Soutenance mémoire
L’INFLUENCE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LA STABILITE DES BARRAGES
ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
L’eau contenue dans le sol se trouve sous différentes formes :
•L’eau de constitution, qui entre dans la composition chimique des grains ;
•L’eau liée ou adsorbée est la fine pellicule d’eau qui est « collée » aux grains par des phénomènes électriques.
•L’eau interstitielle : eau capillaire et eau libre.
L’eau interstitielle se présente sous forme d’eau libre lorsque le sol est saturé et baigne dans une nappe phréatique. (ROUISSAT, 2014) L’eau liée est maintenue à la surface des grains par des forces d’attraction moléculaire (le dipôle H2O s’oriente perpendiculairement à la surface du grain). Ces forces diminuent rapidement et on admet qu’elles sont négligeables à partir d’une distance de 0.4 μ. L’eau liée à une très forte densité : 1.5. Elle peut contenir de nombreux ions. Elle ne transmet pas les pressions hydrostatiques et ne se déplace pas sous l’effet de la gravité. Elle est également caractérisée par une viscosité très élevée qui est à l’origine de certains comportements des sols argileux : fluage, compression secondaire, etc. L’eau libre est suffisamment éloignée des particules solides pour n’être soumise qu’à l’action de la gravité. On peut y rattacher l’eau capillaire. Celle-ci n’existe qu’en présence d’une phase gazeuse, puis qu’elle provient de la tension qui se développe à l’interface air-eau. Elle s’élève audessus de la surface d’une nappe libre, pour former la frange capillaire. Elle est soumise à l’action de la gravité et elle transmet les pressions. (RAT et JOSSEAUME) Cette eau est soumise aux lois des écoulements hydrauliques.
L’eau interstitielle est sous forme d’eau capillaire au-dessus de la nappe. L’eau capillaire est en équilibre, d’une part entre les forces de gravité et d’autre part les forces de tension qui se développent à l’interface eau/air. Les eaux libre et capillaire sont situées dans les pores et interstices du sol. La pression interstitielle est la pression existante dans l’eau interstitielle, en un point quelconque du massif de sol. Elle est positive dans l’eau libre et négative dans l’eau capillaire. Ce qui est, toujours et dans tous les cas, essentiel de connaître est le niveau de la nappe phréatique dans le sol. En effet les pressions qui en résultent génèrent des forces immédiatement applicables sans marge de tolérance pour les ouvrages. (ROUISSAT, 2014) Ces pressions interstitielles peuvent varier avec le temps par nombreux facteurs tel que la perméabilité, la charge hydrostatique et les conditions de drainage. Les dégâts causés par cette variation notamment l’augmentation sont très graves (peut causer la rupture d’un barrage), donc nous sommes appelés à analyser cette variation durant la réalisation aussi pendant l’exploitation du barrage.
Comportement du barrage pendant la construction
La construction ne pose pas de réelles difficultés lorsque les matériaux constitutifs sont perméables. En revanche, elle est certainement la phase la plus critique des barrages en argile. En effet, l’argile doit avoir une teneur en eau suffisante pour être plastique et assurer l’étanchéité. Mais comme l’argile est très compressible, elle reportera les contraintes de la construction sur son eau interstitielle, qui montera en pression sous la charge du remblai : Mondély en 1981, Mirgenbach en 1982 et Carsington en 1984. Dans les cas les plus extrêmes, la pression interstitielle atteint le poids des terres, annule la contrainte effective et crée une fracturation hydraulique sur une section horizontale.(CFBR, 2010) Pour les zones de faible perméabilité, l’évolution des pressions interstitielles doit être surveillée en cours de réalisation. L’augmentation trop rapide des contraintes (due à la montée de l’ouvrage) provoque une augmentation des surpressions interstitielles qui n’ont pas eu le temps de s’évacuer.
