Chapitre 8 Stabilité Des Talus [Mode de Compatibilité]

Chapitre 8

Stabilité des talus

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

1

Sommaire 1. INTRODUCTION 2. TYPOLOGIE ET DESCRIPTION DES MOUVEMENTS DE TERRAIN 2.1. Généralités sur les mouvements de terrain 2.2. Les glissements de versants naturel 2.3. Glissements de talus de déblais 2.4. Glissements de talus de remblais

3. METHODES D'ANALYSE DE STABILITE 3.1. Principes généraux de calculs 3.1.1. Méthode de calcul 3.1.2. Définition des coefficients de sécurité 3.1.3. Géométrie de la rupture 3.2. Analyse des glissements plans 3.3. Analyse des glissements circulaires (et quelconques) 3.4. Rôle de l'eau 3.5. Calculs par abaques 3.6. Valeurs des coefficients de sécurité 3.7. Cas particulier des remblais sur sols "mous"

4. METHODES DE TRAITEMENT DES INSTABILITES 4.1. Principes généraux 4.2. Méthodes par terrassements 4.3. Méthodes par drainage 4.4. Méthodes par renforcement CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

2

2. Typologie des mouvements de terrain Origines possibles des mouvements de terrain •

Tassements des sols compressibles du fait de la construction d'ouvrages (remblais, fondations) ;

•

Déformations horizontales et verticales générées par des excavations (fouilles ou tunnels) ;

•

Affaissements et effondrements liés à la remontée vers la surface de cavités souterraines, naturelles (cavités de dissolution de roches solubles, karsts) ou artificielles (carrières souterraines) ;

•

Coulées boueuses : accumulation d'eaux météoriques venant éroder des sols meubles, et se concentrant dans des dépressions topographiques ;

•

Mouvements associés à une instabilité potentielle ou déclarée de terrains en pente : pentes naturelles (versants de montagnes ou collines) ou artificielles (talus de déblai ou de remblais), voire combinaison des deux (remblais sur versant). CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

3

- glissements de versants naturels ( sol ou en rocher) - glissements de talus de déblai - glissements de talus de remblais (sols mous ou versant) Glissement de terrain typique, pseudo-circulaire • surface de rupture, simple ou multiple, plane, circulaire ou quelconque – profondeur d • escarpement en tête : simple fissure à plurimétrique • bourrelet de pied, • largeur et longueur CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

4

Les glissements de versants naturels Glissement plan : versant naturel (couche de faible résistance) Déstabilisation due à un déblai

CHEBAP - Mécanique des sols

Glissement plan + glissements circulaires emboîtés Déstabilisation due à une érosion de pied

Ch. 8 Stabilité des talus

5

Mécanismes de fluage Mouvements de quelques mm à quelques cm par an

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

6

Écroulements rocheux

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

7

Glissements de talus de déblais Suppression d'une masse stabilisatrice

Glissements à long terme dans sols argileux : c’ et φ’ (à court terme ∆u = ∆σ < 0 donc σ’ d’où τ augmentent) CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

Route

8

Glissements de talus de remblais Ajout d’une « surcharge » Instabilités de remblais sur sol mou : même en terrain horizontal ≈ poinçonnement d'une fondation superficielle Comportement à Court Terme (non drainé) : cohésion non drainée cu

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

9

Glissements de talus de remblais Instabilités de remblais sur versant : se rapproche du poinçonnement d'une fondation superficielle sur terrain incliné et de la stabilité d'un versant naturel. Comportement à Court Terme (chargement du sol) et comportement à Long Terme (instabilité de versant).

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

10

3. Méthodes d’analyse • Principes de calcul Calculs à la rupture = EQUILIBRE STATIQUE avec comportement rigide plastique - bloc rigide + surfaces de glissement - critère de Mohr-Coulomb - tous les points atteignent la rupture au même moment Méthode des éléments finis : réduction de c et φ jusqu’à obtenir « l’instabilité numérique » du modèle Encore assez peu utilisée

• Coefficients de sécurité

F=

τ max c'+σ '. tan φ ' = τ τ

Définition de base (classique) Équilibre avec caractéristiques réduites tan φ’ / F et c’ / F Calculs aux états limites : - pondération des actions (γγ, surcharges …) - coefficients de sécurité partiels (cu, c’, φ’ …) - coefficient de méthode Utilisation de plus en plus fréquente, avec l'application des Eurocodes (notamment en renforcement de talus) CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

