Capacité portante du sol (avec schéma)

Pendant la saison des pluies, immédiatement après la pluie, lorsque nous entrons dans un sol ramolli par la pluie, notre chaussure pénètre dans le sol. La terre s'échappe sous notre chaussure et émerge sur les côtés de notre chaussure. Au cours de ce processus, nous perdons notre équilibre jusqu'à ce que le sol sous la surface supporte notre poids et nous procure une stabilité.

Le sol sous notre chaussure vient de «céder». Cette cession ou fuite de sol est appelée défaillance de capacité portante par les ingénieurs géotechniciens. La défaillance de la capacité portante est une défaillance par cisaillement. Il est donc essentiel de connaître la capacité portante de tout sol avant la construction de la structure.

Définitions:

(i) Fondation:

C'est la partie la plus basse de la structure qui supporte une structure.

ii) lit de fondation:

Le matériau sur lequel repose une fondation s'appelle un lit de fondation.

(iii) fondation peu profonde :

Lorsque la profondeur de la fondation est inférieure ou égale à la largeur de la fondation, on parle de fondation superficielle.

(iv) Fondation profonde:

Lorsque la profondeur d'une fondation est supérieure à la largeur, on parle de fondation profonde.

(v) capacité portante:

C'est la capacité de charge du sol.

vi) Capacité portante ultime (q _u ):

C'est la pression brute minimale à la base de la fondation à laquelle le sol manque en cisaillement.

vii) pression brute (q):

La pression brute est la pression totale à la base de la semelle en raison du poids de la superstructure, du poids propre de la semelle et du poids de la terre.

viii) intensité de pression nette (q _n ):

C'est la différence d'intensité de la pression brute et de la pression de surcharge d'origine. Si D est la profondeur de la fondation, alors q _n = q - yD

(ix) capacité portante ultime nette (q _nu ):

C'est l'intensité de la pression nette minimale qui provoque une rupture du sol par cisaillement.

Q _u = q _nu + yD

q _nu = q _u + yD

(x) Capacité portante sûre (q _s ):

C'est l'intensité maximale de pression que le sol peut supporter en toute sécurité sans risque de rupture par cisaillement.

q _s = q _ns + yD

= qnu / F + yD

où F est le facteur de sécurité

xi) capacité portante nette de sécurité (q _ns ):

C'est la capacité portante ultime nette divisée par un facteur de sécurité.

Q _ns = q _ns / F

xii) Capacité portante admissible (q _a ):

C'est l'intensité de charge nette à laquelle ni le sol ne présente de cisaillement ni un tassement excessif préjudiciable à la structure.

Concept de capacité portante:

Tous les ouvrages de génie civil, qu’il s’agisse de bâtiments, de barrages, de ponts, etc., sont construits sur des sols. Une fondation est nécessaire pour transmettre la charge de la structure sur une grande surface de sol. La fondation de la structure doit être conçue de manière à ce que le sol en dessous ne présente pas de cisaillement ni de tassement excessif de la structure. La méthode conventionnelle de conception des fondations est basée sur le concept de capacité portante.

La portance de la fondation est la charge maximale par unité de surface que le sol peut supporter sans défaillance. Cela dépend de la résistance au cisaillement du sol ainsi que de la forme, de la taille, de la profondeur et du type de fondation. La figure 9.1 présente une courbe typique de la charge par rapport au tassement d'une semelle. Il ressort clairement de la figure que, lorsque la charge en pied augmente, le tassement augmente également.

Le tassement augmente linéairement avec la charge au stade initial. En cas d'augmentation ultérieure de la charge, le tassement augmente plus rapidement, puis continue d'augmenter sans augmentation notable de la charge. Cette étape est appelée défaillance de la fondation, c'est-à-dire que le sol a atteint sa capacité de charge.

Pour éviter une défaillance de la portance de la fondation, il est essentiel de prendre en considération, avant la conception de la fondation, deux types d’action du sol soumis à une charge:

(i) La capacité portante doit être suffisamment faible pour que le tassement causé ne soit pas excessif.

(ii) La capacité portante doit être telle qu’elle ne provoque pas d’effort de cisaillement excessif.

