Méthodes de dimensionnement et calcul des ouvrages de soutènement

Généralités sur la conception des écrans de soutènement

Les écrans de soutènement sont des ouvrages relativement minces en acier, en béton armé et en bois qui peuvent être autostables, ancrés, butonnés ou supportés par butée. Ils se caractérisent par leur comportement assez complexe du fait qu’il résulte de l’effet de l’interaction sol-écran et ouvrage et d’une multitude de paramètres relatifs aux propriétés de l’écran lui-même, des éléments structuraux, du sol soutenu et de l’analyse des différentes phases de réalisation.

Dans la littérature géotechnique, on recense qu’il existe pratiquement autant de méthodes de calcul et de justification pour cette famille d’ouvrages de soutènement. En effet, il n’existe pas une seule méthode spécifique à un type ou à l’ensemble de la famille d’ouvrages mais plusieurs méthodes en peuvent être appliquées et qui donnent des résultats voisins des unes des autres. Le choix de la méthode est donc libre et il dépend du modèle de calcul considéré. Ainsi, ces méthodes relèvent de textes, de règles de calcul et de recommandations comme elles concernent aussi des méthodes de calcul pratique en s’appuyant sur les théories inspirées de l’expérience, de l’observation et de calcul codifié.

On distingue cinq familles de méthodes de calcul énumériées comme suivant- Delattre (2001) :
Les méthodes empiriques et semi-empiriques, tenant en compte le comportement observé des ouvrages.
Les méthodes classiques dites à la rupture, faisant appel à des calculs analytiques de la poussée et de la butée des terres.
La méthode du coefficient de réaction, prenant en compte l’effet d’interaction sol-structure, La méthode des éléments finis, prenant en compte de l’ensemble de l’ouvrage et son environnement.

Les états limites appréciés aux écrans de soutènement

A titre de rappel, les états limites exigés par l’Eurocode pour tous les ouvrages de soutènement concernent les cas de rupture suivants : Instabilité d’ensemble de l’ouvrage, Rupture des éléments structuraux de l’ouvrage (écran, tirant, bouton,…..).

Rupture combinée dans le terrain et dans les éléments de structure, Rupture par soulèvement hydraulique et érosion régressive, Influence des mouvements de l’ouvrage de soutènement sur les ouvrages voisins et sur son environnement, Apparition des fissures sur l’ouvrage ,Transport inacceptable de particules de sol à travers ou par-dessous le mur ou l’écran, Changement de flux hydraulique ou celui de la nappe phréatique.

Il y’aura lieu de rajouter également aux écrans de soutènement, Rupture par rotation ou translation de l’écran ou de certaines de ses parties, Rupture par défaut d’équilibre vertical.

Méthodes particulières de calcul et de dimensionnement des écrans de soutènement

Dans le cadre de la fonction d’écran de soutènement qu’il s’agit d’un rideau de palplanches ou paroi moulée, L’étude comprend les phases suivantes :

Détermination d’une valeur de la fiche compatible avec la sécurité de l’ouvrage et l’économie du projet outre que la hauteur des terres retenues (Hauteur de l’excavation). Détermination de la force d’ancrage et dimensionnement des tirants d’ancrage. Détermination du moment fléchissant maximal et dimensionnement de l’écran.

Les méthodes de calcul sont de trois types :

Méthode aux états limites basées sur l’état d’équilibre limite (à la rupture) de poussée ou de butée.

Méthode aux coefficients de réactions basées sur les lois réhologiques ou comportements élasto-plastiques.

Méthode des éléments finis basées sur les modèles de comportement très sophistiqués.

