Processus de consolidation de la déformation des sols
Chaque fois qu'une masse de sol est stressée, elle se déforme. La déformation peut prendre la forme d'une déformation ou d'une modification du volume de la masse de sol. Comme dans un dépôt naturel, la masse de sol est confinée de tous les côtés, d'où un changement de forme, c'est-à-dire qu'une déformation du sol est impossible. La seule possibilité est le changement de volume, c'est-à-dire la compression du sol.
Lors du chargement, une compresse de sol due à:
(i) Compression de grains solides
ii) Compression de l'eau des pores et de l'air
(iii) Expulsion d'eau et d'air du vide de la masse de sol. Sous des charges d'ingénierie typiques, la compression des solides du sol et une infiltration d'eau négligeable.
Par conséquent, la compression de l'air et l'expulsion de l'air et de l'eau des vides contribuent le plus au changement de volume du sol chargé. Ces changements de volume peuvent être mis en évidence par deux processus distincts. Compactage et consolidation.
Compactage:
La compaction est le processus par lequel les particules de sol sont plus étroitement liées par des moyens mécaniques, c’est-à-dire des charges dynamiques telles que le roulement, le bourrage, les vibrations, etc. Il y a peu ou pas de réduction de la teneur en eau.
Consolidation:
La consolidation est le processus par lequel les particules de sol sont plus étroitement compressées au cours d'une période de temps sous l'application d'une pression continue, c'est-à-dire d'un chargement statique. Il est principalement réalisé par un drainage progressif de l’eau des pores du sol. La consolidation se produit sur des argiles saturées ou presque saturées ou sur d’autres sols peu perméables.
Test de consolidation:
Pour prédire le tassement de la consolidation dans le sol, nous devons connaître les propriétés de contrainte-déformation (c'est-à-dire la relation entre la pression effective et le taux de vide) du sol. Cela implique normalement de charger l'échantillon de sol en laboratoire dans une série de charges et de mesurer les tassements correspondants. Ce test est appelé test de consolidation. L'appareil de test s'appelle consolidomètre.
Les figures 6.1 (a) et (b) illustrent la configuration d'un consolidomètre à anneaux flottants et à anneaux flottants. Dans le type à anneau fixe, seule la pierre poreuse supérieure est autorisée à descendre, alors que dans le type à anneau flottant, les pierres poreuses supérieures et inférieures sont libres de se déplacer. La perméabilité de l'échantillon à n'importe quel stade du chargement ne peut être mesurée que dans le type à anneau fixe. La compression de l'échantillon est mesurée à l'aide d'un comparateur à cadran monté sur le bouchon de chargement. Le spécimen est autorisé à se consolider sous un certain nombre de paliers de pression verticale tels que 0, 1, 0, 2, 0, 5, 1, 2, 4, 8 et 10 kg / cm 2 .
Le choix de la pression verticale dépend principalement de la pression attendue sur le site, y compris la pression du mort-terrain. Un rapport d'incrément de charge (LIR) de l'unité est utilisé dans les tests conventionnels. LIR d'unité signifie que la charge est doublée à chaque fois. Chaque augmentation de pression est maintenue pendant 24 heures. Le spécimen se consolide avec un drainage libre des faces supérieure et inférieure. Les lectures du comparateur à cadran sont notées à 30 secondes, 1, 2, 4, 8, 15, 30 minutes, 1 heure, 2, 4, 8 et 24 heures.
Lorsque la consolidation sous la pression finale est terminée, l'échantillon est déchargé et laissé gonfler. Les résultats sont présentés sur un graphique semi-logarithmique avec la pression appliquée sur l'échelle logarithmique en abscisse et le taux de vide correspondant en ordonnée sur une échelle linéaire. Le taux de vide correspondant à chaque LIR appliquée est défini par le fait que la pression peut être calculée à partir des lectures du comparateur et que le poids sec de l’échantillon est calculé à la fin de l’essai.
Détermination du taux de vide par la méthode du poids sec:
Cette méthode est applicable aux spécimens saturés et partiellement saturés.
Soit M s = masse sèche de l’échantillon à la fin de l’essai
A = surface du spécimen
G = Sp. gravité du sol
Ensuite, l'épaisseur équivalente du solide de sol 'H S ' est calculée comme suit:
Les courbes de compression pouvant être obtenues à partir d'un test de consolidation effectué sur un échantillon d'argile sont illustrées à la figure 6.3.