Capacité portante des fondations peu profondes (analyse Terzaghi):

Hypothèses dans l'analyse de Terzaghi:

1. La semelle est dénudée à faible profondeur et à base rugueuse; (L> 5B, D> B, où L = longueur, B = largeur et D = profondeur de la semelle).

2. Le sol est homogène, isotrope # et relativement incompressible.

3. Les zones de défaillance ne s'étendent pas au-dessus du plan horizontal à travers la base de la semelle.

4. La zone élastique a des limites droites inclinées de = φ par rapport à l'horizontale et les zones plastiques complètement développées.

Aussi appelée équation générale de la capacité portante pour la semelle filante

q _u = CN _c + 0.5 γBNγ + qN _q

où q _u = capacité portante ultime

q = pression de surcharge à la base

= yD (utilisez γD, si submergé) C - cohésion du sol

γ = poids unitaire du sol au niveau de la base de la fondation

(utilisez γ de submergé)

B = largeur de fondation

D = profondeur de fondation

N _C, N _g et N _q sont des facteurs de capacité portante qui dépendent de φ (angle de frottement interne).

Capacité de charge d'après les codes du bâtiment:

Pour la conception préliminaire de toute structure et pour la conception des fondations de structures légèrement chargées, la capacité portante présumée peut être utilisée. Le tableau 9.1 indique les capacités portantes présumées sûres pour différents types de sol recommandés par le code national du bâtiment de l'Inde.

Note 1:

Les valeurs de capacité portante énumérées sont uniquement basées sur le cisaillement.

Note 2:

Les valeurs répertoriées dans le tableau sont très approximatives pour les raisons suivantes:

(i) Les effets de la profondeur, de la largeur, de la forme et de la rugosité de la fondation n'ont pas été pris en compte.

(ii) Les effets de l'angle de frottement, de la cohésion, de la nappe phréatique, de la densité, etc., n'ont pas été pris en compte.

(iii) L'effet de l'excentricité et l'indication des charges n'ont pas été pris en compte.

Note 3:

Sécher signifie que le niveau de la nappe phréatique est à une profondeur non inférieure à la largeur de la fondation sous la base de la fondation.

Note 4:

Pour la cohésion moins les sols, les valeurs indiquées dans le tableau doivent être réduites de 50% si la nappe phréatique est au-dessus ou à proximité de la base de la semelle.

Note 5:

La compacité de la cohésion moins les sols peut être déterminée en entraînant un cône de 65 mm de diamètre et d'angle au sommet à 60 ° avec un marteau de 65 kg tombant de 75 cm Si la valeur N corrigée pour une pénétration de 30 cm est inférieure à 10, le sol est appelé en vrac, si N se situe entre 10 et 30, il est moyen et s'il est supérieur à 30, le sol est dit dense.

Facteurs influant sur la capacité portante des sols

Les facteurs suivants affectent la capacité portante des sols:

(i) Type de sol:

ii) Caractéristiques physiques de la fondation

(iii) Propriétés du sol

(iv) Type de fondation

(v) nappe phréatique

(vi) montant du règlement

(vii) Excentricité du chargement.

(i) Type de sol:

La capacité portante des sols dépend du type de sol. En fonction du type de sol, la capacité portante du sol est différente, ce qui ressort clairement de l'équation de la capacité portante de Terzaghi.

q _u = CN _C + 0.5 yBNy + qN _q

Pour plus de cohésion, moins de sol

C = 0

Équation (9.1) réduire à

q _u = 0, 5 yBNy _, + qN _q

Pour un sol purement cohésif

= 0,

les valeurs des facteurs de capacité portante sont

Nc = 5, 7

Nq = 1 et Nγ = 0

L'équation (9.1) est alors

q _u = 5.7C + q

(ii) Caractéristiques physiques de la fondation:

Des caractéristiques physiques telles que la largeur, la forme et la profondeur de la fondation affectent la capacité portante des sols. Éq. 9.1 montre que la capacité portante des sols dépend de la largeur B et de la profondeur (D) de la fondation. Ainsi, tout changement dans la valeur de B et D de la fondation aura une incidence sur la capacité d'affichage.

