Mecanic la sol

De Mecanica solului este cea mai veche, cea mai cunoscută și cea mai practicata ramura geomecanică , disciplina matematică geotehnice , pentru a studia comportamentul teoretic al detritică terestre acoperă formațiunile de mobilier sub acțiunea naturale de eroziune eforturi (alunecări de teren, etc.), sau indusă în cursul procedurii construirea majorității lucrărilor de construcții (lucrări de terasament, fundații, drenaj etc.).

„  Solurile  ” acestei mecanici - amestecuri variate și variate de argile , nisipuri , pietrișuri ... și apă - sunt medii virtuale continue , imuabile, omogene, izotrope , libere, uneori nu grele (fără constrângere) și nimic altceva decât. ele sunt modelele materiale reale ale acestor formațiuni, tangibile, discontinue, variabile, eterogene, anizotrope, constrânse, grele și mult mai mult decât atât. Prin urmare, formele lor geometrice și comportamentele mecanice trebuie să fie compatibile cu formele și comportamentele naturale ale geomaterialelor reale descrise de două discipline geologice, geomorfologia și geodinamica . Astfel, mecanica solului, geomorfologia și geodinamica sunt trei discipline inseparabile, interdependente și complementare ale geotehnicii care studiază subteranul terestru pe care este posibilă acțiunea noastră directă, pentru a permite dezvoltarea și / sau exploatarea.

Through este caracterizat și aceste soluri sunt clasificate în mai mulți parametri fizici, dimensiune , plasticitate , porozitate , umiditate , consistență ... care pot desemna, descrie și prezice manipularea lucrărilor de terasament . Acestea se caracterizează prin intermediul mai multor parametri mecanici, modul de elasticitate , unghi de pantă, coeziune , compresibilitate , permeabilitate ... care sunt variabilele calculelor stabilității , așezărilor , drenajului ... diferitelor structuri. Toți acești parametri mai mult sau mai puțin independenți trebuie măsurați în mod specific prin intermediul unor teste in situ și / sau de laborator pe probe prelevate în timpul sondelor efectuate în amplasamentele studiate, la locațiile structurilor planificate.

În lucrarea sa fondatoare despre mecanica de umplere, strămoș al mecanicii solului, Eseu - Cu privire la o aplicare a regulilor maximis și de minimis la unele probleme de statică, referitoare la arhitectură , Coulomb exprimă prima „lege” geomecanică, cunoscută acum sub numele de „  Coulomb's legea  ”, precizând cu o prudență uitată din păcate:„ Această teză este menită să determine, în măsura în care amestecul de calcul și fizică poate permite, influența fricțiunii și coeziunii în unele probleme de statică „...” pentru ușurința aplicațiile sale în practică ".

După cum amintesc Terzaghi și Peck în prefața muncii lor traduse în franceză „Mécanique des sols aplicate la BTP”, poziția, studiul și rezolvarea oricărei probleme de mecanică a solului impun nenumărate ipoteze care simplifică formele și comportamentele. este necesar să criticați și să atribuiți un „  coeficient de siguranță  ”, deoarece acestea sunt doar ordine de mărime. Și această precauție este încă valabilă: majoritatea pagubelor și accidentelor asupra părților structurilor în raport cu solul și subsolul rezultă din inadecvarea structurii la sit din cauza necunoașterii geologiei sitului și nu a calculului mecanic erori: orice rezultat al testului și / sau calculul mecanicii solului incompatibil cu o observație geologică este inacceptabil.

Privire de ansamblu istorică

Studiul rațională a stabilității digurilor de pământ și ziduri de sprijin a început la sfârșitul XVII - lea  secol , când fortarete apărarea cu care se confruntă puterea tot mai mare de artilerie obligat inginerii militari construiesc metereze ce în ce mai înalte și groase în Perreyée sol - Vauban , profilul general pentru ziduri de sprijin , 1687.

