Vérification du non-glissement d’une fondation
Contexte : L'ancrage au sol, une condition essentielle de stabilité.
En plus de supporter des charges verticales, de nombreuses structures doivent résister à des forces horizontales importantes (poussée des terres sur un mur de soutènement, vent sur un bâtiment, etc.). La fondation doit alors être capable de transmettre ces efforts au sol sans se déplacer. La vérification au glissementLe glissement est un mécanisme de rupture où une fondation se déplace horizontalement par rapport au sol sous-jacent lorsque les forces motrices (horizontales) dépassent les forces résistantes à l'interface sol-fondation. est un État Limite Ultime (ELU) fondamental en géotechnique. Elle consiste à s'assurer que les forces résistantes (frottement et adhérence à la base de la semelle) sont suffisamment supérieures aux forces motrices horizontales.
Remarque Pédagogique : Cet exercice illustre un équilibre de forces simple mais crucial. Nous allons quantifier les forces qui "poussent" la fondation et celles qui la "retiennent". Le rapport entre ces deux types de forces nous donnera un coefficient de sécurité qui nous permettra de juger de la stabilité de l'ouvrage. C'est une vérification systématique dans tout projet de fondation soumise à des efforts horizontaux.
Objectifs Pédagogiques
- Calculer le poids propre d'une fondation et la charge verticale totale.
- Déterminer la force résistante due au frottement à l'interface sol-fondation.
- Déterminer la force résistante due à l'adhérence pour les sols cohérents.
- Calculer le coefficient de sécurité au glissement et le comparer à la valeur requise.
- Comprendre l'influence des paramètres du sol (angle de frottement, cohésion) sur la stabilité.
Données de l'étude
Schéma des forces sur la fondation
Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
---|---|---|---|
Largeur de la semelle | \(B\) | 3.0 | \(\text{m}\) |
Charge verticale appliquée | \(V\) | 450 | \(\text{kN/ml}\) |
Charge horizontale appliquée | \(H\) | 150 | \(\text{kN/ml}\) |
Angle de frottement interne du sol | \(\phi'\) | 25 | \(\text{degrés}\) |
Cohésion effective du sol | \(c'\) | 15 | \(\text{kPa}\) |
Questions à traiter
- Calculer la force résistante mobilisable par frottement \(R_{f}\) à la base de la semelle. On prendra un angle de frottement sol-béton \(\delta = \frac{2}{3}\phi'\).
- Calculer la force résistante mobilisable par adhérence \(R_{a}\) à la base de la semelle. On prendra une adhérence sol-béton \(c_a = c'\).
- Calculer la force résistante totale au glissement \(R_{totale}\).
- Calculer le coefficient de sécurité au glissement \(F_s\) et conclure sur la stabilité de la fondation (on considère qu'un \(F_s \ge 1.5\) est requis).
Les bases de la Stabilité au Glissement
Avant de plonger dans la correction, revoyons le principe de la résistance au cisaillement d'un sol.
Critère de rupture de Mohr-Coulomb :
La résistance maximale au cisaillement (\(\tau\)) qu'un sol peut mobiliser sur un plan dépend de la contrainte normale effective (\(\sigma'\)) sur ce plan, de sa cohésion (\(c'\)) et de son angle de frottement interne (\(\phi'\)). La formule est :
\[ \tau = c' + \sigma' \tan(\phi') \]
Pour le glissement d'une fondation, on applique ce critère à l'interface sol-structure, en utilisant des paramètres d'interface (\(c_a\) et \(\delta\)) qui peuvent être différents des paramètres internes du sol.
Correction : Vérification du non-glissement d’une fondation
Question 1 : Calculer la force résistante due au frottement (\(R_{f}\))
Principe (le concept physique)
La force de frottement est la résistance générée par la rugosité et l'engrènement entre la base de la fondation et les grains du sol. Elle est directement proportionnelle à la force normale qui presse la fondation contre le sol (ici, la charge verticale \(V\)). Plus la fondation est lourde, plus elle "s'agrippe" au sol et plus la résistance au frottement est grande.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Le frottement entre deux surfaces est décrit par la loi de Coulomb. La force de frottement maximale est le produit de la force normale et du coefficient de frottement. En mécanique des sols, ce coefficient est exprimé par la tangente de l'angle de frottement à l'interface, \(\tan(\delta)\). Cet angle \(\delta\) dépend de la rugosité de la fondation et de la nature du sol. Pour une fondation en béton coulée sur place, il est courant de prendre \(\delta\) proche de \(\phi'\), mais pour du béton préfabriqué (plus lisse), on prend une valeur réduite, typiquement \(2/3\phi'\).
