TP Cisaillement Laboratoire Materiaux

UE3 MODULE G2 Travaux pratiques de géotechnique - / 8

ESSAI DE CISAILLEMENT

Année universitaire 2006-2007 Paillier C. IUT St Pierre –Département Génie civil

ESSAI DE CISAILLEMENT SUR

UN SOL PULVERULENT Norme NF P 94-071-1

A. BUT DE L’ESSAI : Il s’agit de déterminer expérimentalement la courbe intrinsèque d’un sol pulvérulent puis d’en déduire les paramètres de cisaillement qui permettent d’estimer par exemple la contrainte de rupture sous une fondation superficielle.

A.1- Le cisaillement d’un sol : - L’étude au laboratoire, des déplacements des grains d’un sol sous une fondation montre la formation d’un coin rigide sous la fondation. A l’intérieur de ce coin, les grains s’enfoncent verticalement sans mouvements des uns par rapport aux autres. - Le schéma mécanique adopté est donc le suivant :

Sol en mouvement

SOL FIXE

Sol en mouvement

σrésultante

glissementτ

σ poids des terres

Coin rigide de sol

σ: due au poids des terres.

τ: due au mouvement des grains par rapport au sol fixe.

Ce plan est le plan de MOHR. n: normale à la surface dirigée vers l’intérieur. t: tangente à la surface (sens trigonométrique).

Ligne de glissement

σ

βM

t

τ

n




On définit la notion de facette: Par analogie au frottement solide-solide, nous pouvons pour une contrainte normale (σ) donnée, appliquer une contrainte tangentielle limiteτ lim: Au-delà de cette valeur ( τ >τ lim ), il y aura glissement. La valeur de l’angle limite ( β lim ) s ’appelle: ANGLE DE FROTTEMENT INTERNE DES GRAINS. Il

est noté: φ.

1 Quelle relation existe-t-il alors entre la contrainte normale (σ) en 1 point et la

contrainte tangentielle (τlim) en ce même point ? Cette relation s’appelle le critère de COULOMB: La courbe intrinsèque du sol représente ce critère dans le plan de MOHR

L’essai de cisaillement rectiligne permet de mesurer la valeur de l’angle de frottement interne

d’un sol : on impose une contrainte normale (σ) puis on cisaille le sol. La valeur de τlim est

alors connue. La représentation dans le plan de Mohr permet de trouver la valeur de φ. A.2 - Estimation de la contrainte de rupture du sol sous une fondation superficielle:

B x L

D

Contrainte de rupture des sols PULVERULENTS : qu = 1

2 Sγ B Nγ . γ1 + Sq . γ2 .D Nq

- B : largeur de la fondation. - L : longueur de la fondation. - γ1: poids volumique apparent du sol sous la fondation (sec, humide ou déjaugé). - γ2: poids volumique apparent du sol au dessous du fond de fouille (sec, humide ou déjaugé). - D : profondeur d’encastrement de la fondation. - Sq = 1 et Sγ = (1 - 0,2 B/L) sont les facteurs de forme pour une fondation rectangulaire - Nγ, Nq sont des paramètres sans dimension, dépendant de la valeur de l’angle de frottement interne du sol.

z

M

Facette: Petit élément de surface

z

A B

γ d

γ2

γ1

Attention à la position de la nappe




APPLICATION : Vous venez de déterminer l’angle de frottement interne du sol (pulvérulent) devant supporter une fondation superficielle : φ = 30° Les dimensions envisagées de la semelle sont 0,5m(B)x 1,00m(L) et la profondeur d’encastrement (D) est de 1m. Le poids volumique sec du sol est de 18 kN/m3 .

