Contrainte effective dans les sols
- Contrainte totale
- σ = Σγi·hi
- Pression interstitielle
- u = γw·(z − zw)
- Contrainte effective
- σ′ = σ − u
- Eau
- γw = 9,81 kN/m³
Géotechnique : pack de révision
Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 6 exercices, avec les corrigés complets à la fin.
1Formules et méthodes
Tassement de consolidation
- Normalement consolidé
- S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
- Contrainte finale
- σ′f = σ′0 + Δσ (at mid-depth of the layer)
- Surconsolidé, σ′f ≤ σ′p
- S = Cr·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0)
- Surconsolidé, σ′f > σ′p
- S = H/(1 + e0)·[Cr·log₁₀(σ′p/σ′0) + Cc·log₁₀(σ′f/σ′p)]
- Rapport de surconsolidation
- OCR = σ′p/σ′0
- Temps de consolidation
- t = Tv·Hdr²/cv
- Chemin de drainage
- Hdr = H/2 (double drainage), H (drainage simple)
- Facteurs temps
- U 50% → 0,197, 60% → 0,287, 70% → 0,403, 80% → 0,567, 90% → 0,848
Poussée hydrostatique
- Pression à une profondeur
- p = ρgh
- Force sur une paroi verticale
- F = ρg·hc·A
- Centre de poussée
- yp = yc + Ic/(ycA)
- Rectangle
- Ic = bH³/12
2Exercices
1.Contrainte effective dans les solsMoyen
Pour le profil de sol représenté, trouvez la contrainte effective verticale σ′ au point X.
z = 8 mzw = 2 mγw = 9,81 kN/m³sable: γd = 15,5 kN/m³sable: γsat = 18,5 kN/m³
σ′ = kPa
2.Contrainte effective dans les solsDifficile
Pour le profil de sol représenté, trouvez la pression interstitielle u au point X.
z = 9,5 mzw = 4 mγw = 9,81 kN/m³sable: γd = 16,5 kN/m³sable: γsat = 20,5 kN/m³argile: γsat = 17 kN/m³
u = kPa
3.Tassement de consolidationMoyen
Une couche d’argile surconsolidée de 4,5 m d’épaisseur a Cc = 0,45, Cr = 0,06 et e₀ = 0,7. À mi-épaisseur, la contrainte verticale effective vaut 40 kPa et la pression de préconsolidation vaut 140 kPa. Un nouveau bâtiment ajoute 160 kPa de contrainte verticale à mi-épaisseur. Trouvez le tassement de consolidation primaire S en mm.
H = 4,5 mCc = 0,45Cr = 0,06e0 = 0,7σ′0 = 40 kPaσ′p = 140 kPaΔσ = 160 kPa
S = mm
4.Tassement de consolidationDifficile
Lors d’un essai œdométrique en laboratoire, une éprouvette d’argile de 19 mm d’épaisseur, drainée en haut et en bas, atteint 50 % de consolidation en 10 min. Sur le terrain, la même argile forme une couche de 7 m d’épaisseur. Elle se trouve entre deux couches de sable ; l’eau s’évacue donc en haut et en bas. Combien de jours t faut-il à la couche en place pour atteindre 50 % de consolidation ?
hlab = 19 mmtlab = 10 minH = 7 mterrain : double drainage
t = jours
5.Poussée hydrostatiqueMoyen
Une vanne rectangulaire verticale de 1 m de large est placée dans la paroi d’un réservoir de eau, avec son bord supérieur à 2 m sous la surface. Trouvez la force hydrostatique résultante F sur la vanne.
d = 2 mH = 1,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
6.Poussée hydrostatiqueDifficile
Une vanne rectangulaire verticale de 1,5 m de large est placée dans la paroi d’un réservoir de eau de mer, avec son bord supérieur à 2,5 m sous la surface. Trouvez la profondeur ycp du centre de poussée sous la surface.
d = 2,5 mH = 2,5 mb = 1,5 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
3Solutions
1.Contrainte effective dans les sols
Réponse: σ′ = 83,14 kPa
Contrainte effective (Terzaghi) : le squelette du sol porte σ′ = σ − u. La contrainte totale σ est le poids de tout ce qui se trouve au-dessus du point, Σγ·h, avec le poids volumique sec au-dessus de la nappe et le poids volumique saturé en dessous. Sous la nappe, la pression interstitielle est hydrostatique : u = γw·(profondeur sous la nappe).
Contrainte totale
Additionnez le poids de chaque couche de sol au-dessus de X. Au-dessus de la nappe, prenez le poids volumique sec ; en dessous, le saturé.