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Imaginez pousser une caisse lourde sur le sol. Il est plus difficile de la faire bouger que si elle était légère. C'est exactement le même principe ici : la charge verticale \(V\) "plaque" la fondation au sol et génère la résistance au frottement. La nature du sol (sable, gravier, argile) change la "rugosité" de l'interface, ce qui est représenté par l'angle de frottement \(\delta\).
Normes (la référence réglementaire)
L'Eurocode 7 (NF EN 1997-1) fournit des valeurs recommandées pour l'angle de frottement à l'interface \(\delta\) en fonction du type de sol et du matériau de la fondation. Il introduit également des coefficients de sécurité partiels sur les charges et sur les paramètres du sol pour garantir un niveau de sécurité adéquat.
Formule(s) (l'outil mathématique)
La force résistante due au frottement est donnée par :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que la charge verticale \(V\) est appliquée au centre de la fondation et qu'elle se répartit uniformément. On néglige la présence de la nappe phréatique, donc la force normale totale est égale à la force normale effective.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Charge verticale, \(V = 450 \, \text{kN/ml}\)
- Angle de frottement interne du sol, \(\phi' = 25^\circ\)
- Relation pour l'angle d'interface, \(\delta = \frac{2}{3}\phi'\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Assurez-vous que votre calculatrice est bien en mode "degrés" avant de calculer la tangente d'un angle. C'est une source d'erreur très fréquente. Une vérification rapide : \(\tan(45^\circ) = 1\). Si vous n'obtenez pas cette valeur, votre calculatrice est probablement en radians ou en grades.
Schéma (Avant les calculs)
Composante de résistance par frottement
Calcul(s) (l'application numérique)
1. Calcul de l'angle de frottement à l'interface :
2. Calcul de la force de frottement :
Schéma (Après les calculs)
Comparaison des forces motrice et résistante (friction)
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La force résistante due au frottement seul (134.7 kN/ml) est inférieure à la force motrice horizontale (150 kN/ml). Si le sol était un sable pur sans cohésion, la fondation glisserait. Cela montre l'importance de la deuxième composante de la résistance : l'adhérence.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne pas confondre l'angle de frottement interne du sol \(\phi'\) et l'angle de frottement à l'interface \(\delta\). Utiliser directement \(\phi'\) surestimerait la résistance et pourrait conduire à un dimensionnement non sécuritaire, surtout pour des fondations lisses.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La résistance au frottement est proportionnelle à la force normale.
- Elle dépend de l'angle de frottement à l'interface sol-structure \(\delta\).
- \(R_f = V \cdot \tan(\delta)\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Pour augmenter la résistance au glissement, les ingénieurs peuvent concevoir des fondations avec une "bêche" ou "dent" d'ancrage. C'est une extension verticale sous la semelle qui s'enfonce dans le sol. Elle ne travaille plus en frottement, mais en butée, mobilisant la résistance passive du sol, ce qui est beaucoup plus efficace pour reprendre des efforts horizontaux importants.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Si la charge verticale \(V\) était de 600 kN/ml, quelle serait la nouvelle résistance au frottement \(R_f\) en kN/ml ?
Question 2 : Calculer la force résistante due à l'adhérence (\(R_{a}\))
Principe (le concept physique)
L'adhérence est la composante "collante" de la résistance du sol. Elle est due aux forces d'attraction électrochimiques entre les particules d'argile et la surface de la fondation. Contrairement au frottement, cette force ne dépend pas de la charge verticale ; elle dépend uniquement de la nature du sol (sa cohésion) et de la surface de contact.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La résistance due à l'adhérence est le produit de la contrainte d'adhérence mobilisable (\(c_a\)) et de la surface de contact de la fondation (\(A\)). L'adhérence \(c_a\) est souvent prise comme une fraction de la cohésion du sol \(c'\). Pour du béton coulé sur place, le contact est rugueux et on peut souvent considérer \(c_a = c'\). Pour des interfaces plus lisses ou des pieux battus, \(c_a\) peut être significativement réduite.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Pensez à la différence entre faire glisser un objet sur du sable sec (pur frottement) et sur de l'argile humide (frottement + "effet ventouse"). L'adhérence est cet effet ventouse. Même sans charge verticale, il faut un certain effort pour décoller un objet posé sur de l'argile. C'est cette force intrinsèque que nous calculons ici.
