Cours MdS 2 Ouvrages de soutènement - PENTES et TUNNELS

Qu'est-ce-qu'un ouvrage de soutènement ?Définition Eurocode 7 :Les ouvrages de soutènementssont ceux qui retiennent des terrains(sols, roches ou remblais) et de l'eau.Le matériau est retenu par l'ouvrages'il est maintenu à une pente plusraide que celle qu'il adopteraitéventuellement si aucun ouvragen'était présent. Les ouvrages desoutènement comprennent tous lestypes de murs et de systèmes d'appuidans lesquels des éléments destructure subissent des forcesimposées par le matériau soutenu.Source : SETRA - IQOAENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon3

Différentes techniques de soutènementExemple 2 : mur en bétonSource : SETRA - IQOAENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de LyonExemple 3 : mur en gabions(plus souple)5

Différentes techniques de soutènementLes murs en béton armé « cantilever »Voile résistant en béton armé encastré dansune semelle de fondation (préfabriqué ou non)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon6

Différentes techniques de soutènementExcavationavec unebennepreneuseMise en placede la caged'armatureExemple de paroiachevée, avec tirantsENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon8

Différentes techniques de soutènementLes rideaux de palplanchesRideaux continus relativement étanches, constituésde profilés métalliques assemblés pardes serrures (+ butons ou tirants éventuels)→ Technique développée plus en détails dans la suite du coursENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon9

Différentes techniques de soutènementLes massifs en remblai renforcéPrincipe : faire travailler un sol d'apport, renforcé par des armaturespassives, pour constituer un massif poidsPrincipe defonctionnement externe :+ fonctionnement interneà justifier !Exemple : renforcement parbandes métalliques→ Technique développée plus en détails dans la suite du coursENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon10

Différentes techniques de soutènement… et bien d'autres encore !Parois clouées, parois berlinoises, murs caissons ou cellulaires;Texsol, ouvrages réparés, etc.Paroi clouée A89TexsolMur en maçonnerieconforté par ancragesParoi berlinoiseENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de LyonMur caisson « Peller »11

Différentes techniques de soutènementComment choisir ?En fonction de :Mode de réalisation (déblai, remblai),Données géométriques (dénivellation à créer),Site (urbanisé, aquatique, emprises,…),Sol et hydrogéologie (portance, présence de nappes,…),Exigences architecturales, etc.Comment dimensionner / justifier l'ouvrage ?La justification du soutènement nécessite de comprendre lesmodes de rupture auxquels on s'intéresseENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon12

Qu'est-ce-que la rupture ?Définitions possibles :Stade ultime (inacceptable) des déplacements d'un massif de sol oud'un ouvrage− Ruine le long d'une surface préférentielle (glissement e.g.)− Déformation complexe du massifChargement QDéplacementsFrontière entre les états stables et les états instables (impossibles)du massifPour un ouvrage de soutènement :Vérifier les divers modes de rupture envisageablesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon14

Justification du soutènementStabilité interne : lastructure supporte-t-elleles efforts appliqués ?Stabilité générale : lagéométrie du site dansson ensemble est-ellestable ?Ouvrage de soutènementPoinçonnementdu sol defondationGlissement surla base del'ouvrageRenversementStabilité externe : les efforts au voisinage de l'ouvrage (« monobloc ») sont-ils équilibrés ?ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon15

Plan du coursI- Généralités sur les ouvrages de soutènementII- Notions de poussée et butéeIII- Calcul des murs poidsIV- Calcul des rideaux de palplanchesV- Notions sur les massifs en sol renforcéVI- Notions de pathologie des ouvragesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon16

Rappels de mécanique des solsÉtat des contraintes initiales dans le sol●σV= γ ⋅z● Principe des contraintes effectives :σ= σ ' +u● Relation contraintes verticales / horizontales :σ'H= K ⋅ σ0'VCercle de Mohr et courbe intrinsèqueττ = σNtan ( ϕ ) +ϕccσ+ σ1 32σ nσ3σ1ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon17