σ = γd·zw + γsat·(z − zw) = 15,5·2 + 18,5·6 = 142 kPa
Pression interstitielle
La pression de l’eau croît avec la profondeur sous la nappe.
u = γw·(z − zw) = 9,81·6 = 58,86 kPa
Contrainte effective
σ′ = σ − u = 142 − 58,86 = 83,14 kPa
Réponse
σ′ = 83,14 kPa
2.Contrainte effective dans les sols
Réponse: u = 53,96 kPa
Contrainte effective (Terzaghi) : le squelette du sol porte σ′ = σ − u. La contrainte totale σ est le poids de tout ce qui se trouve au-dessus du point, Σγ·h, avec le poids volumique sec au-dessus de la nappe et le poids volumique saturé en dessous. Sous la nappe, la pression interstitielle est hydrostatique : u = γw·(profondeur sous la nappe).
Pression interstitielle
La pression de l’eau croît avec la profondeur sous la nappe.
u = γw·(z − zw) = 9,81·5,5 = 53,96 kPa
Réponse
u = 53,96 kPa
3.Tassement de consolidation
Réponse: S = 270,9 mm
Consolidation primaire d’une couche d’argile d’épaisseur H, avec la contrainte effective au milieu de la couche : σ′f = σ′0 + Δσ. Argile normalement consolidée : S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Une argile surconsolidée se recomprime selon Cr jusqu’à la pression de préconsolidation σ′p et ne suit Cc qu’au-delà. Temps : t = Tv·Hdr²/cv, où le chemin de drainage Hdr vaut H/2 lorsque l’eau peut s’évacuer en haut et en bas, et H lorsqu’une seule face est drainante.
Comparer avec la pression de préconsolidation
σ′f = 40 + 160 = 200 kPa > 140 kPa
Tassement
Recompression jusqu’à σ′p, compression vierge au-delà.
S = 0,06·4,5/(1 + 0,7)·log₁₀(140/40) + 0,45·4,5/(1 + 0,7)·log₁₀(200/140)
S = 86,41 + 184,5 = 270,9 mm
Réponse
S = 270,9 mm
4.Tassement de consolidation
Réponse: t = 942,6 jours
Consolidation primaire d’une couche d’argile d’épaisseur H, avec la contrainte effective au milieu de la couche : σ′f = σ′0 + Δσ. Argile normalement consolidée : S = Cc·H/(1 + e0)·log₁₀(σ′f/σ′0). Une argile surconsolidée se recomprime selon Cr jusqu’à la pression de préconsolidation σ′p et ne suit Cc qu’au-delà. Temps : t = Tv·Hdr²/cv, où le chemin de drainage Hdr vaut H/2 lorsque l’eau peut s’évacuer en haut et en bas, et H lorsqu’une seule face est drainante.
Chemins de drainage
Hdr,lab = 19/2 = 9,5 mm = 0,0095 m
Hdr,field = 7/2 = 3,5 m
Mettre le temps à l’échelle
t = Tv·Hdr²/cv avec les mêmes T_v et cv au laboratoire et sur le terrain.
tfield = 10·(3,5/0,0095)² = 1,357 × 10⁶ min
tfield = 1,357 × 10⁶/1440 = 942,6 jours
Réponse
t = 942,6 jours
5.Poussée hydrostatique
Réponse: F = 40,47 kN
Force hydrostatique sur une surface plane : F = ρ·g·yc·A. Elle agit au centre de poussée, ycp = yc + Ic/(ycA), toujours situé sous le centre de gravité.
Profondeur du centre de gravité et aire
yc = d + H/2 = 2 + 1,5/2 = 2,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
Force résultante
F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·2,75·1,5 = 40,47 kN
Réponse
F = 40,47 kN
6.Poussée hydrostatique
Réponse: ycp = 3,889 m
Force hydrostatique sur une surface plane : F = ρ·g·yc·A. Elle agit au centre de poussée, ycp = yc + Ic/(ycA), toujours situé sous le centre de gravité.
Profondeur du centre de gravité et aire
yc = d + H/2 = 2,5 + 2,5/2 = 3,75 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
Force résultante
F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3,75·3,75 = 141,4 kN
Centre de poussée
La pression augmente avec la profondeur, donc la résultante agit sous le centre de gravité.
Ic = b·H³/12 = 1,5·2,5³/12 = 1,953 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3,75 + 1,953/(3,75·3,75) = 3,889 m
Réponse
ycp = 3,889 m
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