Ceci traduit le frottement des matériaux et donc la stabilité de l’ouvrage. (Al-HOMOUD et TANAH, 2001) Il est alors nécessaire de réaliser une étude de contraintes effectives, afin de déterminer l’apparition et l’évolution des pressions interstitielles en fonction des étapes de la construction des essais triaxiaux avec mesures de la pression interstitielle reproduisant le chemin des contraintes permettant de mener à bien ce type d’étude. L’analyse en contraintes effectives permet également de définir des critères d’alerte afin de ralentir ou d’arrêter temporairement la montée de la digue, si les pressions de l’ouvrage. Le suivi des travaux à l’aide d’une instrumentation adaptée est indispensable car le développement des pressions interstitielles est à l’origine d’un certain nombre de ruptures intervenues en cours de construction. (PHILIPPONNAT et HUBERT, 1998) Pour les barrages en remblai, on doit procéder à la mesure continue des valeurs des pressions interstitielles sur les cellules installées dans le remblai eu fur et à mesure de sa montée. Les résultats sont comparés aux valeurs déterminées lors du projet, et les paramètres ajustés aux résultats trouvés. Si des écarts importants sont détectés par rapport au modèle initial, ils sont aussitôt analysés, ce qui peut conduire soit à réviser ce modèle, soit, si le risque est confirmé, à prendre les précautions qui s’imposent sur le chantier (réduction de la teneur en eau, diminution de la cadence de mise en place des terres, modification du traitement des surfaces de reprise en fonction des conditions météorologiques,…) (KHANH, 2010)
MESURE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE EN LABORATOIRE
Depuis quelques années les mesures de pression interstitielle dans les sols en place et en laboratoire ont pris une importance de plus en plus grande dans l’activité des Laboratoires des ponts et des chaussées. Les mesures en laboratoire intéressent essentiellement l’essai triaxial. Elles sont généralement effectuées au cours d’essais du type « consolidé non drainé » sur sols peu perméables. La connaissance de la pression interstitielle permet alors de calculer les contraintes effectives agissant sur le sol pendant la phase de cisaillement et notamment lorsque la rupture se produit. On peut ainsi obtenir les paramètres de cisaillement intergranulaire c’ et φ ‘ sans qu’il soit nécessaire de recourir à des essais du type « consolidé drainé », toujours très longs lorsque la perméabilité du sol est faible. Les mesures en laboratoire peuvent également avoir pour objet la détermination des coefficients de pression interstitielle ; ceux-ci permettent d’estimer les variations de pression interstitielle qui se produisent dans un sol en place ou dans un ouvrage en terre lorsque l’on fait varier les charges qui lui sont appliquées.
Ces coefficients sont déterminés à partir des mesures de pression interstitielle effectuées au cours d’essais du type non consolidé non drainé, consolidé non drainé ou encore d’essais spéciaux reproduisant les conditions de chargement du sol en place.(JOSSEAUME, 1968) La pression interstitielle qui prend naissance dans une éprouvette de sol essayée dans l’appareil triaxial, est généralement mesurée au niveau de la pierre poreuse inférieure au moyen de l’appareil schématisé figure II.4.Lorsque la pression interstitielle varie, un certain volume d’eau est expulsé de l’éprouvette (ou absorbé par celle-ci) et provoque un déplacement de l’index de mesure. Une contrepression est exercée au moyen du vérin afin de ramener l’index à sa position initiale et, à l’équilibre, cette contrepression (lue sur un des deux manomètres) est égale à la pression interstitielle. Dans le cas d’un sol peu perméable, la pression interstitielle u mesurée au cours de l’essai est fonction de la vitesse d’essai (c’est-à-dire de la vitesse d’application des charges ou de la vitesse de déformation axiale si l’essai s’effectue à déformation contrôlée), sauf si cette dernière est très faible.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : EFFET DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LES RUPTURES DES BARRAGES
INTRODUCTION
1.STATISTIQUES SUR LES ACCIDENTS DES BARRAGES
1.1. Quelques ruptures graves
1.2. Statistiques de rupture des barrages en 1979
1.3. Barrage de TETON : barrage en terre
1.4. Barrage de Malpasset
1.5. Barrage Fergoug en Algérie
2.L’INFLUENCE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE SUR LA STABILITE DES BARRAGES