2 Calculer la contrainte de rupture q’u sous cette fondation dans les 2 cas suivants : - la nappe est située à grande profondeur - la nappe est située à 1m sous le terrain naturel (wsat = 15%)

3 Calculer aux ELU la contrainte admissible du sol : q’ELU = oq

ou qqq ''' +−γ avec γq = 2

et q’0 = contrainte naturelle à la profondeur D (avant travaux). En déduire l’effort maximal à appliquer sur la fondation (dans les 2 cas)

CALCUL A LONG TERME POUR LES SOLS COHERENTS




B. PRINCIPE DE L’ESSAI : Dans l’essai de cisaillement à la boîte de Casagrande, on cherche à provoquer la rupture de l’échantillon suivant un plan imposé.

C. QUESTIONS : Etude de la norme NF P 94071-1:

1. Expliquer l’objectif et le principe général de l’essai de cisaillement 2. A quels types de sols s’applique cet essai ? Donner la dimension maximale des grains si on utilise une boîte carré de 100 mm de coté. 3. Définir les différents éléments constituant l’appareillage (schéma, désignation) 4. Décrire les opérations successives pour réaliser un essai de cisaillement sur un sol pulvérulent ? 5. A quel moment un essai est-il considéré comme terminé ? 6. Quelles sont les mesures effectuées pendant l’essai ? Avec quels appareils ? 7. Quelle est la vitesse d’essai pour un sol pulvérulent ? 8. Définir les contraintes appliquées au milieu du plan de cisaillement d’un sol pulvérulent avant, pendant puis à la fin du cisaillement ? Schémas ? Représenter l’évolution de ces contraintes dans le plan de Mohr. 9. Nous ne réaliserons que des essais sur des sables fins tamisés (sable 0- 0,4 mm) : - Quelle doit-être la hauteur (max et mini) de l’éprouvette de sable une fois confectionnée? 10. Nous utiliserons une boite de 100 mm x 100 mm : - Quel sera le volume occupé par le sol ? - Si ce sable, une fois mis sous charge a une valeur de poids volumique égale à 15 kN/m3

Quelle masse de sable prévoir pour l’échantillon?

D. PREPARATION DE L’ESSAI : Avant de réaliser tout essai, demander le contrôle du professeur. a. Prendre connaissance du manuel d’utilisation de la machine de cisaillement et effectuer les

réglages.

4 La vitesse de cisaillement a t’elle une influence sur les résultats de votre essai ? Justifiez votre réponse b. Peser à vide l’ensemble « boîtes, plaques et piston ». Relever les dimensions intérieures

des boîtes.

L’échantillon est placé dans une boîte constituée de deux parties qui peuvent glisser horizontalement l’une sur l’autre. On applique à l’échantillon un effort normal de compression N, verticalement, par l’intermédiaire d’un piston et un effort tranchant T, horizontalement, en déplaçant la demi-boîte inférieure. Un comparateur mesure la variation de hauteur de l’échantillon.




c. Expliquer par un schéma mécanique le fonctionnement du bâti d’application des forces. d. En déduire la relation entre la contrainte appliquée sur l ‘échantillon par le piston et le poids

placé sur le plateau du bâti de chargement.

5 Il vous est demandé d’appliquer sur l’éprouvette les contraintes suivantes : 50 kPa, 100 kPa et 200 kPa. - A quels efforts ces contraintes correspondent-elles ?

E. MISE EN PLACE D’UN ECHANTILLON DE SABLE FIN :

a. Préparer environ 1 kg de sable sec tamisé à 0- 0,4 mm. b. Solidariser les 2 demi boîtes et vérifier que le piston coulisse bien dans la demi boîte (à

chaque boîte correspond un piston repéré par un numéro) c. Mettre en place une plaque dans le fond de la demi- boîte inférieure d. Remplir la boîte avec du sable compacté ou non (voir mode opératoire §E). Le plan de

cisaillement doit se trouver sensiblement à mi hauteur de l’éprouvette (Après mise en place le piston doit dépasser de 1cm).