11

• Géométrie des surfaces de rupture - connue (glissement déclaré, géologie particulière avec « couchessavon »…) - inconnue : balayage de cercles ou surfaces quelconques pour obtenir la surface donnant Fmini 1.40

Balayage sur le centre du cercle

1.50 1.70

Balayage sur le rayon du cercle pour un centre donné

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

12

Exemple de remblai sur sol mou

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

13

Exemple de mur de quai avec surcharge (calcul aux ELU)

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

14

Calage des caractéristiques à la rupture (non circulaire) : F = 0.99 pour c = 0 et φ = 29.5° dans la « couche-savon »)

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

15

Approche globale en efforts (type « mécanique des roches ») : Glissement d’un « coin » Projection perpt à AC Projection sur AC

N = W . cos β T = W . sin β

Critère de Mohr Coulomb T = N . A

tan φ c' + AC. F F

B W T

Surface de rupture c' ≠ 0 φ' ≠ 0

N

β

C

tan φ ' c'.AC F= + tan β W . sin β CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

16

Approche locale en contraintes (type « mécanique des sols ») : Glissements plans SOL : Contrainte principale majeure sur une facette inclinée à β : verticale = γ.z.cosβ pour z orienté verticalement [avec dans ce cas γ.z = γ1(h – hw) + γ2.hw] : • contrainte normale sur la surface de rupture : σ = γ.z.cos2β • contrainte de cisaillement τ = γ.z.cosβ β.sinβ β EAU : AB équipotentielle h(A) = h(B) d’où u(B) = u(A) + γw.(zA-zB) = AB.cosβ • u(M) = γw.hw.cos2β

Sol c' ≠ 0 φ' ≠ 0

τ max [[(γ 1 .(h − hw ) + γ 2 .hw ]. cos ² β − γ w .hw cos ² β ]. tan φ '+c' F= = τ [γ 1 .(h − hw ) + γ 2 .hw ]. cos β . sin β γ1 γ2

r

h

τ

σ

σ

β hw

M (u)

A B Equipotentielle

z CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

17

• Glissements plans F =

τ max [[(γ 1 .( h − h w ) + γ 2 .h w ]. cos ² β − γ w .h w cos ² β ]. tan φ '+ c ' = τ [γ 1 .( h − h w ) + γ 2 .h w ]. cos β . sin β

Cas particuliers •

c‘ = 0 ; hw = 0

F=

tan φ ' tan β

•

c‘ = 0 ; hw = h

F=

γ 2 − γ w tan φ ' 1 tan φ ' ⋅ ≈ ⋅ γ2 tan β 2 tan β

•

c‘ non nul ; hw = 0

F=

tan φ ' 2 c' + ⋅ N avec N = tan β sin 2 β γ 1.h

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

18

• Glissements circulaires (ou quelconques) On décompose la masse en mouvement en tranches verticales dont on étudie l‘équilibre statique équilibre de chaque tranche : •Projection sur Ox : dH + N'.sinα - T'.cosα = 0 •Projection sur Oy : dV + N'.cosα - T'.sinα = W •Moment global : Σ[T'.R] = Σ[M(Wi)] •Coefficient de sécurité :

F=

N'.tanφ'+c'.ds T'

n équations n équations 1 équation

n équations

Soit au total : 3n + 1 équations 4n – 1 inconnues : n-1 fois Hi et Vi, n fois N'i et T'i, et F Nécessité d’hypothèses complémentaires, complémentaires (différence entre les multiples méthodes de calcul)

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

19

1. Méthode de Fellenius (1927) Pas de réactions interinter-tranches : Hi = Vi = 0 équilibre d'une tranche σ = γh.cos2α et τ = γh.cosα.sinα (idem pente infinie) Coefficient de sécurité b

F

=

[

Σ (W . cos 2 α − u.b). tan φ ' + c'.b

∑W . sin α

] cos1 α

α

h τ = γh.sinα. α.cosα α α.