La forme de la fondation affecte également la capacité portante qui est la suivante:

Pour les semelles carrées:

q _u = 1, 2 CNc + 0, 4 γBNγ + γDNq… (9.2)

Pour les semelles circulaires:

q _u = 1, 2 CN _C + 0, 3 γBNγ + γDN _q … (9.3)

où B est le diamètre de la semelle circulaire.

iii) Propriétés du sol:

Les propriétés du sol, telles que la résistance au cisaillement, la densité, la perméabilité, etc., affectent la capacité portante du sol. Le sable dense aura une capacité portante supérieure à celle du sable meuble, car le poids unitaire du sable dense est supérieur au sable meuble.

(iv) Type de fondation:

Le type de fondation choisi affecte également la capacité portante des sols. La fondation adoptée pour le radeau ou le tapis supporte la charge de la structure en toute sécurité en l'étalant sur une zone plus large, même si le sol a une faible capacité portante.

v) nappe phréatique:

Lorsque l'eau est au-dessus de la base de la semelle, le poids unitaire du sol immergé est utilisé pour calculer la pression des morts-terrains et la capacité portante du sol diminue de 50%.

Pour toute position de la nappe phréatique, la capacité portante générale peut être modifiée comme suit:

(vi) Montant du règlement:

La quantité de tassement de la structure affecte également la capacité portante du sol. Si le tassement dépasse le tassement possible, la capacité portante du sol est réduite.

(vii) Excentricité de chargement:

Si la charge agit de manière excentrée dans une semelle, la largeur "B" et la longueur "L" doivent être réduites comme indiqué en dessous.

B '= B - 2e

L '= L - 2e et

A '= B' X L '

La capacité portante ultime (qu) de telles semelles est déterminée en utilisant B 'et L' au lieu de 8 et L. Par conséquent, q _u est inférieur à celui qui correspond à la taille réelle de la semelle, comme indiqué à la figure 9.4.

Concept de répartition verticale des contraintes dans les sols en raison des charges de fondation:

Lorsqu'une masse de sol est chargée, des contraintes verticales se développent dans le sol. L'estimation des contraintes verticales en tout point de la masse de sol dues à une charge externe est d'une grande importance pour la prévision de la colonisation de bâtiments, de ponts, de digues et autres structures. Les contraintes dues à la charge externe sont maximales aux faibles profondeurs, proches de l'application de charge ponctuelle, et elles diminuent à mesure que la distance verticale en dessous de la charge ou la distance horizontale par rapport à la charge augmente.

La répartition des contraintes verticales dans une masse de sol dépend de:

(i) La nature de la charge, c'est-à-dire le mode de placement de la charge, la répartition de la charge et la forme de la zone chargée

(ii) Propriétés physiques du sol telles que le coefficient de Poisson, le module d'élasticité, la compressibilité, etc.

Pour déterminer les contraintes sous une fondation, il est généralement admis que le sol se comporte comme un milieu élastique ayant des propriétés identiques en tous points et dans toutes les directions. De nombreuses formules basées sur la théorie de l'élasticité ont été utilisées pour calculer les contraintes dans les sols. Une telle formule a été développée par Boussinesq (1885) pour les contraintes et déformations à l'intérieur d'une masse de sol dues à la charge ponctuelle verticale. Un scientifique britannique, Westergaard, a également proposé en 1938 une formule pour calculer la contrainte verticale dans la masse du sol due à la charge ponctuelle verticale.

Charge ponctuelle:

Formule de l'entreprise:

La formule de l'entreprise repose sur les hypothèses suivantes:

(i) La masse du sol est linéairement élastique, homogène, isotrope et semi-infinie.

(ii) La charge agit comme une charge concentrée verticale.

(iii) Le sol est sans poids.