2.1. Mécanismes d’érosion interne et développement de renards
2.2. Mécanisme de rupture par glissement
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE DANS LES BARRAGES EN REMBLAIS
INTRODUCTION
1.ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
1.1.Comportement du barrage pendant la construction
1.1.1. Stabilité du barrage
1.2.Comportement du barrage pendant l’exploitation
1.2.1. Stabilité du barragependant l’exploitation
1.3. Comportement de l’ouvrage pendant la vidange rapide
2.DIFFERNTES PHASES DE L’ETUDE DE LA STABILITE D’UNE DIGUE EN TERRE
3.MESURE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE EN LABORATOIRE
4.EXEMPLES D’ETUDE DE LA PRESSION INTERSTITIELLE
4.1. Barrage EL HOUAREB
4.2. Barrage de LEBNA
4.3. Barrage en terre
5.DISPOSITIFS DE PROTECTION
5.1. Les drains
5.1.1. Rôle des drains
5.1.2. Effet de drainage
5.2. Les filtres
CONCLUSION
CHAPITRE III : INFLUENCE DE LA CONSOLIDATION SUR LA PRESSION INTERSTITIELLE
INTRODUCTION
1.DEFINITION D’UN SOL
1.1. Formation des sols
2.CLASSIFICATION DES SOLS
2.1. Les sols pulvérulents (grenus)
2.1.1. Propriétés des sols grenus
2.1.2. Comportement des sols grenus
2.2. Les sols fins
2.2.1. Propriétés des sols fins
2.2.2. Comportement des sols fins
3.CONSOLIDATION ET TASSEMENTS DES SOLS
3.1. Analyse du phénomène
3.2. Analogie mécanique de la consolidation
3.3. Variation des contraintes et des déformations dans le temps
3.4. Courbe de consolidation
4.GENERALITES ET DEFINITIONS SUR LES TASSEMENTS
4.1. Généralités sur le processus du tassement dans le cas des sols grenus et des sols fins
4.1.1. Tassement des sols grenus
4.1.2. Tassement des sols fins
4.2. Analyse et interprétation des mesures de tassement
4.3. Tassements des barrages en remblais
4.3.1. Tassements durant la construction
4.3.2. Tassements durant la mise en eau
4.5. Tassements différentiels
CONCLUSION
CHAPITRE IV : ANALYSE DES EFFETS DE COMPACTAGE SUR LA PRESSION INTERSTITIELLE
INTRODUCTION
1.GENERALITES SUR LE COMPACTAGE
1.1. Définition du compactage
1.2. Les sols compactés
1.3. Objectif du compactage
1.4. Condition de compactage
1.5. Les facteurs qui influencent le compactage
1.6. Caractéristiques des sols compactés
1.6.1. Essai Proctor
1.6.2. But de l’essai
1.6.3. Principe de l’essai
1.6.4. Conditions d’essai
1.6.5. Rappel des essais Proctor
1.7. Les effets de compactage
1.7.1. Sols grenus
1.7.2. Sols fins
1.8. Sensibilité des sols au compactage
1.9. Développement de pressions interstitielles
CONCLUSION
CHAPITRE V : SUIVI DE L’EVOLUTION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE PAR L’AUSCULTATION
INTRODUCTION
1.LES OBJECTIFS DE LA SURVEILLANCE
2.PRINCIPES GENERAUX
2.1. Auscultation des barrages
2.2. Raison d’être du dispositif d’auscultation
3.PRESSIONS INTERSTITIELLES ET NIVEAU PIEZOMETRIQUES
3.1. Les cellules
3.2. Les capteurs électriques
3.3. La cellule à corde vibrante
3.4. Capteurs hydrauliques (Glözl)
CONCLUSION
CHAPITRE VI : ANALYSE PARAMETREE DE LA VARIATION DE LA PRESSION INTERSTITIELLE – CAS DU BARRAGE BOUGHRARA
Introduction
1.PRESENTATION DU BARRAGE – OBJET DE L’ANALYSE
1.1. Données générales
1.2. Caractéristiques de l’aménagement
1.3. Géologie du site
2.PRESENTATION DU CODE DE CALCUL SERVANT A L’ANALYSE PARAMETREE AU NIVEAU DU BARRAGE
2.1. Introduction
2.2. Objectif de Plaxis
2.3. Les points forts de Plaxis
2.4. Les modèles de comportement utilisés dans Plaxis
2.4.1. Modèle linéaire élastique
2.4.2. Modèle de Mohr-Coulomb
3.PROFIL TYPE DU BARRAGE ET CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX
4.ANALYSE DU COMPORTEMENT DU BARRAGE (PROFIL REEL)
4.1. En cours de construction
4.1.1. Influence des fondations
3.Etude de la pression interstitielle et les déformations du barrage pour différentes hauteurs du remblai
4.Synthèse des résultats
4.1.2. Analyse des déplacements et des pressions interstitielles sans influence des fondations
Etude de la pression interstitielle et des déplacements du barrage à différents hauteurs du remblai
Synthèse des résultats
4.2. Fin de construction
4.2.1. Analyse des déplacements verticaux et critères de stabilité du barrage
4.2.2. Etude de la pression interstitielle au cours de consolidation du barrage
4.3. Influence du remplissage du lac
INFLUENCE DE LA QUALITE DES MATERIAUX DES RECHARGES DU BARRAGE
5.1. Adaptation de la pente pour la stabilité du barrage (pour φ= 20° pour les recharges)
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
Références bibliographiques
Annexes
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