Normes (la référence réglementaire)
L'Eurocode 7 fournit des indications sur la valeur de l'adhérence \(c_a\) à prendre en compte. Il est souvent recommandé d'appliquer des coefficients de sécurité plus importants sur la cohésion que sur l'angle de frottement, car la cohésion est un paramètre plus variable et plus difficile à mesurer de manière fiable sur un site.
Formule(s) (l'outil mathématique)
La force résistante due à l'adhérence pour une semelle filante est :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose un contact parfait entre la base de la semelle et le sol sur toute sa surface. On considère que l'adhérence est égale à la cohésion du sol (\(c_a = c'\)).
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Cohésion effective du sol, \(c' = 15 \, \text{kPa} = 15 \, \text{kN/m}^2\)
- Largeur de la semelle, \(B = 3.0 \, \text{m}\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Attention aux unités. La cohésion est donnée en kPa, ce qui est équivalent à des kN/m². Comme on calcule une force par mètre linéaire (kN/ml), il faut multiplier la cohésion (en kN/m²) par la largeur de la semelle (en m). Les m² et les m se simplifient pour donner des kN, et comme c'est une semelle filante, le résultat est bien en kN/ml.
Schéma (Avant les calculs)
Composante de résistance par adhérence
Calcul(s) (l'application numérique)
On applique directement la formule :
Schéma (Après les calculs)
Forces résistantes décomposées
Réflexions (l'interprétation du résultat)
L'adhérence apporte une résistance supplémentaire de 45 kN/ml. Cette force s'ajoute à celle du frottement. Dans les sols purement cohérents (argiles, \(\phi' \approx 0\)), cette composante devient la seule source de résistance au glissement.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne pas oublier de convertir les unités si nécessaire. Si la cohésion est donnée en Pa et les dimensions en mètres, le résultat sera en N/ml. Il faut être cohérent. Utiliser des kN et des mètres est le plus simple ici.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La résistance par adhérence est indépendante de la charge verticale.
- Elle dépend de la cohésion du sol et de la surface de contact.
- \(R_a = c_a \cdot A\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Certaines argiles, dites "sensibles", peuvent perdre brutalement la quasi-totalité de leur cohésion si elles sont remaniées (par un choc, une vibration). C'est le cas des argiles rapides du Canada ou de Scandinavie, qui peuvent se liquéfier et provoquer des glissements de terrain catastrophiques sur des pentes très faibles.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Si la cohésion du sol \(c'\) était de 25 kPa, quelle serait la nouvelle résistance par adhérence \(R_a\) en kN/ml ?
Question 3 : Calculer la force résistante totale au glissement (\(R_{\text{totale}}\))
Principe (le concept physique)
La résistance totale que le sol peut opposer au glissement de la fondation est simplement la somme des deux mécanismes de résistance que nous avons calculés : le frottement (dû au poids) et l'adhérence (due à la nature "collante" du sol). Ces deux forces agissent simultanément à la base de la semelle pour la retenir.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La mobilisation de la résistance au cisaillement n'est pas toujours simultanée. La résistance de pic (maximale) est atteinte pour une déformation relativement faible. Si la déformation se poursuit, la résistance peut chuter à une valeur résiduelle, surtout dans les argiles surconsolidées. Pour les calculs de stabilité, on utilise généralement la résistance de pic, en s'assurant par des coefficients de sécurité que les déformations resteront très faibles.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
C'est une simple addition, mais elle représente la combinaison de deux phénomènes physiques distincts. C'est comme si pour retenir la caisse de l'exemple précédent, on avait à la fois augmenté son poids (plus de frottement) et mis de la colle sous sa base (plus d'adhérence).
Normes (la référence réglementaire)
Les normes de calcul (Eurocode 7) définissent comment combiner les différentes composantes de la résistance. Dans le cas du glissement, les résistances de frottement et d'adhérence sont additionnées pour obtenir la résistance totale à l'interface.