L'équation de la contrainte verticale en un point, comme indiqué à la figure 9.5

Charge de ligne:

L'équation de la contrainte verticale due à une charge linéaire P ₁ par unité de longueur sur la surface en un point situé à une profondeur z et à une distance x latéralement, comme indiqué à la figure 9.6, est la suivante:

σ _Z = 2p ₁ /

z ³ / (x ² + z ² ) ²

Bande uniformément chargée:

L'équation pour la contrainte verticale due à une charge uniforme q sur une surface de bande de largeur B et de longueur infinie en termes de σ et de θ est illustrée à la figure 9.7:

σ _z = q / π (α + Sin αCos 2θ)

En dessous du centre de la bande, la contrainte verticale o à une profondeur z est donnée par

σ _Z = q / π (a + sin α) (θ est zéro et cos2θ = 1)

ou σ ₂ = ql oz

Les valeurs du facteur d’influence sont données dans le tableau 9.3.

Propriétés du sol régissant le choix du type de fondation:

Les propriétés de sol suivantes déterminent le type de fondation:

(i) Capacité portante du sol

ii) Tassement du sol

La connaissance de la capacité portante et du tassement du sol est essentielle pour la conception des fondations de toute structure. La fondation de toute structure doit être choisie de telle sorte que le sol en dessous ne présente pas de défaut de cisaillement et que le tassement se situe dans les limites admissibles.

Si la capacité portante du sol à faible profondeur est suffisante pour supporter la charge de la structure en toute sécurité, une fondation peu profonde est fournie. Une semelle isolée, une semelle combinée ou une semelle filante sont les options possibles pour les fondations superficielles. Les fondations profondes sont fournies lorsque le sol immédiatement sous la structure n'a pas une capacité portante suffisante. Pile, piliers ou puits sont les options pour les fondations profondes. Les fondations de tapis ou de radier sont utiles pour les sols soumis à un tassement différentiel ou lorsque la charge varie considérablement entre les colonnes adjacentes. Le tableau 9.4 indique la pertinence des fondations pour les bâtiments en fonction du type de sol.

Essais in situ pour la détermination de la capacité de charge ultime

Les essais in situ suivants peuvent être utilisés pour déterminer la capacité portante ultime ou la capacité portante admissible du sol:

a) Essais de charge sur plaque

b) Essai de pénétration standard

c) Essai dynamique de pénétration au cône

d) Essai de pénétration au cône statique

e) Test du manomètre

Test de charge de la plaque:

Le test de charge de la plaque consiste essentiellement à charger une plaque rigide au niveau de la fondation et à enregistrer les tassements correspondant à chaque incrément de charge. La capacité portante ultime est alors considérée comme la charge à laquelle la plaque commence à s’enfoncer rapidement. Les tailles minimales et maximales recommandées pour tester la plaque sont respectivement de 30 cm carré et 75 cm carrés. L'épaisseur de la plaque d'acier ne doit pas être inférieure à 25 mm. Alam Singh a recommandé que la taille de la plaque de test soit de 32 cm 2.

L’essai est réalisé dans une fosse de largeur égale à 5 fois la largeur de la plaque d’essai. Au centre de la fosse, un petit trou carré est creusé, dont la taille est égale à la taille de la plaque et le niveau inférieur de la fosse correspond au niveau de la fondation réelle.

Le chargement sur la plaque d’essai peut être appliqué par les deux méthodes suivantes:

a) Méthode de la plateforme de chargement par gravité

(b) Méthode de réaction en treillis

Le chargement des fermes de réaction est jugé pratique et prend moins de temps, donc généralement utilisé. À cette fin, une ferme en acier est ancrée au sol dans la fosse. Un vérin hydraulique avec un manomètre est placé entre le dessous de la ferme et la plaque de test. Au moins deux comparateurs, d'une précision de 0, 2 mm, sont utilisés pour mesurer le tassement de la plaque de test. Les comparateurs sont montés sur une barre de référence indépendante et touchent simplement la plaque de test.

Avant de commencer le test, une pression d'appui de 70 g / cm ² est appliquée sur la plaque (comme recommandé par IS 1888-1962). Il est ensuite retiré et les comparateurs sont mis à zéro. La charge est ensuite appliquée par incréments égaux cumulatifs; Disons environ 1/5 de la capacité portante sûre attendue ou 1/10 de la capacité portante admissible attendue. Le tassement doit être enregistré pour chaque augmentation de charge après un intervalle de 1, 4, 10, 20, 40 et 60 min et ensuite toutes les heures, jusqu'à ce que le taux de tassement devienne inférieur à environ 0, 02 mm par heure. Après cela, la charge est augmentée à la valeur immédiatement supérieure et le processus est répété.