e. Araser avec soin la surface du matériau et placer la plaque supérieure et le piston. f. Déterminer la hauteur et la masse initiale de l’échantillon. En déduire son poids volumique. Nota : la hauteur de l’échantillon sera déterminée en mesurant la différence de cotes entre les niveaux de la boîte et du piston (faire les mesures au réglet dans chaque coin de la boîte) g. Ramener à sa position initiale l’embase, placer et immobiliser la boîte sur le bâti de

cisaillement. h. Visser l’anneau dynamométrique à la demi-boîte supérieure. Annuler le jeu. Arrêter de

tourner dés que l’aiguille de l’anneau accuse un léger déplacement. Resserrer le contre écrou. Régler le comparateur de l’anneau à zéro

i. Placer l’étrier de chargement sur le piston. Régler l’horizontalité du bras de levier puis placer le comparateur et le mettre à zéro

j. Charger le plateau et noter le tassement éventuel. Vérifier la vitesse de cisaillement. k. RETIRER LES 2 VIS DE SOLIDARISATION l. Serrer légèrement les 2 vis de « soulèvement ». puis les ramener dans leur position

antérieure. Ceci a pour effet de soulever la partie supérieure de la boîte et de supprimer ainsi son frottement sur la partie inférieure

m. L’échantillon est alors prêt pour l’essai.

F. MODE OPERATOIRE D’UNE SERIE D’ESSAI:

Préparer 3 boîtes de cisaillement identiques : les échantillons d’une même série doivent avoir sensiblement le même poids volumique (donc la même compacité)

Pour obtenir une faible compacité, déverser rapidement le sable dans la boîte

et aplanir sa surface sans tasser.

Pour obtenir une compacité maximum, piquer le sable en procédant par couche successive.

6 La compacité initiale a-t-elle une influence sur la résistance au cisaillement d’u sol sableux ?




Mettre en place la boîte n°1 sur le bâti (voir §D) et procéder à l’essai n°1 (50 kPa).

Reporter les indications des comparateurs sur la fiche de relevé fournie.

Arrêter l’essai lorsque l’effort de cisaillement a atteint un pallier.

Ramener à zéro l’anneau dynamométrique en dévissant. Enlever la boîte.

Procéder de même aux essais sur les boîtes n°2 (100 kPa) et n°3 (200 kPa)

. G. ESSAIS A REALISER:

Chaque groupe effectuera deux séries de 3 essais :

1ère série : sur du sable sec Réaliser les 3 essais suivant le mode opératoire du §E Vous préciserez la compacité choisie : FAIBLE ou FORTE

2ème série : sur du sable légèrement humide ou saturé (Préparer vos échantillons légèrement humide avec une teneur en eau de (15%), puis réaliser les 3 essais suivant le mode opératoire du §E Nota : déterminer la teneur en eau des échantillons à la fin de chaque essai

H. EXPLOITATION DES MESURES:

1 Pour chaque essai : Tracer sur un même graphique les courbes :

- τ = f (Δl) avec τ contrainte de cisaillement et Δl déplacement en mm. En déduire τlim.

- Δh = f (Δl) avec Δh : variation de hauteur de l’échantillon en mm. Commentaire. .

2 Pour chaque série d’essai : Tracer la courbe intrinsèque du sol (de pallier et de pic éventuellement). Déterminer l’angle de frottement interne correspondant. Tracer le cercle de Mohr à la rupture pour la contrainte normale = 100 kPa Déterminer la direction des contraintes principales au début puis à la fin de l’essai.

3 Comparez et commentez les résultats obtenus lors des 2 séries d’essais.

I. COMPTE RENDU :

Etablir un compte rendu complet comprenant en particulier :

Une description succincte du matériel et des essais réalisés Des remarques sur les problèmes rencontrés Les procès verbaux d’essais (voir modèle en annexe) L’exploitation des mesures (courbes avec échelle adaptée, détails de calculs, tableaux

de résultats). L’utilisation d’un tableur est conseillé. Toutes réponses, commentaires et conclusion.

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