Formule(s) (l'outil mathématique)
La force résistante totale est la somme des forces de frottement et d'adhérence :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que le pic de résistance pour le frottement et l'adhérence est atteint pour le même niveau de déformation, ce qui permet de les additionner directement.
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Résistance par frottement, \(R_f = 134.7 \, \text{kN/ml}\) (de Q1)
- Résistance par adhérence, \(R_a = 45 \, \text{kN/ml}\) (de Q2)
Astuces(Pour aller plus vite)
Ce calcul est une addition directe. L'astuce ici est d'avoir bien vérifié la cohérence des unités (kN/ml pour les deux termes) dans les étapes précédentes pour que le résultat soit correct.
Schéma (Avant les calculs)
Addition des forces résistantes
Calcul(s) (l'application numérique)
On additionne les deux valeurs calculées précédemment :
Schéma (Après les calculs)
Bilan final des forces horizontales
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La force résistante totale (179.7 kN/ml) est maintenant supérieure à la force motrice (150 kN/ml). L'ouvrage semble stable, mais il faut quantifier cette marge de sécurité avec le coefficient de sécurité.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne jamais soustraire les forces. Les deux mécanismes de résistance (frottement et adhérence) travaillent ensemble pour s'opposer au mouvement, ils doivent donc toujours être additionnés.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- La résistance totale au glissement est la somme de la résistance de frottement et de la résistance d'adhérence.
- \(R_{\text{totale}} = V \cdot \tan(\delta) + c_a \cdot A\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
Dans les analyses de stabilité des pentes, le même critère de Mohr-Coulomb est utilisé. Un glissement de terrain se produit lorsque la contrainte de cisaillement le long d'une surface de rupture potentielle (due au poids des terres) dépasse la résistance au cisaillement du sol (cohésion + frottement) le long de cette même surface.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
En reprenant les données de la Q1 (\(V=600\)) et de la Q2 (\(c'=25\)), quelle serait la résistance totale en kN/ml ?
Question 4 : Calculer le coefficient de sécurité (\(F_s\)) et conclure
Principe (le concept physique)
Le coefficient de sécurité est un rapport qui quantifie la marge de sécurité d'une structure par rapport à un état de rupture. Pour le glissement, il compare la force maximale que le sol peut opposer au mouvement (\(R_{\text{totale}}\)) à la force qui essaie de provoquer le mouvement (\(H\)). Un coefficient de 1.0 signifie que la structure est à la limite de la rupture. Une valeur supérieure indique une marge de sécurité.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
En conception géotechnique, on utilise des coefficients de sécurité pour couvrir les incertitudes sur les charges, les propriétés des matériaux et les modèles de calcul. L'approche traditionnelle utilise un coefficient de sécurité global (comme ici). Les approches modernes (comme les Eurocodes) utilisent des coefficients partiels appliqués séparément sur les actions (charges) et les résistances des matériaux, offrant une gestion plus fine et plus homogène de la sécurité.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Le coefficient de sécurité est la réponse finale de l'ingénieur à la question "Est-ce que ça tient ?". Ce n'est pas juste un "oui" ou un "non", mais un "oui, et voici de combien nous sommes en sécurité". Une valeur de 1.5 signifie que la fondation pourrait résister à une force horizontale 50% plus grande que celle prévue avant de commencer à glisser.
Normes (la référence réglementaire)
Les normes de construction imposent des valeurs minimales pour les coefficients de sécurité. Pour le glissement d'une fondation, une valeur de 1.5 est une exigence courante pour les combinaisons de charges fondamentales (permanentes + variables). Cette valeur peut être ajustée en fonction de la fiabilité des données et des conséquences d'une rupture.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Le coefficient de sécurité au glissement est le rapport des forces résistantes sur les forces motrices :
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose que les forces \(V\) et \(H\) sont les valeurs de calcul non pondérées (approche au coefficient de sécurité global).
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Force résistante totale, \(R_{\text{totale}} = 179.7 \, \text{kN/ml}\) (de Q3)
- Force horizontale motrice, \(H = 150 \, \text{kN/ml}\)
Astuces(Pour aller plus vite)
Le calcul est une simple division. Le résultat est un nombre sans dimension. Assurez-vous simplement que les deux forces sont dans la même unité (ici, kN/ml) avant de faire le rapport.