Les essais ont continué jusqu'à ce que l'une des étapes suivantes soit suivie:

(a) Le tassement est plus rapide, ce qui indique une défaillance du cisaillement.

(b) La pression appliquée est supérieure à 3 fois la pression d'appui autorisée proposée.

(c) Le tassement total dépasse 10% de la largeur de la plaque de test. La charge est alors libérée. Si vous le souhaitez, vous pouvez effectuer une observation de rebond.

Interprétation:

Les observations d'intensité de charge et de tassement du test sont tracées, comme le montre la figure 9.11, dans l'échelle linéaire ainsi que dans l'échelle log-log. IS 1888-1962, recommande un tracé logarithmique donnant deux lignes droites dont l'intersection peut être considérée comme une rupture du sol. Lorsque le point de défaillance n'est pas clairement défini dans le graphique, une défaillance peut être supposée à un tassement de 10% de la largeur de la plaque. L'intensité de la charge correspondant au point de défaillance donne la capacité portante ultime et un facteur de sécurité de 2, 5 ou 3 sur la capacité portante ultime peut être utilisé pour obtenir la capacité portante du sol.

Effet de la taille de la plaque sur la capacité portante:

La capacité portante des sables et graviers augmente avec la taille de la semelle. La capacité portante obtenue à partir de l'essai de charge de la plaque pour les sols sableux sera différente de la capacité portante réelle de la fondation car la taille de la fondation sera supérieure à celle de la plaque. À toutes fins utiles, les données de test de charge de la plaque sont extrapolées pour obtenir la capacité portante de la semelle réelle.

Pour les sols sableux :

q _uf = q _jusqu'à × B _F / B _P

où

q _uf = capacité portante ultime de la semelle réelle

q _up = capacité de charge ultime d'après l'essai de charge de la plaque

B _f = largeur de la semelle

B _p = largeur de la plaque

Pour les sols argileux

q _uF = q _up

Effet de la taille de la plaque sur le tassement :

Le règlement de pied varie avec sa taille. Ainsi, le tassement obtenu à partir de l’essai de charge de la plaque peut ne pas être identique à celui de la semelle réelle.

Les relations suivantes sont utilisées pour déterminer le règlement de l'assise réelle:

Pour les sols argileux:

S _F = S × B _F / B _P

S _p = tassement de la semelle réelle en mm

S _p = tassement à partir de l'essai de charge de la plaque dans

B _f = Largeur de la semelle en mètres

B _P = largeur de la plaque en mètres

Pour les sols sableux:

S _F = S _P [B _F (Bp + 0, 3) / B _p (B _F +0, 3)] ^-2

Limites:

(1) Les données de test de charge de la plaque ne reflètent les caractéristiques du sol qu’à une profondeur égale à deux fois la largeur de la plaque. Comme la fondation réelle est plus grande que la taille de la plaque, l’essai de charge de la plaque ne représente pas vraiment l’état réel du sol dans le cas d’un sol non homogène, comme le montre la figure 9.12.

(ii) Le test de charge de la plaque est essentiellement un test de courte durée (exécuté en quelques heures). Par conséquent, aucune indication d'un tassement de consolidation à long terme dans les argiles n'est obtenue.

(iii) Il ne faut pas compter sur cet essai pour obtenir la capacité portante ultime des sols sableux, car l'effet d'échelle donne des résultats très trompeurs.

(iv) La proximité de la nappe phréatique peut être influencée par la semelle et non par la plaque d’essai, l’immersion ayant pour effet de réduire de 50% la capacité portante des sols granulaires.

Capacité portante basée sur le test de pénétration standard (SPT):

Dans le cas de sols sans cohésion, les résultats SPT sont utilisés pour déterminer la capacité portante ultime des sols par les méthodes suivantes:

(i) En utilisant le tableau donné par Peck, Hanson et Thornburn :