La modélisation des écrans de soutènement par la méthode des éléments finis

La méthode des éléments finis est un outil très général de résolution d’équations aux dérivées partielles, mais son utilisation en géotechnique reste limitée dans la pratique à l’exception des tunnels, en raison de son efficacité en combinaison avec la méthode convergence – confinement. Cet emploi limité en géotechnique que dans d’autres disciplines, est rendu essentiellement à la difficulté dans l’identification du comportement des matériaux naturels d’une part et de l’enchaînement complexe lié à l’apport et l’enlèvement des matériaux d’autre part. Néanmoins, cette méthode présente l’avantage de fournir un moyen de surmonter les limitations des méthodes traditionnelles car elle permet de prendre en compte des géométries quelconques des couches de terrain, elle ne fait pas d’hypothèse a priori sur la cinématique de l’ouvrage de soutènement, elle permet de représenter les interactions du soutènement avec d’autres composantes de l’ouvrage en donnant des informations très riches relatives aux déplacements et déformations et de prendre en considération l’interaction avec le milieu environnant tel que les mur en retour ou avec des ouvrages avoisinants ; enfin, la modélisation de l’interaction du sol avec la structure ne fait pas appel aux notions classiques telle que l’application du module de réaction.

Définition de la géométrie du modèle et construction de maillage

Dans le cas d’un ouvrage de soutènement non appuyé, Les dimensions géométriques du modèle numérique définissent les grandeurs des bords limites par rapport à l’ouvrage (soutènement) pour éviter toute influence sur son comportement.

Il n’existe pas de règles qui s’imposent pour les appliquer mais des recommandations d’usage sont fortement appréciées. Le choix du type de maillage et de sa densité sont laissés au soin du projeteur suivant l’outil de calcul en possession qui puisse satisfaire entre la finesse de représentation et et le temps de calcul. Le maillage doit être plus dense aux endroits ou le sol est fortement sollicité par les contraintes , en particulier le long de la paroi et sous le fond de fouille et au niveau des singularités géométriques (coin de l’excavation, changement de géométrie, problèmes de courbure, etc.). Il faut tenir que la densité du maillage ait une influence sur les résultats de calcul et en particulier sur les déplacements.

Généralités sur la Conception des murs de soutènement

Cette famille des ouvrages de soutènement regroupe  les murs gravitaires ou murs poids construits en maçonnerie de pierres, de briques et en béton, les murs semi garvitaires qui sont réalisés généralement en béton légèrement armé,  les murs en gabions construits avec des paniers ou des cubes grillagés emplis de blocs d’alluvions et pierres dures. Ils réalisent un massif de butée autodrainant. Ils sont généralement conçus pour stabiliser les glissements et les massifs d’enrochements, les murs cellulaires ou caissons, les murs en terre armé, les murs en béton armé : Ce sont des structures couramment utilisées, ils sont construits spécifiquement d’un voile mince encastré dans une semelle résistants. Ce type de murs peut avoir les formes de L,T renversé ou L inversé. En fait, c’est le positionnement du voile par rapport à la fondation qui désigne le profil du mur projeté et en conséquence la largeur du talon et du patin de la semelle.

Lorsque le mur est limité par un débali, la largeur du talon sera réduit quand la largeur du patin pourra être plus large. Ils sont appelés aussi murs ‘‘cantilevers’’. Ils sont économiques jusqu’à des hauteurs de 6 à 8m. Si la hauteur est importante, ces murs doivent être renforcés par des éléments dits contreforts eux-mêmes réalisés en béton armé.

