols Consolidation des sols fins 32 Chapitre 2 : Capacité portante des fondations Introduction Considérations générales Méthodes de calcul de la capacité portante Méthodes basées sur les essais de laboratoire Méthodes basées sur les essais in-situ Applications 73 Chapitre 3 : Tassement des fondations Introduction Composantes du tassement Méthodes de calcul du tassement 93

9 9 Génie Civil 3.1. Considération générales Evaluation du tassement à partir des essais in-situ Evaluation du tassement à partir des essais de laboratoire Tassements admissibles Applications 118 Chapitre 4 : Dimensionnement des radiers Introduction Principaux types de radiers Conception des radiers Calcul des radiers Méthodes de calcul Méthodes du module de réaction Méthode du radier rigide Méthodes d élasticité Méthodes numériques Applications 149 Chapitre 5 : Capacité portante des pieux Introduction Classification des fondations sur pieux Considérations générales Capacité portante verticale d un pieu isolé Notions de capacité portante et de charge critique Méthodes de calcul Capacité portante à partir de l essai de chargement statique Effet du groupe sur la capacité portante Capacité portante horizontale d un pieu isolé Applications 181

10 10 Génie Civil Chapitre 6 : Déformation des pieux Introduction Tassement d un pieu isolé Introduction Les méthodes empiriques Les méthodes d élasticité Méthodes numériques Méthodes de transfert de charges Tassement d un groupe de pieux Déflection d un pieu chargé latéralement Introduction Méthodes d élasticité Méthode des courbes P-Y Méthodes numériques Méthodes empiriques Applications 213 Chapitre 7 : Stabilité des murs rigides de soutènement 1. Introduction Classification des murs de soutènement Définitions utiles Etat de surface de contact écran/sol Etats d équilibre du sol derrière le mur Calcul des pressions sur le mur Pressions à l état K Pressions à l état limite dans un sol frottant Pressions à l état limite dans un sol purement cohérent

11 11 Génie Civil 4.4. Détermination des pressions dans un sol multicouches Prise en compte de la pression interstitielle Dimensionnement des murs rigides Applications 245 Chapitre 8 : Dimensionnement des rideaux de palplanches 1. Introduction Conception d un mur en rideaux Comportement d un mur en rideau Méthodes de calcul des rideaux Classification des méthodes de calcul Méthode de la théorie poussée/butée du sol Méthode de la théorie aux modules de réaction Méthode des éléments finis Applications 282 Chapitre 9 : Dimensionnement des parois moulées 1. Introduction Conception et réalisation des parois moulées Comportement de la tranchée Dimensionnement d une paroi moulée Applications 308 Chapitre 10 : Dimensionnement des murs en terre armée 1. Introduction Principe et réalisation de la terre armée Comportement d un mur en terre armée Dimensionnement de la terre armée

12 12 Génie Civil 5. Applications 325 Chapitre 11 : Calcul d autres ouvrages de soutènement 1. Introduction Murs et batardeaux Conception et réalisation Calcul d un mur en batardeau Murs en gabions Conception et réalisation Calcul d un mur en gabion Fouilles blindées Réalisation Dimensionnement Applications 328 Chapitre 12 : Stabilité au glissement des terrains en pente 1. Introduction Différentes formes d instabilité d un terrain Principales causes d instabilité d un terrain Rôle du géotechnicien dans l étude de la stabilité Reconnaissance du site Méthodes de calcul de stabilité Méthodes d équilibre limite Méthode des caractéristiques de contraintes Méthode des éléments finis Applications 427 Chapitre 13 : Logiciels de calcul géotechnique Introduction

13 13 Génie Civil 2. Calcul par la méthode des éléments finis Calcul d un mur de soutènement souple Analyse de la stabilité d un terrain en pente Calcul d un pieu sous charges latérales 433 A propos du CD-ROM 437 Lexique trilingue en géotechnique 439 Index 441