Après consolidation de l’échantillon jusqu’au point de pression Q, l’échantillon se dilate par décroissance de la pression. Lors de l'expansion, l'échantillon ne retrouve jamais son volume d'origine en raison d'une compression permanente. Lors du rechargement, la courbe de recompression RS est obtenue.
Lorsque la pression précédente correspondant au point 0 est atteinte, le taux de vide de la courbe de recompression est légèrement inférieur. L'essai est poursuivi en augmentant davantage la pression, la courbe résultante est plus ou moins l'extension de la portion initiale PQ. La figure 6.3 (b) montre le graphique de la pression effective en fonction du taux de vide sur du papier semi-graphique. Les parties droites P 1 Q 1 et S 1 T 1 situées de part et d'autre de O 1 sont appelées courbes de compression vierges.
Coefficient de compressibilité:
Le coefficient de compressibilité 'a V ' est défini comme la diminution du taux de vide par augmentation de la pression unitaire.
où e 0 et e sont les taux de vide au début et à la fin de la consolidation sous l'incrément de pression σ '. Le signe négatif indique que e diminue lorsque σ augmente.
Coefficient de compressibilité du volume (m V )
[Cofficient of Volume Change]
Le coefficient de variation de volume est la variation de volume d'un sol par unité de volume initial par unité d'augmentation de la pression. L'unité de m v est identique à celle d'un v
lorsque le sol est confiné latéralement, la variation du volume est proportionnelle à la variation d'épaisseur ∆H et le volume initial est proportionnel à l'épaisseur initiale H 0 . Donc eqn. (i) devient
mv = ∆H / H 0 - 1 / ∆σ
Le changement d'épaisseur, ∆H dû à l'augmentation de la pression est donné par
∆H = - m v H o ∆σ
Indice de compression (c c )
C'est la pente de la portion linéaire de la courbe e vs log σ et est sans dimension.
Pour la partie linéaire de la courbe:
Coefficient de consolidation:
C'est le rapport entre le coefficient de perméabilité et le produit du coefficient de variation de volume avec le poids unitaire de l'eau. Il est noté cv = K / m v γ w
où K = coefficient de perméabilité
γw = poids unitaire de l'eau
C v = coefficient de consolidation
m V = coefficient de variation de volume
Le coefficient de consolidation indique l'effet combiné de la compressibilité et de la perméabilité du sol sur le taux de changement de volume.
Le coefficient de consolidation peut également être calculé à partir de la relation indiquée ci-dessous.
Tv = c v t / d 2
où T v = facteur de temps fonction du degré de consolidation
t = Temps pris pour la consolidation
d = voie de drainage, pour condition de double drainage d = H / 2
Étant donné que Tv est constante pour un degré de consolidation donné et compte tenu des conditions limites du problème considéré, le temps requis pour atteindre un certain degré de consolidation «U» est directement proportionnel au carré de son trajet de drainage et inversement proportionnel au coefficient de dilatation. consolidation. Pour un sol donné à un taux de vide donné, c v augmente avec l’ampleur croissante de la pression de consolidation.
Consolidation du sol non perturbé:
En fonction de l'historique de la consolidation, les dépôts de sol peuvent être divisés en trois classes:
i) Sol de pré-consolidation ou sol de consolidation.
ii) Sol normalement consolidé.
(iii) Sous sol consolidé.
(1) Sol pré-consolidé:
Une argile est dite pré-consolidée si elle a toujours été soumise à une pression supérieure à la pression actuelle du mort-terrain.
Un sol peut avoir été pré-consolidé par la charge structurelle qui n'existe plus maintenant ou par le poids d'une couche de glace qui a fondu.
ii) Sol normalement consolidé:
Le sol qui n'a jamais été soumis à une pression effective supérieure à la pression actuelle des morts-terrains est appelé sol normalement consolidé. Le sol est complètement consolidé par la pression existante des morts-terrains.
(iii) Sous sol consolidé:
Le sol qui n'est pas complètement consolidé par la pression actuelle des morts-terrains est appelé sol consolidé.
Rapport de consolidation (OCR):
C'est le rapport entre la pression avant la consolidation et la pression effective actuelle du mort-terrain.
OCR = pression de pré-consolidation / pression de surcharge actuelle
OCR> 1 indique une argile normalement consolidée.
Et OCR> 1, indique une argile trop consolidée
Facteurs influant sur la consolidation:
Les facteurs qui affectent la consolidation sont:
a) épaisseur de la couche d'argile
(b) Nombre de chemin de drainage
c) Coefficient de perméabilité
d) Coefficient de consolidation
e) Ampleur de la pression de consolidation et mode de répartition de celle-ci sur l’épaisseur de la couche.
f) Facteur temporel
a) épaisseur de la couche d'argile:
Si l'épaisseur est plus importante, la consolidation de la couche sera davantage due à la pression exercée par les morts-terrains.