Poussée et butée : approche physiqueExpérience fondamentale :∆Quelques ordres degrandeur :F F p≈ 3 à 4 F 0 F a≈ 0,5 F 0 ∆ a≈ H / 1000 ∆ p≈ H / 100D'où pour un ouvrageréel...F 0F pF a ∆∆ p∆ aENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon18

Poussée et butée : formalisationInterprétation dans le plan de Mohr :τCas du sol pulvérulent (c = 0)τ = σ ϕNtan ( )PousséeϕButéeσ nK a.σ Vσ H= K 0 .σ Vσ VK p.σ VD'où :K a⎛⎜⎝π ϕ4 22= tan −⎞⎟⎠K p⎛⎜⎝π ϕ4 22= tan +⎞⎟⎠Kp=1KaApplication :H = 5 m ; ϕ = 30° ; c = 0 ; γ = 18 kN/m 3 : calculer les forces F 0(pas dedéplacement), F a(équilibre de poussée) et F p(équilibre de butée)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon19

Poussée et butée : formalisationOn a obtenu sur ce cas simple :1Fa= Ka⋅ γ ⋅ H221Fp= Kp⋅ γ ⋅ H2MAIS le problème peut rapidement se compliquer :terrain amont incliné (angle β)frottement à l'interface mur terrain (angle δ)parement amont du mur incliné (angle λ)2avec une expression simple de K aet K pPar exemple : avec β ≠ 0, λ = 0, δ = β :1FpK H22=p ( β ) γ cos ( β )( β )K p( β ) +2( β ) −2( ϕ )( β ) −2( β ) −2( ϕ )cos cos coscos cos cos… et certains cas importants ne sont pas solubles avec cette approche !=ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon20

Poussée et butée : en pratique...Trois approches différentes existent en pratique :Théorie de RankineThéorie de BoussinesqThéorie de CoulombChoix à faire en fonction :des limitations de chaque méthodedes approximations admissibles (géométrie)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon21

L'équilibre de RankineLa méthode :Reprend les calculs présentés précédemmentHypothèse principale : la présence de l'ouvrage ne modifie pas larépartition des contraintes verticales ( γ.z.cos(β) )→ L'orientation des contraintes n'est imposée que parla géométrie (β) et les caractéristiques du terrain (ϕ)Les limites correspondantes :Le frottement terrain / écran ne peut pas êtrepris en compte (pas de choix libre de δ)Les lignes de glissement sont des droitesLes cas solubles sont de géométrie simple(terrain amont rectiligne notamment)Expansionπ/4−ϕ/2ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon22

L'équilibre de BoussinesqLa méthode :Considérer un équilibre de Rankine à l'arrière du massifRésoudre les équations différentielles d'équilibre, avec critère derupture de Mohr-Coulomb, au voisinage de l'écranObtenir les résultats en fonction des conditions aux limites(frottement au contact du mur notamment).Les limites correspondantes :Les cas solubles sont de géométriesimple (terrain amont rectiligne,milieu homogène)Les avantages :Plus réaliste que Rankine seul !Solutions sous forme de tables(Caquot, Kérisel, Absi)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon23

L'équilibre de BoussinesqExemple de tables de poussée de Caquot, Kerisel & Absi :lF a ATTENTION : K aest défini tel que :Application :1Fa= Ka⋅ γ ⋅ l22H = 5 m ; β = 0 ; ϕ = 30° ; c = 0 ; γ = 18 kN/m 3 : calculer F a(équilibre depoussée) pour δ = 0 et pour δ = 2/3 ϕENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon24

La méthode du coin de CoulombLa méthode :Aucune analyse de l'état des contraintes à l'arrière du murOn suppose une surface de rupture planeLe « coin » isolé par cette surface est en équilibre par :− son poids propre W− la réaction R exercée par le sol au niveau du plan de rupture− la réaction au niveau du mur F qui donne la force de poussée(d'inclinaison δ supposée connue)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon25