Schéma (Avant les calculs)
Bilan de stabilité
Calcul(s) (l'application numérique)
On effectue le rapport des forces :
Schéma (Après les calculs)
Conclusion sur la stabilité
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Le coefficient de sécurité calculé (1.20) est inférieur à la valeur minimale requise de 1.5. Par conséquent, la conception de la fondation n'est pas acceptable en l'état. L'ingénieur doit proposer des modifications pour augmenter la sécurité, par exemple : élargir la semelle (pour augmenter le poids propre et la surface d'adhérence), ajouter une bêche d'ancrage, ou utiliser des techniques d'amélioration du sol.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Ne jamais conclure qu'un ouvrage est stable simplement parce que les forces résistantes sont supérieures aux forces motrices (\(F_s > 1.0\)). Il faut toujours comparer le coefficient de sécurité calculé à la valeur minimale imposée par les normes ou le cahier des charges du projet. La marge de sécurité est non négociable.
Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
- Le coefficient de sécurité au glissement est \(F_s = R_{\text{totale}} / H\).
- Il quantifie la marge de sécurité par rapport à la rupture.
- Le coefficient calculé doit être supérieur ou égal au coefficient requis par les normes (\(F_s \ge F_{s, requis}\)).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
La Tour de Pise ne s'est pas seulement inclinée à cause du tassement, mais aussi à cause d'un début de rupture par poinçonnement du sol sous le côté le plus chargé. Les travaux de stabilisation modernes ont consisté à extraire une petite quantité de sol sous le côté le moins chargé de la tour pour la redresser très légèrement, réduisant ainsi les contraintes critiques et la ramenant dans un état stable.
FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)
Quelle force horizontale maximale \(H_{max}\) (en kN/ml) la fondation pourrait-elle supporter pour avoir un coefficient de sécurité de 1.5 exactement ?
Outil Interactif : Paramètres de Glissement
Modifiez les paramètres du projet pour voir leur influence sur le coefficient de sécurité.
Paramètres d'Entrée
Résultats Clés
Le Saviez-Vous ?
Karl von Terzaghi (1883-1963) est considéré comme le "père de la mécanique des sols". C'est lui qui a développé le concept fondamental de contrainte effective en 1925, qui a transformé la géotechnique d'un art empirique en une véritable science de l'ingénieur. La plupart des calculs de tassement et de stabilité utilisés aujourd'hui reposent sur ses travaux pionniers.
Foire Aux Questions (FAQ)
Que se passe-t-il si la nappe phréatique monte ?
Si la nappe monte jusqu'à la base de la fondation, la pression de l'eau (\(u\)) va créer une sous-pression qui "soulage" la fondation. La force normale effective devient \(V' = V - u \cdot A\). Cela réduit la résistance au frottement (\(R_f = V' \tan(\delta)\)) et peut donc diminuer significativement le coefficient de sécurité au glissement.
Le glissement est-il un phénomène rapide ?
Oui, le glissement est une rupture de type fragile. Une fois que la résistance maximale est dépassée, le déplacement peut être soudain et important, contrairement au tassement qui est un processus lent. C'est pourquoi on le vérifie à l'État Limite Ultime (ELU) avec des coefficients de sécurité stricts.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Pour augmenter la sécurité au glissement d'une fondation sur un sol purement sableux (\(c'=0\)), la solution la plus efficace est...
2. Dans un sol purement cohérent (\(\phi'=0\)), la résistance au glissement...
- Glissement
- Mécanisme de rupture où une fondation se déplace horizontalement par rapport au sol sous-jacent lorsque les forces motrices (horizontales) dépassent les forces résistantes à l'interface sol-fondation.
- Angle de Frottement (\(\phi'\))
- Paramètre du sol qui caractérise la résistance au cisaillement due à la friction entre les grains. C'est une propriété intrinsèque des sols pulvérulents (sables, graves).
- Cohésion / Adhérence (\(c', c_a\))
- Paramètre qui caractérise la résistance au cisaillement due aux forces d'attraction entre les particules fines (argiles). L'adhérence (\(c_a\)) est la manifestation de la cohésion à l'interface sol-structure.
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