Ground Mecanic

De geoteknikk er den eldste, mest kjente og mest praktisert gren av geomekanikk , matematisk disiplin geotekniske , for å studere den teoretiske oppførselen til bakkenett detrital dekke møbler formasjoner under påvirkning av naturlige erosjons innsats (skred, etc.), eller indusert under bygging av de fleste byggverk (jordarbeid, fundamenter, drenering osv.)

"  Jordene  " til denne mekanismen - forskjellige og varierte blandinger av leire , sand , grus ... og vann - er kontinuerlige , uforanderlige, homogene, isotrope , gratis virtuelle miljøer , noen ganger ikke tunge (uten begrensning) og ingenting annet enn det; de er de virkelige material modeller av disse formasjoner, håndgripelig, diskontinuerlig variabel, heterogen, anisotropisk, begrenset, tung og mye mer enn det. Deres geometriske former og mekaniske oppførsel må derfor være forenlig med de naturlige formene og oppførselen til ekte geomaterialer beskrevet av to geologiske disipliner, geomorfologi og geodynamikk . Dermed er jordmekanikk, geomorfologi og geodynamikk tre uatskillelige, gjensidige avhengige og komplementære disipliner innen geoteknikk som studerer den terrestriske undergrunnen som vår direkte handling er mulig på, for å tillate utvikling og / eller utnyttelse.

Gjennom er karakterisert og disse jordene er klassifisert i flere fysiske parametere, størrelse , plastisitet , porøsitet , fuktighet , konsistens ... som kan betegne, beskrive og forutsi deres håndtering av jordarbeid . De er preget av flere mekaniske parametere, elastisitetsmodul , hellingsvinkel, kohesjon , kompressibilitet , permeabilitet ... som er variablene for stabilitetsberegninger , setninger , drenering ... av forskjellige strukturer. Alle disse mer eller mindre uavhengige parametrene må måles spesifikt ved hjelp av in situ- og / eller laboratorietester på prøver som er tatt under sonderinger utført på de studerte stedene, på stedet for de planlagte strukturer.

I sitt grunnleggende arbeid med fyllingens mekanikk, forfader til jordmekanikk, Essay - Om en anvendelse av reglene for maximis og de minimis på noen problemer med statikk, knyttet til arkitektur , uttrykker Coulomb den første geomekaniske "loven", nå kalt "  Coulombs lov  ”, som spesifiserte med en dessverre glemt forsiktighet:“ Denne oppgaven er ment å bestemme, så langt blandingen av beregning og fysikk kan tillate, påvirkning av friksjon og kohesjon i noen problemer med statisk "..." for å lette av applikasjonene i praksis ".

Som Terzaghi og Peck husker i forordet til sitt arbeid oversatt til fransk "Mécanique des sols applied to BTP", pålegger stillingen, studiet og løsningen på ethvert problem med jordmekanikk utallige forenkle antagelser om former og oppførsel, noe som fører til resultater som det er nødvendig å kritisere og tildele en "  sikkerhetskoeffisient  ", fordi dette bare er størrelsesorden. Og denne forsiktigheten er fortsatt gyldig: det meste av skader og ulykker på deler av strukturer i forhold til jord og undergrunn er et resultat av at strukturen er uegnet til stedet på grunn av uvitenheten om stedets geologi og ikke til mekanisk beregning feil: ethvert testresultat og / eller beregning av jordmekanikk som er uforenlig med en geologisk observasjon, er uakseptabelt.

Historisk oversikt

Den rasjonelle studien av stabiliteten til jordvoller og støttemurer begynte på slutten av XVII -  tallet da forsvarende høyborg overfor kraften i voksende artilleri tvang militæringeniørene til å bygge stadig høyere og tykkere voller i Perreyée-jord - Vauban , Generell profil for støttemurer , 1687.

Fyllmekanikk

I 1720 viste Forest de Belidor eksperimentelt at den overdrevne skyvkraften til en fyllingskile kan være årsaken til ruinen til en støttemur. I 1727 etablerte Couplet den empiriske beregningen av skyvekraften til denne flate overflaten. I 1773 assimilerte Coulomb betingelsen om stabilitet av denne skyvekilen til en ladning på et skrått plan som han hadde etablert loven for å rasjonalisere artillerivognen; han definerte kohesjonen og friksjonsvinkelen til en fylling, og etablerte loven om deres forhold kjent som Coulombs lov . I 1846, med hensyn til jorddammer og kanal- og jernbanevoller, etablerte Collin at kohesjonen, uavhengig av friksjonsvinkelen, er en funksjon av fyllingen og vanninnholdet i fyllingen, og at hjørneflaten er en sykloid bue.