La méthode du coin de CoulombLes limites :La valeur de δ doit être connue d'avance :- surfaces très lisses ou lubrifiées : δ = 0- surfaces rugueuse (béton, béton projeté, maçonnerie, acier) : δ = 2/3 ϕ- parement fictif (murs cantilever) : δ = ϕLe point d'application de F est inconnu → on suppose en général au 1/3de la hauteurLa méthode est indéterminée (position de la surface de rupture)→ Rechercher la surface maximisant F par calcul direct ou itérationsMéthode moins satisfaisante du point de vue mécanique (pas de priseen compte de l'état des contraintes dans le sol)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon26

La méthode du coin de CoulombLes avantages :Solution exacte pour les géométries simples :1Fa= Ka⋅ γ ⋅ H22K a=( η ) ( η δ )sin⎡+ ⎢ +⎢⎣2sin sin 12( η − ϕ )sinsin( ϕ + δ ) sin ( ϕ − β )( η + δ ) sin ( η − β )⎤⎥⎥⎦2Permet une certaine prise en compte du frottement sol / murAdaptable à toute géométrie (→ méthode de Culmann)Application : Même cas d'étude que pour BoussinesqENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon27

Quelques éléments complémentaires… et lorsqu'il y a de la cohésion ?On utilise le théorème des états correspondants :Le milieu cohérent peut être remplacé par un milieu pulvérulent surlequel on applique une contrainte H = c.cot(ϕ) sur toute la surfaceextérieure (surface libre amont, soutènement)Critères de choix des méthodesMéthode de Rankine dans les cas simples de pousséeavec massif horizontal et écran vertical sans frottementMéthode de Boussinesq avec tables dans les autres casgéométriquement simples de poussée et de butéeMéthode de Coulomb dans tous les autres cas de poussée(géométries complexes notamment)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon28

Plan du coursI- Généralités sur les ouvrages de soutènementII- Notions de poussée et butéeIII- Calcul des murs poidsIV- Calcul des rideaux de palplanchesV- Notions sur les massifs en sol renforcéVI- Notions de pathologie des ouvragesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon29

Forces s'exerçant sur un mur poidsBilan des forces :Poids propre du mur WPoussée des terres F aButée du terrain devant le mur F pRéaction du sol sous la base RNotion de coefficient de sécurité globalΓ =effort résistant maximumeffort moteurOn vise usuellement Γ = 1,5 à 2 pour les soutènementsNotion remise en cause par l'Eurocode 7 → coefficients partiels !Envisager plusieurs situations de calculENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon30

Justification de l'ouvrageCalculs préliminairesCalculer les différentes forces s'appliquantau mur (F a, F p, W)Déterminer la réaction R permettant devérifier l'équilibre des forcesSi nécessaire déterminer le pointd'application de R par l'équilibre desmomentsJustifications :Glissement sur la base : comparer la composante horizontale de R aufrottement maximal mobilisableRenversement : bilan des moments par rapport à l'arête extérieure dela fondation ou règle du tiers centralNe pas oublier : poinçonnement sur la base (voir cours fondations),stabilité générale (voir cours stabilité des pentes), stabilité interne del'ouvrage (voir cours de structures)ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon31

Exercice d'applicationReprise des données des exercices précédents, avec le mursuivant :1 mγ = 25 kN/m 31 m5 mϕ = 30°c = 0 kPaγ = 18 kN/m 3δ = 0° Calculer les différentes forces s'appliquant au mur (F a, F p, W)Vérifier la stabilité au glissement sur la baseVérifier la stabilité au renversement→ Que peut-on faire pour améliorer la stabilité de ce mur ?ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon32

Cas des murs en béton armé « cantilever »Principe :Une portion du terrain à l'arrière du mur est solidaire de l'ouvrage et neparticipe pas à la pousséeOn définit un écran fictif :Configurationsà étudierCas simplifiécourammentutiliséENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon33