σ = γh.cos2α α

u CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

20

2. Méthode de Bishop (1954) Réactions interinter-tranches horizontales: Vi = 0

. τ = τF

max

=

(σ − u ). tan φ ' c' + F F

• Projection sur la verticale : Wi = (σ' + u).b + σ'.b.tanα. tanφ' + c'.b.tanαι 1 • Moment global : Σ[Wi.R.sinαi] = F

b

F

Σ[(σ'i.tanφ'i + c'i). bi .R] cos α i

αi

Coefficient de sécurité ∑

Wi F

=

[(Wi − u i .bi ). tan φ '+c' i .bi ]

∑ W . sinα i

σ

u

τ

αi

CHEBAP - Mécanique des sols

tan φ i F

cos α i + sin α i i

Équation implicite : -On part de Fo (Fellenius) -On calcule F1 -…. convergence Ch. 8 Stabilité des talus

21

3. Méthode des perturbations (1974) On fait une hypothèse sur la distribution de σ sur la surface de rupture « Lobe » de contraintes σ σ = σo.( .(λ λ + µ.ν)

En général : σo = γ.h.cos2α (Fellenius)

ν = tan α ou tan2 α

λ et µ déterminés par le calcul de l’équilibre global Convient bien aux surfaces de rupture non circulaires CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

22

Rôle de l’eau L’eau joue souvent un rôle déterminant dans le déclenchement des glissement des terrain (à Long Terme) : τmax = (σ – u).tanφ’ + c’ Equipotentielle

Importance de la connaissance du réseau d’écoulement pour calculer u CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

23

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

24

Calculs par abaques Exemple : φ = 30° H = 10 m γ = 20 kN/m3 c = 19 kPa Ns = 11 (A°: équilibre limite pour β = 71° Pour β = 40°: point B sur OA F = OA/OB = 1.72

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

25

Coefficients de sécurité usuels • En calcul « traditionnel » F = 1,5 (1,3 en situation provisoire) lié empiriquement aux « déformations »

• En calcul aux « ELU » Γ = 1,0 (équilibre avec actions majorées et résistances réduites) CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

26

Remblais sur sols compressibles Différents modes de rupture selon le profil de cohésion non drainée cu Par poinçonnement (type « fondations superficielle »)

Par glissement « circulaire »

Avec fissuration

Sans fissuration CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

27

Remblais sur sols compressibles Pour les calculs de stabilité :coefficient minorateur µ de Bjerrum à appliquer sur cu mesurée au scissomètre en fonction de la plasticité du matériau (empirique)

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

28

4. Méthodes de traitement des instabilités 3 grands principes : 1.

Modifier la géométrie : réduire la pente moyenne : TERRASSEMENTS

2.

Réduire les pressions interstitielles : rabattre la nappe : DRAINAGE

3.

Augmenter la « résistance » du sol par préchargement (sols compressibles) : AMELIORATION ou par ajout d’efforts résistants : ouvrages de soutènements, inclusions (tirants …) : RENFORCEMENT

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

29

1. TERRASSEMENTS (effet à CT et à LT) • Remblais sur sols compressibles Influence de la pente β du talus H

β

V

H/V

cu

CHEBAP - Mécanique des sols

Effet d’une banquette latérale (risberme) : • « contrepoids » à CT : M(P1) stabilisateur • ∆τ = ∆σ tan φ’ à LT

Ch. 8 Stabilité des talus

30

1. TERRASSEMENTS (effet à CT et à LT) • Talus de déblais

2H/1V

Influence de la pente β du talus

3 2

3H/1V

En sol purement frottant sans nappe : F = tan φ / tan β augmente lorsque β diminue

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

31

2. DRAINAGE (effet à LT seulement) • Éperons (discontinus) ou masques (continus) drainants Lignes de courants rabattues derrière les éperons (évacuation par drain longitudinal) + effet de substitution (remplaçant d’un sol peu frottant par un sol très frottant) • Drains subhorizontaux Tubes perforés de grande longueur (jusqu’à plusieurs dizaines de mètres) Lignes de courants rabattues derrière les drains (évacuation gravitaire) Nécessite un entretien (colmatage) CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

32

3. AMELIORATION - RENFORCEMENT (effet à CT ou à LT) • Sols compressibles : amélioration par préchargement (CT) F(h1,cuo) ≈ 1,3 à 1,5 Consolidation ∆cu = γ.h1.tan λ .U Monter à h2 tel que F(h2,cuo+∆cu) ≈ 1,3 à 1,5 Construction par étapes

cuo

• Renforcement par inclusions Augmentation des caractéristiques mécanique du « terrain composite »

Clouage de talus

Clouage de pente par « pieux » CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

33

Traitement des instabilités Il y a souvent intérêt à combiner les trois principes : • Modification de géométrie + drainage • Renforcement + drainage • Modification de géométrie + renforcement … Chercher à adapter le projet de stabilisation au type d’instabilité (déclarée ou potentielle, vitesse de quelques cm/an à plusieurs mètres / an), et à la destination de l’ouvrage (construction sensibles ou route provisoire …)

CHEBAP - Mécanique des sols

Ch. 8 Stabilité des talus

34