Ground Mecanic

I løpet av XIX -  tallet til begynnelsen av XX -  tallet , har mange mekaniske ingeniører - Rankine Levy Boussinesq Massau ... modellert studiet av jordmassive, naturlige geomaterialemøbler, på fyllene for å studere stabiliteten til fyllinger og struktur grunnlag, ved å utvikle trigonometriske og / eller uendelige beregningsmetoder som er mer eller mindre forskjellige i henhold til deres bekymringer og hypotesene de brukte for å bygge sine teorier; de gjorde det fra Coulombs lov og fra den grafiske fremstillingen av påkjenningstilstanden i et massiv av Mohr , ved å neglisjere mer eller mindre kohesjonen, "konstant" vanskelig å håndtere og ved å holde planet som overflate.

Hultin, Petterson og Fellenius er inspirert av Collins ide om den krumme linjen til bruddfasiene i sammenhengende jord .

Estimatet av tillatt stress for et grunt fundament ble suksessivt forbedret fra Rankine i 1915 til Terzaghi i 1925 via Prantdl, Fellenius, Skempton ...

I 1955 perfeksjonerte Ménard en in situ ekspansjonstest som han kalte trykkmåler test , og assosierte med den en teori og spesifikke formler for beregning av fundament.

Beregningsmetoder

Siden XVIII th  århundre, har mekaniske fyllinger og grunnforhold suksessivt anvendes beregningsmetoder stadig mer sofistikerte, først grafikk og trigonometri, analytisk og numerisk endelig som nå blir brukt mer eller mindre sammen.

Måter

Vanligvis forsømmer geologiske feltobservasjoner, samler jordmekanikk feltdata ved hjelp av sonderinger, in situ- tester (penetrometer, trykkmåler ...) og laboratorium ( ødometer , triaksial test ...).

Teorier

Klassisk jordmekanikk, basert på Coulombs lov, modellerer oppførselen ved variable ytre krefter av et mineralmedium, monofasisk, uten fritt vann; Omformulerer mer eller mindre dyktig de gamle ved å variere de matematiske språkene, man tilpasser det på en eller annen måte til Terzaghis modell for oppførselen til et tofaset mineral akvifermedium, mye mer realistisk.

Ved hjelp av grafiske kurver for tidskraft-belastning er den kvalitative analysen av denne komplekse oppførselen mulig, men utilstrekkelig for å oppnå et bestemt resultat; for å gjøre det matematisk, er det nødvendig å analysere hvert trinn i oppførselen - elastisitet, plastisitet, brudd - ved hjelp av en teori som er for spesifikk for et standardproblem til å bli generalisert uten å måtte ty til kompliserte og dårlig begrunnede utviklinger; således, i den nåværende tilstanden av vår kunnskap, men sannsynligvis i det vesentlige, kan ikke en enhetlig teori om geomekanikk formuleres: dette er hva de fleste utøvere mente (Collin, Fellenius, Terzaghi ...), men ikke alltid teoretikerne ( Poncelet , Boussinesq , Caquot , ...) som har forsøkt å oppnå dette, uten hell frem til nå, bortsett fra kanskje Ménard med teorien om trykkmåler som faktisk bare gjelder bruken av denne enheten og den tilsvarende beregningsmetoden.

Teorien om elastisitet er basert på Hookes lov, proporsjonalitet av forholdet mellom kraft (C) / belastning (D) uttrykt av Youngs modul (E) av mediet, konstant hvis den maksimale økende kraften er lav nok til at belastningen er strengt reversibel når den synker: E ≈ C / D; det gjelder mer spesielt steinete materialer som ikke er veldig deformerbare.

Teorien om konsolidering ble foreslått av Terzaghi; det gjelder tofasede løse sandholdige leirmaterialer. Under den konstante virkningen av sin egen vekt i naturen eller under den av en ytre belastning, konsoliderer et slikt materiale mer og mer etter hvert som tiden går: dets hulromindeks og vanninnhold reduseres, dens tetthet og dets mekaniske styrke øker, dets permeabilitet avtar. Stammen er kjent som pseudoelastisk: stress / tøyningsforholdet er ikke konstant som Youngs modul for lineær elastisk oppførsel; det avhenger av poretrykket og dets variasjoner som igjen avhenger av materialets permeabilitet; varigheten av oppgjøret, men ikke verdien, avhenger også av permeabiliteten.

Teorien om plastisitet og brudd er basert på Coulombs lov; det gjelder mer spesielt løse, monofasiske sandleire-materialer. Det uttrykkes med en lineær formel som gjør det mulig å forutsi skjærfeil av et løst geomateriale under den kombinerte effekten av strekk (T) og kompresjon (N): T = c + N * tgφ, der c (kohesjon) og φ (friksjonsvinkel) er de konstante parametrene som er karakteristiske for materialet og dets kompakthet - faktisk er c og φ avhengig av N, og den representative kurven for denne funksjonen er en halvparabel kalt egenkurve for materialet som omdannes til en rett linje ved å glatte. Teoretiske beregninger kan bare brukes på rent gnidningsmedier hvis kohesjon er null eller på rent sammenhengende medier der friksjonsvinkelen er null; det er knapt noen slike virkelige geomaterialer.