Plan du coursI- Généralités sur les ouvrages de soutènementII- Notions de poussée et butéeIII- Calcul des murs poidsIV- Calcul des rideaux de palplanchesV- Notions sur les massifs en sol renforcéVI- Notions de pathologie des ouvragesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon34

Les palplanches et leur mise en œuvreLes palplanches :→Profilés métalliques assemblés pour créer un écran souple→ Longueur max de l'ordre de 30 mLes méthodes de mise en oeuvreVibrofonçageBattagePression sans vibrationENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon35

Les palplanches et leur mise en œuvre- Vibrofonçage- Battage- Enfoncement par pression:Source : SETRA - IQOAENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon36

Source : SETRA - IQOADans quel contexte ?Domaine d'emploi :Ouvrages en déblai ou en remblaiBien adaptées en présence d'eauLimitations principalement liées aux possibilités de pénétration dans lesol → étude géotechnique !Quelques exemples de réalisationsBatardeaux, Renforcements de berges, culées, soutènementsprovisoires, choix architectural, etc.ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon37

Fonctionnement d'un rideau depalplanchesCas 1 : Rideau sans ancrage, encastré ou autostableCas 2 : Rideau ancré ou butonnéENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de LyonSource : SETRA - IQOA38

Méthode de calculApproche théorique générale :Devient rapidement complexe si l'on veut prendre en compte lesbutées, contre-butées, etc.Voir méthode de Blum ou calcul aux modules de réaction dans ledocument de cours.Un cas simple : mur ancré en tête, simplement buté en piedSource : Delattre (2001)→ Déterminer la fiche→ Déterminer la tension dans le tirantENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon39

Méthode de calculMur ancré en tête, simplement buté en pied :Avec hypothèse de RankineCalcul de la fiche d :Équilibre des moments⎛ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞Fa⎜ ( H + d ) − B ⎟ = Fp⎜ H + d − B ⎟⎝ 3 ⎠ ⎝ 3 ⎠Avec :F 1 a= Ka⋅ γ ⋅ d + H2( ) 2F 1 p= Kp⋅ γ ⋅ d2( ) 2Calcul de la force T :F = T + FapApplication : Idem exercice mur poids, avec tirant à 1 m sous la surfaceENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon40

Le risque de renard hydrauliquePrincipe...Quelques images :ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon41

Plan du coursI- Généralités sur les ouvrages de soutènementII- Notions de poussée et butéeIII- Calcul des murs poidsIV- Calcul des rideaux de palplanchesV- Notions sur les massifs en sol renforcéVI- Notions de pathologie des ouvragesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon42

Quelques exemples...Terre armée / renforcement par bandes métalliquesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon43

Quelques exemples...Renforcement par nappes géosynthétiquesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de LyonSource : SETRA / LCPC - IQOA44

Principe de fonctionnementFonctionnement externe et interne :Attention aux conditions d'agressivité du milieu !ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon45

Plan du coursI- Généralités sur les ouvrages de soutènementII- Notions de poussée et butéeIII- Calcul des murs poidsIV- Calcul des rideaux de palplanchesV- Notions sur les massifs en sol renforcéVI- Notions de pathologie des ouvragesENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon46

Diagramme pour le diagnostic d'un murde liste IITrappe de visiteENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de LyonSource : SETRA / LCPC - IQOA47

Quelques exemples...ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon48

Quelques exemples...ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon49

L'essentiel...Connaître les grands types d'ouvrages de soutènementet sommairement leur méthode de réalisationConnaître le principe des trois méthodes de calcul depoussée-butée et leurs limitesSavoir calculer un mur poids simpleSavoir calculer un rideau de palplanche ancré en tête etsimplement buté en piedConnaître le principe général de fonctionnement d'unouvrage en sol renforcéLes ouvrages de soutènements sont inspectés, demanière régulière et méthodique ; leurs pathologiesdoivent être traitées !ENTPE - Cours d'ouvrages de soutènement - 03 & 10 Février 2012Fabrice ROJAT - Laboratoire de Lyon50