Mecanica de umplere

În 1720, Forest de Belidor a arătat experimental că împingerea excesivă a unei pene de terasament poate fi cauza ruinei unui zid de sprijin. În 1727, Couplet a stabilit calculul empiric al tracțiunii acestei pene de suprafață plană. În 1773, Coulomb a asimilat condiția de stabilitate a acestei pene de împingere cu cea a unei sarcini pe un plan înclinat, din care stabilise legea pentru raționalizarea transportului de artilerie; el a definit coeziunea și unghiul de frecare al unui terasament și a stabilit legea relațiilor lor cunoscută sub numele de legea lui Coulomb . În 1846, în ceea ce privește barajele de pământ și terasamentele canalelor și căilor ferate, Collin a stabilit că coeziunea, independent de unghiul de frecare, este o funcție a compacității și a conținutului de apă al terasamentului și că suprafața colțului este un arc cicloid.

Mecanic la sol

În cursul XIX - lea  lea până la începutul XX - lea  secol , numeroși ingineri mecanici - Rankine Levy Boussinesq Massau ... au modelat studiul masiv mobilier geomaterials sol, naturale, pe digurile pentru a studia stabilitatea digurilor și a structurii fundamentele, prin dezvoltarea metodelor trigonometrice și / sau infinitezimale de calcul care sunt mai mult sau mai puțin diferite în funcție de preocupările lor și de ipotezele pe care le-au folosit pentru a-și construi teoriile; au făcut-o din legea lui Coulomb și din reprezentarea grafică a stării tensiunilor într-un masiv de către Mohr , neglijând mai mult sau mai puțin coeziunea, „constantă” greu de manevrat și păstrând planul ca suprafață.

Inspirați de o idee a lui Collin asupra caracterului curbiliniar al faciesului de fractură al solurilor coerente, Hultin, Petterson și Fellenius adoptă arcul unui cerc ca o linie glisantă.

Estimarea stresului admisibil pentru o fundație superficială a fost îmbunătățită succesiv de la Rankine în 1915 la Terzaghi în 1925, prin Prantdl, Fellenius, Skempton ...

În 1955, Ménard a perfecționat un test de expansiune in situ pe care l-a numit testul presuremeterului și a asociat acestuia o teorie și formule specifice pentru calcularea fundațiilor.

Metode de calcul

Începând cu secolul  al XVIII- lea, terasamentele mecanice și mecanica solului au folosit succesiv metode de calcul din ce în ce mai sofisticate, în primul rând grafică și trigonometrie, analitice și numerice în cele din urmă, care acum sunt folosite mai mult sau mai puțin împreună.

Moduri

Neglijând în general observații geologice de teren, mecanica solului colecta date de câmp prin intermediul sondări, in situ teste (penetrometru, pressuremeter ...) și de laborator ( oedometer , testul triaxială ...).

Teorii

Mecanica clasică a solului, bazată pe legea lui Coulomb, modelează comportamentul la forțe externe variabile ale unui mediu mineral, monofazic, fără apă liberă; Parafrazează mai mult sau mai puțin cu îndemânare pe cele vechi, variind limbajele matematice, se adaptează cumva la modelul lui Terzaghi pentru comportamentul unui mediu acvifer mineral cu două faze, mult mai realist.

Prin intermediul curbelor grafice timp-forță-deformare, analiza calitativă a acestui comportament complex este posibilă dar insuficientă pentru a obține un anumit rezultat; pentru a o face matematic, este necesar să se analizeze fiecare etapă a comportamentului - elasticitate, plasticitate, ruptură - prin intermediul unei teorii prea specifice unei probleme standard pentru a fi generalizată fără a fi nevoie să recurgă la dezvoltări complicate și nefondate; astfel, în starea actuală a cunoașterii noastre, dar probabil în esență, nu poate fi formulată o teorie unitară a geomecanicii: așa credeau majoritatea practicienilor (Collin, Fellenius, Terzaghi ...), dar nu întotdeauna teoreticienii ( Poncelet , Boussinesq , Caquot , ...) care au încercat să realizeze acest lucru, fără succes până acum, cu excepția poate a lui Ménard cu teoria presometrului care, de fapt, se aplică doar utilizării acestui dispozitiv și metodei de calcul corespunzătoare.