Teorien om underjordisk hydraulikk er basert på Darcys lov  ; den sier at i et permeabelt granulært materiale er strømningshastigheten V (Q / S) og den hydrauliske gradienten i (Δh / L) lineært relatert av en empirisk og sammensatt konstant, permeabiliteten k (V = k * i) som vil avhenger bare av akvifermaterialet.

Jordsmonn

Geomekanikk reduserer alle naturlige geomaterialer til tre typer "jord", løse jordarter som mer eller mindre gni og / eller plast, og harde bergarter som er mer eller mindre elastiske. Jordsmonnene er løse geomaterialer, grus, sand og leire, muligens blandet i varierende mengder, hvis sammenheng er svakt; den avtar til den forsvinner (flytende) ved å øke vanninnholdet. Bergarter er kompakte og harde geomaterialer, hvis enkle trykkfasthet er større enn noen få MPa; den avtar og / eller forsvinner ved fysisk (hydrering), kjemisk (oppløsning) og / eller mekanisk (fragmentering) endring. Jordens tilstand og mekaniske oppførsel avhenger i hovedsak av vanninnholdet; de av en stein, dens grad av forvitring, sprekker og brudd.

Et mekanisk jordmedium består av mineralsk materie, vann og luft. Dens mineralsammensetning er uforanderlig; vanninnholdet er variabelt; påvirkning av luft blir neglisjert; mineralstrukturen er deformerbar. Den er preget av fysiske og mekaniske parametere, målt ved in situ tester og / eller på prøver som er eksperimenter som validerer anvendelsen av de tilsvarende mekaniske teoriene. De fleste av disse testene er standardiserte.

Fysiske parametere

De fysiske parametrene til en jord måles spesifikt på prøver som kan ha blitt endret ved identifikasjonstester.

Mekaniske parametere

De mekaniske parametrene er variablene i formlene for å beregne stabiliteten til skråninger, fundament osv. De er spesifikke for en teori, en beregningsmetode og en test (materiale og prosess), slik at det ikke er noe. Det er ikke mulig å etablere deres numeriske sammenhenger for samme jord. De måles spesifikt på såkalte “intakte” prøver; de er det aldri.

applikasjoner

Jordmekanikkproblemene er utallige, spesifikke for et sted, en struktur, en situasjon ... Mange forenkle hypoteser er nødvendige for å stille og løse dem; resultatene av beregningene er størrelsesordener.

Søknadsberegninger

Applikasjonsberegningene bruker modeller av veldig skjematiske geometriske eller numeriske former - to dimensjoner, linjer, sirkler osv., Bygget på lokale data, få i antall og ikke veldig presise - verdier av noen parametere som skal karakterisere mediet som representerer jorden (tetthet, friksjonsvinkel, kohesjon, permeabilitet ...) - og beregningsmetoder - integrering av svært komplekse feltligninger som i beste fall bare overflateutstyr er kjent. Dette pålegger innledende betingelser og forenklede grenser for mer eller mindre kompliserte, strengt deterministiske beregninger, til slutt redusert til en-til-en-formler - til en og samme årsak (kraft, trykk, begrensning osv.) Tilsvarer alltid strengt en og samme effekt. (forskyvning, deformasjon, flyt, etc.) -, hvis matematiske presise resultater bare er størrelsesordener; de reduseres derfor ved hjelp av en så liten som mulig "sikkerhetskoeffisient".

Stabilitet av fyllinger og støttemur

Stabiliteten til en naturlig skråning, veggene til en utgravning eller en "jord" dam, utgjør problemet med stabiliteten til en fylling, en mulig støtte og en drenering. Det kan løses analytisk ved hjelp av metoden på grunn av Rankine for skråningens kritiske høyde - høyde utover hvilken en skråning av gitt skråning er potensielt ustabil - og / eller Coulomb-hjørnet, eller grafisk og numerisk ved hjelp av metoden på grunn av Fellenius forbedret med Bishop skiver eller glir sikkerhetskoeffisient.

Fundamenter

Typen av fundamenter til en struktur - overfladisk (kontinuerlig fot, isolert fot, flåtefundament), halvdyp (brønn), dyp eller spesiell (forankrede peler, flytende peler) velges under hensyntagen til geologiske observasjoner (struktur av under - jord på stedet, geomaterialers natur, underjordisk vann osv.) mekaniske beregninger (stedformmodell, metode for måling av jordparametere - laboratorium, in situ osv.) og konstruktive forpliktelser (plassering, arkitektur, struktur osv.)