(b) Nombre de voies de drainage:
Le chemin de drainage représente la distance maximale que les particules d’eau doivent parcourir pour atteindre la couche de drainage libre. Si le trajet de drainage est supérieur à la distance parcourue par les particules d'eau, la proportionnalité est réduite et, à son tour, l'eau sortira de la couche de sol, entraînant une consolidation. D'où plus le chemin de drainage, plus sera la consolidation.
c) Coefficient de perméabilité:
Si le coefficient de perméabilité du sol est supérieur, l'eau sortira plus facilement des pores du sol et donc la consolidation sera plus importante.
d) Coefficient de consolidation:
Le coefficient de consolidation est directement proportionnel au degré de consolidation et donc si le coefficient de consolidation est plus, la consolidation du sol sera plus.
e) Ampleur de la pression de consolidation et de sa répartition:
La consolidation du sol est grandement affectée par la pression de consolidation et sa répartition. Si la pression de consolidation est plus importante et uniformément répartie sur toute la surface, la consolidation sera plus importante.
f) Facteur temporel:
Dans l'équation de consolidation, c'est-à-dire que Tv = C v t / d 2 indique clairement que le coefficient de consolidation (Cv) est directement proportionnel au facteur de temps (T V ). Si le facteur temps est plus la consolidation sera plus.
Règlement total:
La compression totale d'une couche de sol saturée sur une longue période de temps sous une charge statique est appelée tassement total. Il est noté S.
S = Si + S c + S s
S i = règlement immédiat
Sc = règlement de consolidation ou règlement principal
Ss = tassement secondaire
Règlement immédiat:
C'est la partie du tassement qui se produit immédiatement après l'application de la charge. Cela est principalement dû à la compression immédiate de la couche de sol dans des conditions non entraînées. Le règlement immédiat est très petit comparé au règlement principal.
Consolidation Settlement op Primary Settlement:
C'est la partie de la colonie dans laquelle il y a expulsion de l'eau interstitielle des vides de sols. Ce processus provoque une diminution du volume des vides.
Le décompte de consolidation Sc peut être calculé selon l’une des méthodes suivantes:
(i) Basé sur le coefficient de variation de volume, m v
Le mouvement vers le bas de la surface de la couche de consolidation est appelé règlement de consolidation. Ce mouvement est dû à la diminution du volume d'une masse de sol saturée sous la charge appliquée.
Règlement secondaire:
Cela est dû à la réorientation des particules, au fluage et à la décomposition des matières organiques. Il ne nécessite pas l'expulsion de l'eau interstitielle. Le tassement secondaire est négligeable dans les sables et les graviers, mais peut être important dans les argiles très plastiques, les sols organiques et les remplissages au niveau sanitaire.
Règlement uniforme:
Si la masse de sol sous une structure se comprime uniformément, le tassement de la structure est uniforme. C'est ce qu'on appelle un règlement uniforme. Le diagramme en trait continu (Fig. 6.6) montre l'état de la structure avant le tassement et la ligne en pointillé indique l'état après le tassement.
Si une structure a une fondation rigide, elle subit un tassement uniforme.
Règlement différentiel:
La figure 6.8 montre un bulbe de pression de surface parfaitement flexible et chargée de largeur B. La valeur de la contrainte verticale induite sous le centre d'une zone chargée est toujours supérieure à sa valeur à la même profondeur sous le bord de la zone chargée. En raison de cette différence de stress induit, le tassement est plus au centre qu’au bord.
Comme le règlement est inégal, on parle de règlement différentiel. Le règlement différentiel est la différence de règlement entre deux fondations ou entre deux points d'une même fondation. Cela est principalement dû à la non uniformité du sol, aux différences dans les charges structurelles, etc.
Taux de règlement:
Le taux de règlement est la période au cours de laquelle un certain pourcentage du règlement total se produit.
Le taux de règlement dépend des facteurs suivants:
(i) Épaisseur de la couche de sol
ii) Perméabilité du sol
(iii) Nombre de faces de drainage
iv) Ampleur de la charge appliquée.