Table des matières

Introduction Générale
CHAPITRE I Méthodes de dimensionnement et calcul des ouvrages de soutènement
1.1 Introduction 
1.2 Généralités sur la conception des écrans de soutènement
1.3 Les états limites appréciés aux écrans de soutènement 
1.4 Méthodes classiques de calcul des soutènements
1.4.1 Principes de bases des méthodes classiques
1.4.2 Revue sur les méthodes classiques ou de la théorie de poussée et butée
1.4.3 Utilisation des méthodes par type modèle de soutènement
1.4.4 Méthodes particulières de calcul et de dimensionnement des écrans de soutènement
1.4.5 Choix de la méthode de calcul et du coefficient de sécurité
1.4.6 Méthode de coefficient de réaction
1.4.7 Principaux avantages et inconvénients de la méthode du coefficient de réaction
1.5 La modélisation des écrans de soutènement par la méthode des éléments finis
1.5.1 Modélisation du comportement des différents éléments de l’ouvrage
1.5.2 Définition de la géométrie du modèle et construction de maillage
1.6 Généralités sur la Conception des murs de soutènement
1.6.1 Modes de rupture des murs en béton armé de type ‘‘Cantilever’’
1.6.2 Prédimensionnement initial et proportionnel du mur en T renversé
1.6.3 Méthodes de calcul de la pression des terres derrière un mur en béton armé de type ‘‘Cantilever
1.6.4 Calcul de la stabilité externe du mur en béton armé de type ‘‘Cantilever’’
1.7 Conclusion
CHAPITRE II Synthèse sur l’action latérale des terres derrière les ouvrages de soutènement
2.1 Introduction
2.2 Les composantes de la pression des terres
2.3 Aspect des pressions des terres exercées sur les ouvrages de soutènement
2.4 Coefficient de pression des terres au repos
2.5 Validité de l’équation de Jaky
2.6 Passage en revue des travaux de prédiction de pressions des terres latérales sur les  ouvrages de soutènement
2.6.1 Travaux créateurs
2.6.2 Effet des modes de mouvement du mur sur la distribution des pressions des terres latérales
2.6.3 Effet de l’intensité et le point d’application des pressions latérales
2.6.4 Phénomène de voûte affectant la distribution des pressions latérales
2.7 Quel choix du coefficient de pression des terres? 
2.8 Méthodes usuelles de calculs des pressions des terres
2.9 Travaux analytiques de Sangchul Bang (1985)
2.10 Travaux numériques d’Anthonny Goh (1993)
2.11 Conclusion
CHAPITRE III Etude paramétrique et comparative d’un écran de soutènement flexible
3.1 Introduction
3.2 Aperçus historiques sur les travaux en centrifugeuses
3.3 Modèle de référence
3.4 Description du modèle
3.4.1 Paramètres initiaux du sol et de la paroi moulée
3.4.2 Conception du modèle numérique
3.4.3 Résultats et interprétations
3.4.4 Validation des résultats expérimentaux
3.5 La modélisation numérique de la paroi moulée autostable en utilisant la méthode des éléments finis
3.5.1 Analyse avec le modèle de Mohr-Coulomb
3.6 Analyse avec le modèle du sol avec écrouisage HSM
3.6.1 Brève présentation du modèle du sol avec écrouissage HSM
3.6.2 Processus de calcul
3.6.3 Interprétation et commentaires
3.7 Conclusion
CHAPITRE IV Analyse du comportement des murs de soutènement de type ‘‘ Cantilever ’’
4.1 Introduction
4.2 Évaluation de l’apport des modèles avancés dans la justification des ouvrages
4.2.1 Revue sur les travaux de Rouilli
4.2.2 Géométrie du mur de soutènement
4.2.3 Analyse des résultats et discussions
4.2.4 Analyse des résultats et discussions
4.3 Modélisation et analyse du comportement des murs de type ‘‘Cantilever’’
4.3.1 Géométrie du mur de soutènement
4.3.2 Conception du modèle numérique et procédures du calcul
4.3.3 Analyse du comportement du sol de fondation sous les effets des différents facteurs
4.4 Estimation des pressions latérales derrière les murs de type ‘‘Cantilever’’ par analyse des régressions linéaire et polynomiale
4.4.1 Analyse des effets des sols soutenus
4.4.2 Analyse des effets des sols de fondation
4.4.3 Analyse de l’effet de la pente du remblai en surcharge
4.4.4 Estimation des pressions de terres latérales actives par la méthode de l’analyse de régression linéaire
4.4.5 Analyse de l’évolution du coefficient de pressions active en fonction de la variation de l’emplacement du voile
4.4.6 Commentaires et suggestions
4.5 Conclusion
5 Conclusion Générale
Références bibliographiques

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