Bevegelsene som sannsynligvis vil påvirke fundamentet er elastiske eller konsoliderende bosetninger, hevelse, plastbrudd - tipping, punktering eller glidning; man må komme til enighet med bosetninger; hevelse kan unngås; det er viktig å unngå brudd; strukturenes stabilitet til bosetting har forrang over risikoen for at fundamentet deres går i stykker.

Bruddberegningene er basert på utvidelser av Coulombs teori og parametrene målt i Casagrande-boksen eller ved triaksialet: Rankine / Prandtl-metoden tillater beregning av den endelige belastningen til et overflatefundament ved å betrakte det som summen en dybdebegrensning og en overflate sikt; Terzaghi foreslo en "  omtrentlig metode  " med tanke på samhold. Oppgjørsberegningene er basert på Terzaghis teori og parametrene målt med ødometeret, brukt på elastisk likevekt i henhold til Boussinesq-metoden.

I følge Ménards teori fra trykkmåler-testen er bruddparameteren grensetrykket; det av oppgjøret er trykkmålerens modul.

Statiske og / eller dynamiske motstandsmålinger ved hjelp av penetrometre gjør det mulig å spesifisere lydende tverrsnitt, men kan ikke brukes direkte i beregningene.


Merknader og referanser

  1. Tekstene til disse standardene selges på Internett av AFNOR i butikken .
    • Identifikasjonstester *
      • NF P94-049-1 og 2 - Jord : gjenkjenning og testing - Bestemmelse av vanninnholdet i vekt
      • NF P94-050 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av vanninnholdet i vekt av materialer - Dampemetode
      • NF P94-051 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av Atterberg-grensene - Væskegrense ved koppen - Plastgrense ved valsen
      • NF P94-052-1 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av Atterberg-grenser - Del 1: likviditetsgrense - Metode for gjennomtrengningskjegle
      • NF P94-053 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av tettheten av fine jordarter i laboratoriet - Skjæreutstyr, mugg- og vanndypemetoder
      • NF P94-054 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av tettheten av faste partikler i jord - Metoden for vannpyknometer
      • NF P94-055 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av vektinnholdet i organisk materiale i jord - Kjemisk metode
      • NF P94-056 - Jord: gjenkjenning og testing - Partikkelstørrelsesanalyse - Metode ved tørrsikting etter vask
      • NF P94-057 - Jord: gjenkjenning og testing - Partikkelstørrelsesanalyse av jord - Sedimenteringsmetode
      • NF P94-059 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av minimum og maksimal tetthet av ikke-sammenhengende jord
      • NF P94-061-1 til 4 - Jord: gjenkjenning og testing - Bestemmelse av tettheten til et materiale på plass
    • Mekaniske laboratorietester *
      • NF P94-070 - Jord: gjenkjenning og tester - Triaksial revolusjon enhetstester - Generelt - Definisjoner
      • NF P94-074 - Jord: gjenkjenning og tester - Triaksial revolusjon apparattester - Apparat - Utarbeidelse av testprøver - Ukonsoliderte udrenert (UU) test - Udrenert konsolidert (Cu + U) test med måling av poretrykk - Consolidated Drained Assay (CD)
      • NF P94-071-1 og 2 - Jord: gjenkjenning og testing - Rettlinjet skjærprøve (fra Casagrande)
      • NF P94-077 - Jord: gjenkjenning og testing - Uniaxial kompresjonstest (motstand mot enkel kompresjon)
      • NF P94-072 - Jord: gjenkjenning og testing - Scissometrisk test i laboratoriet
    • Mekaniske tester in situ *
      • NF P94-110-1 - Jord: gjenkjenning og tester - Ménard trykkmåler test - Del 1: test uten syklus
      • NF P94-112 - Jordundersøkelse og testing - Scissometrisk test på plass
      • NF P94-113 - Jord: gjenkjenning og testing - Statisk penetrasjonstest
      • NF P94-114 - Geoteknikk - Jord: gjenkjenning og testing - Type A dynamisk penetrasjonstest
      • NF P94-115 - Geoteknikk - Jord: rekognosering og tester - Lyd med et dynamisk penetrometer type B
      • NF P94-116 - Jord: gjenkjenning og testing - Kjernefatpenetrasjonstest (SPT, Standard Penetration Test )
      • NF P94-130 - Jord: gjenkjenning og testing - Pumpetest
      • NF P94-131 - Jord: gjenkjenning og testing - Lugeon vanntest
      • NF P94-132 - Jord: gjenkjenning og testing - Lefranc vanntest

Se også

Bibliografi

Dokument brukt til å skrive artikkelen : dokument brukt som kilde til denne artikkelen.

Relaterte artikler

Eksterne linker