Le taux de règlement peut être calculé en utilisant la formule
(i) T = C v t / h 2
où T = facteur temps
C v = coefficient de consolidation
h = longueur du plus long chemin de drainage
Règlement en raison des travaux de construction et de l'abaissement de la nappe phréatique:
L'excavation des sols induit un déplacement des sols environnants vers l'excavation, ce qui entraîne la fixation de la surface du sol adjacente à l'excavation. Le tassement peut se produire presque deux fois la profondeur des excavations autour des excavations à ciel ouvert. Pendant la construction de tunnels, il peut y avoir tassement de la surface du sol au-dessus du tunnel. Les fondations des structures présentes dans la zone touchée peuvent se déplacer, ce qui entraîne un basculement des structures ou la formation de fissures dans les structures.
Afin de minimiser les dommages causés aux structures adjacentes, l’ingénieur en géotectonique en charge choisit une méthode d’excavation qui minimise les mouvements du sol. Avant le creusement de tunnels, les mesures de protection des fondations sous la forme de scellement du sol sont appliquées, ce qui minimise le mouvement du sol vers l’intérieur pendant le creusement de tunnels et réduit le tassement en surface.
Les sols lâches, saturés et à grains grossiers sont compactés par les vibrations générées pendant les travaux de construction, ce qui entraîne un affaissement important de la surface du sol. Les principales sources de vibrations dans la construction sont les battages de pieux, les tranchées mécaniques, la démolition par explosifs, etc. Jusqu'à récemment, les mesures de protection reposaient sur la vitesse de pointe des particules induite par les vibrations et sur leur décroissance en fonction de leur distance. Des directives plus rationnelles sont en cours d’élaboration.
L'abaissement de la nappe phréatique augmente le poids unitaire effectif du sol initialement situé sous la nappe phréatique, ce qui peut provoquer un tassement important à la fois dans la zone asséchée et dans le sol sous-marin. Cette augmentation de la pression effective provoque un tassement dans le sable meuble. Dans les sols argileux, l'augmentation de la pression effective provoquera un tassement important car l'argile est très compressible.
Soulèvement:
Le mouvement ascendant du sol s'appelle le soulèvement. Le problème de soulèvement survient lorsque le sol se dilate en raison d'une réduction de la pression de confinement ou d'une augmentation de la teneur en eau. Un degré élevé de caractéristique de soulèvement est observé dans les sols expansifs. Le problème de soulèvement est particulièrement courant dans les régions arides. Dans de telles zones, les sols sèchent et se contractent par temps sec et s’élargissent lorsque l’humidité devient disponible.
Dans les zones où le sol est gelé, il se produit un mouvement ascendant dû à la formation de glace souterraine. Ce phénomène est appelé «soulèvement dû au gel».
Le soulèvement dû au gel est principalement dû aux raisons suivantes:
(i) Lorsque le sol gèle, l'eau de ruissellement augmente d'environ 9% en volume et de 4% en volume. Ces soulèvements sont assez uniformes et causent relativement peu de dégâts.
(ii) Si la nappe phréatique est haute, l'action capillaire peut entraîner l'eau jusqu'à la zone gelée où elle forme des lignes de glace, comme illustré à la figure 6.11. Ce mécanisme peut déplacer de grandes quantités d’eau et produire des soulèvements de 12 pouces ou plus à la surface du sol. Ces soulèvements sont très irréguliers et peuvent causer des dommages importants aux travaux de génie civil.
Les problèmes de soulèvement sont généralement associés aux structures légères telles que les petits bâtiments, les chaussées, les barrages, les déversoirs, etc.
Se glisser:
Le fluage est le mouvement lent et à long terme des sols dans les pentes abruptes. Le mouvement est généralement de l’ordre du millimètre par an. Il se produit en raison de contraintes de cisaillement dans la pente, de l'action du gel, de l'expansion et de la contraction des argiles induites par la gravité. Si la contrainte de cisaillement dans l'argile dépasse environ 70% de la résistance au cisaillement, un mouvement de cisaillement ou un fluage lent commence à se produire.
Certaines argiles présentent un fluage important si la contrainte de cisaillement dépasse environ 50% de la résistance au cisaillement. Le fluage s'étend jusqu'à des profondeurs de 0, 3 à 3 m, les déplacements maximaux se produisant à la surface du sol. À court terme, l'effet du fluage sur les structures est insignifiant, mais à long terme, le fluage peut produire des distorsions significatives sur les structures fondées sur de tels sols. En raison du fluage, le sol descend en produisant un matériau inférieur au sol de base. Ce comportement de fluage est l'une des raisons pour lesquelles un facteur de sécurité plus élevé est requis dans les sols argileux.