Teoria elasticității se bazează pe legea lui Hooke, proporționalitatea raportului forță (C) / deformare (D) exprimată prin modulul Young (E) al mediului, constantă dacă forța maximă de creștere este suficient de mică pentru ca tensiunea să fie strict reversibil când scade: E ≈ C / D; se referă mai ales la materiale stâncoase care nu sunt foarte deformabile.

Teoria consolidării a fost propusă de Terzaghi; se referă la materiale argiloase nisipoase, cu două faze. Sub acțiunea constantă a propriei greutăți în natură sau sub cea a unei sarcini externe, un astfel de material se consolidează din ce în ce mai mult pe măsură ce trece timpul: indicele de gol și conținutul său de apă scad, densitatea și rezistența sa mecanică crește, permeabilitatea sa scade. Tulpina este cunoscută sub numele de pseudo-elastică: raportul tensiune / tensiune nu este constant ca modulul Young al comportamentului elastic liniar; depinde de presiunea porilor și de variațiile sale care, la rândul lor, depind de permeabilitatea materialului; durata decontării, dar nu și valoarea acesteia, depinde și de permeabilitate.

Teoria plasticității și a fracturii se bazează pe legea lui Coulomb; se referă mai ales la materialele argiloase și nisipoase monofazice. Este exprimată printr-o formulă liniară care face posibilă prezicerea eșecului de forfecare al unui geomaterial liber sub efectul combinat al tensiunii (T) și compresiei (N): T = c + N * tgφ, în care c (coeziune) și φ (unghiul de frecare) sunt parametrii constanți caracteristici ai materialului și compactitatea acestuia - de fapt, c și φ depind de N, iar curba reprezentativă a acestei funcții este o jumătate de parabolă numită curbă intrinsecă a materialului care este convertită într-o linie dreaptă prin netezire. Calculele teoretice pot fi aplicate numai mediilor de frecare pur a căror coeziune este zero sau mediilor pur coerente al căror unghi de frecare este zero; cu greu există astfel de geomateriale reale.

Teoria hidraulicii subterane se bazează pe legea lui Darcy  ; afirmă că într-un material granular permeabil, viteza de curgere V (Q / S) și gradientul hidraulic i (Δh / L) sunt legate în mod liniar de o constantă empirică și compozită, permeabilitatea k (V = k * i) care ar depind doar de materialul acvifer.

Solurile

Geomecanica reduce toate geomaterialele naturale la trei tipuri de „soluri”, soluri libere care sunt mai mult sau mai puțin frecate și / sau plastice și roci dure care sunt mai mult sau mai puțin elastice. Solurile sunt geomateriale libere, pietriș, nisip și argilă posibil amestecate în cantități variabile, a căror coeziune este slabă; scade până dispare (lichefierea) prin creșterea conținutului de apă. Rocile sunt geomateriale compacte și dure, a căror rezistență simplă la compresiune este mai mare decât câțiva MPa; scade și / sau dispare prin alterare fizică (hidratare), chimică (dizolvare) și / sau mecanică (fragmentare). Starea și comportamentul mecanic al unui sol depind în esență de conținutul său de apă; cele ale unei stânci, gradul său de degradare, crăpare și fracturare.

Un mediu de sol mecanic este compus din materie minerală, apă și aer. Compoziția sa minerală este imuabilă; conținutul său de apă este variabil; influența aerului este neglijată; structura sa minerală este deformabilă. Se caracterizează prin parametri fizici și mecanici, măsurați prin teste in situ și / sau pe eșantioane care sunt experimente care validează aplicarea teoriilor mecanice corespunzătoare. Majoritatea acestor teste sunt standardizate.

Parametrii fizici

Parametrii fizici ai unui sol sunt măsurați în mod specific pe probe care ar fi putut fi modificate prin teste de identificare.

Parametrii mecanici

Parametrii mecanici sunt variabilele formulelor pentru calcularea stabilității pantelor, fundațiilor etc. Ele sunt specifice unei teorii, unei metode de calcul și a unui test (material și proces), astfel încât să nu existe Nu este posibil să se stabilească corelațiile lor numerice pentru același sol. Ele sunt măsurate în mod specific pe așa-numitele eșantioane „intacte”; nu sunt niciodată.

Aplicații

Problemele mecanicii solului sunt nenumărate, specifice unui amplasament, unei structuri, unei situații ... Sunt necesare multe ipoteze simplificatoare pentru a le pune și a le rezolva; rezultatele calculelor sunt ordine de mărime.

Calculele aplicației

Calculele aplicației utilizează modele de forme geometrice sau numerice foarte schematice - două dimensiuni, linii, cercuri etc., construite pe date locale, puține la număr și nu foarte precise - valori ale unor parametri care ar trebui să caracterizeze mediul care reprezintă solul (densitate, unghi de frecare, coeziune, permeabilitate ...) - și metode de calcul - integrarea ecuațiilor de câmp foarte complexe, din care, în cel mai bun caz, sunt cunoscute doar echipotențialele de suprafață. Acest lucru impune condiții inițiale și limite simpliste calculelor mai mult sau mai puțin complicate, strict deterministe, reduse în cele din urmă la formule unu la unu - la aceeași cauză (forță, presiune, constrângere etc.) corespunde întotdeauna cu una și cu același efect (deplasare, deformare, curgere ...) -, ale cărui rezultate precise din punct de vedere matematic sunt doar ordine de mărime; prin urmare, acestea sunt reduse prin intermediul unui „coeficient de siguranță” cât mai mic posibil.

Stabilitatea terasamentelor și zidurilor de sprijin

Stabilitatea unei pante naturale, a pereților unei săpături sau a unui baraj „de pământ”, pune problema stabilității unui terasament, a unui posibil suport și a unui drenaj. Poate fi rezolvat analitic prin metoda datorită Rankinei înălțimii critice a pantei - înălțimea dincolo de care o pantă a pantei date este potențial instabilă - și / sau colțul Coulomb, sau grafic și numeric prin metoda datorită lui Fellenius îmbunătățită prin Felii Bishop sau coeficient de siguranță alunecare.

Fundații

Tipul de fundații al unei structuri - superficial (picioare continue, picioare izolate, fundație a plutei), semi-adânci (puțuri), adânci sau speciale (piloți ancorați, piloți plutitori) se alege ținând cont de observațiile geologice (structura sub - solul amplasamentului, natura geomaterialelor, apelor subterane etc.) calcule mecanice (modelul formei amplasamentului, metoda de măsurare a parametrilor solului - laborator, in situ etc.) și obligații constructive (amplasare, arhitectură, structură etc.).

Mișcările care pot afecta fundațiile sunt așezări elastice sau consolidante, umflături, rupturi de plastic - basculare, perforare sau alunecare; trebuie să suportăm așezările; umflarea poate fi evitată; este esențial să se evite rupturile; stabilitatea structurilor la așezare are prioritate față de riscul ruperii fundațiilor lor.

Calculele fracturii se bazează pe extensii ale teoriei lui Coulomb și parametrii măsurați la caseta Casagrande sau la triaxial: metoda Rankine / Prandtl permite calcularea sarcinii finale a unei fundații de suprafață, considerând-o ca suma unui termen de adâncime și un termen de suprafață; Terzaghi a propus o „  metodă aproximativă  ” luând în considerare coeziunea. Calculele de așezare se bazează pe teoria lui Terzaghi și parametrii măsurați cu edometrul, aplicați la echilibrul elastic conform metodei Boussinesq.

Conform teoriei lui Ménard din testul presuremeterului, parametrul de rupere este presiunea limită; cel al așezării este modulul presuremeter.

Măsurătorile de rezistență statice și / sau dinamice folosind penetrometre permit specificarea secțiunilor transversale sonore, dar nu pot fi utilizate direct în calcule.


Note și referințe

  1. Textele acestor standarde sunt vândute pe internet de AFNOR în magazinul său .
    • Teste de identificare *
      • NF P94-049-1 și 2 - Soluri : recunoaștere și testare - Determinarea conținutului de apă în greutate a materialelor
      • NF P94-050 - Soluri: recunoaștere și testare. Determinarea conținutului de apă în greutate a materialelor. Metoda de aburire
      • NF P94-051 - Soluri: recunoaștere și testare - Determinarea limitelor Atterberg - Limită de lichid la cupă - Limită de plastic la rolă
      • NF P94-052-1 - Soluri: recunoaștere și testare - Determinarea limitelor Atterberg - Partea 1: limită de lichiditate - Metoda conului de penetrare
      • NF P94-053 - Soluri: recunoaștere și testare. Determinarea densității solurilor fine în laborator. Set de tăiere, metode de imersie în mucegai și apă
      • NF P94-054 - Soluri: recunoaștere și testare. Determinarea densității particulelor solide în soluri. Metoda picnometrului de apă
      • NF P94-055 - Soluri: recunoaștere și testare. Determinarea conținutului în greutate al materiei organice dintr-un sol. Metodă chimică
      • NF P94-056 - Soluri: recunoaștere și testare. Analiza dimensiunii particulelor. Metodă prin cernere uscată după spălare
      • NF P94-057 - Soluri: recunoaștere și testare - Analiza dimensiunii particulelor solurilor - Metodă de sedimentare
      • NF P94-059 - Soluri: recunoaștere și testare. Determinarea densității minime și maxime a solurilor necoerente
      • NF P94-061-1 la 4 - Soluri: recunoaștere și testare - Determinarea densității unui material în loc
    • Încercări mecanice de laborator *
      • NF P94-070 - Soluri: recunoaștere și teste - Încercări ale dispozitivelor de revoluție triaxială - Generalități - Definiții
      • NF P94-074 - Soluri: recunoaștere și teste - Încercări ale dispozitivelor de revoluție triaxială - Aparat - Pregătirea probelor - Test neconsolidat nedrenat (UU) - Test consolidat nedrenat (Cu + U) cu măsurarea presiunii porilor - Test drenat consolidat (CD)
      • NF P94-071-1 și 2 - Soluri: recunoaștere și testare - Test de forfecare cutie rectilinie (de la Casagrande)
      • NF P94-077 - Soluri: recunoaștere și testare - Test de compresie uniaxială (rezistență la compresie simplă)
      • NF P94-072 - Soluri: recunoaștere și testare - Test de cisometrie de laborator
    • Încercări mecanice in situ *
      • NF P94-110-1 - Soluri: recunoaștere și teste. Test de presometru Ménard. Partea 1: test fără ciclu
      • NF P94-112 - Recunoașterea și testarea solurilor - Încercare șisometrică
      • NF P94-113 - Soluri: recunoaștere și testare - Test de penetrare statică
      • NF P94-114 - Geotehnică - Soluri: recunoaștere și testare - Test de penetrare dinamică de tip A.
      • NF P94-115 - Geotehnică - Soluri: recunoaștere și teste - Sonda cu un penetrometru dinamic de tip B
      • NF P94-116 - Soluri: recunoaștere și testare - Test de penetrare a butoiului miezului (SPT, Test standard de penetrare )
      • NF P94-130 - Soluri: recunoaștere și testare - Test de pompare
      • NF P94-131 - Soluri: recunoaștere și testare - Test de apă Lugeon
      • NF P94-132 - Soluri: recunoaștere și testare - Test Lefranc cu apă

Vezi și tu

Bibliografie

Document utilizat pentru scrierea articolului : document utilizat ca sursă pentru acest articol.

Articole similare

linkuri externe