Résistance au cisaillement

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1 Résistance au cisaillement
Essai de cisaillement direct : Le principe de l'essai classique est d'appliquer une contrainte normale à une éprouvette relativement mince et de provoquer un cisaillement dans un plan normal par application d'une contrainte tangentielle  croissante jusqu'à rupture. L'essai est recommencé deux ou trois fois avec des contraintes normales  différentes, pour pouvoir tracer une courbe intrinsèque.

2 Appareil de cisaillement direct
Essai simple et ancien Procédure • cisaillement direct rectiligne sur un plan imposé • éprouvette de sol entre 2 demi-boîtes • déplacement horizontal à vitesse constante d'une des boîtes • effort normal • force de cisaillement mesurée par un anneau dynanométrique • mesure de la variation de hauteur

3 - On trace  = f() pour chaque 
- on détermine  max pour chaque  grafiquement - on trace  max = f(). On détermine  et c.

4 Avantages et inconvénients de l'essai de cisaillement direct
• simple • rapide • économique Inconvénients • pas de maîtrise des conditions de drainage • concentration de contraintes aux extrémités de la boîte • rotation des plans principaux

5 • Pendant l'essai - σn constant
Rotation des plans principaux Conditions initiales σn et σh contraintes principales pression latérale • Pendant l'essai σn constant - cisaillement provoqué en tirant sur une demi-boîte • À la rupture - plan de rupture horizontal - σn n'est plus une direction principale rotation des axes principaux Remarques - angle de frottement interne - sol fin : 2 essais nécessaires

6 • Pour trouver les contraintes principales
contraintes appliquées sur un sol horizontal par l'intermédiaire d'une charge Centre du cercle Rayon du cercle d'où

7 Compression TRIAXIALE
Essai de compression triaxiale ou de cisaillement triaxial ou simplement essai triaxial  définir les caractéristiques de résistance des sols et des matériaux rocheux essai de compression triaxiale axisymétrique : 2 = 3 essai de compression triaxiale vraie ou essai de compression multiaxiale : 2 # 3

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10 Orientation des plans de rupture
non imposés

11 Types d'essais Avant le début de l'application de l'effort de cisaillement F, l'éprouvette peut être non consolidée (NC ou U) ou consolidée (C). Lors du cisaillement, on peut maintenir : soit la pression interstitielle constante (égale à la pression initiale imposée, nulle ou égale à une valeur appelée contre-pression). L'essai est alors dit drainé (D) et les variations de volume d'eau sont mesurées; soit le volume d'eau interstitielle constant, l'essai est alors dit non drainé (ND ou U) ; la pression interstitielle est alors généralement mesurée. Dans ce cas, l'essai peut être plus rapide.

12 la combinaison de ces possibilités conduit à trois types d'essais :
essais consolidés drainés, désignés par (C, D) ; essais consolidés non drainés, désignés par (C, ND) ou par (C, U); essais non consolidés non drainés, désignés par (NC, ND) ou par (U, U) ou encore par Q (quick).

13 Le type d'essai sera choisi pour répondre au mieux aux conditions réelles :
état de consolidation échantillons non consolidés pour des remblais nouveaux; échantillons consolidés sous les contraintes correspondantes à la profondeur pour l'étude de la stabilité d'un massif dans les conditions naturelles ou après déchargement; échantillons consolidés sous contraintes réelles pour l'étude de la stabilité d'un massif après consolidation; échantillons consolidés sous pression latérale d'essai si conditions non définies.

14 état de drainage en cours d'essai
essais drainés (ou à défaut non drainés avec mesure de la pression interstitielle) pour des calculs de stabilité à long terme sur les matériaux peu perméables et dans tous les cas pour les matériaux perméables; essais non drainés pour les calculs à court terme en contraintes totales pour des matériaux très peu perméables et saturés ou essais non drainés avec mesure de u pour les calculs à court terme en contraintes effectives si les u in situ sont connus.

15 Pour les contraintes habituelles dans les travaux de génie civil (souvent inférieures à 1 MPa), pour une plage de contraintes d’étendue relativement limitée, la courbe est quasi linéaire, son équation s'écrit : f = c' + ’ tg ’ ou f = cu +  tg u

16 Les caractéristiques de résistance sont définies par les ordonnées à l'origine, nommées cohésion effective c’ ou cohésion apparente cu et par les pentes caractérisées par l'angle de frottement interne effectif ’ ou l'angle de frottement apparent u. Les terrains non cohérents (sans cohésion ou non cohésifs) sont caractérisés par des droites intrinsèques passant par l'origine (c’ = cu = 0). Les sols purement cohérents (ou cohésifs) sont définis par une courbe intrinsèque horizontale (’= u = 0) d'ordonnée cu qui est nommée dans le cas d'un sol saturé et non drainé, cohésion non drainée.

17 Les caractéristiques en contraintes effectives ’ et c' sont pratiquement indépendantes du type de cisaillement, ce sont donc les caractéristiques qui doivent être considérées comme intrinsèques. Les caractéristiques en contraintes totales dépendent de l'évolution de la pression interstitielle et donc du type d'essai; elles sont une combinaison des caractéristiques intrinsèques du squelette du sol et de l'eau interstitielle. Elles ne devraient donc être utilisées que lorsqu'elles sont les seules données connues ou dans certains cas particuliers. Les concepts de cohésion et d'angle de frottement sont des notions définies théoriquement pour représenter l'équation de la courbe intrinsèque du sol assimilée à la droite ; considérer c' et ’ comme des caractéristiques mécaniques dissociables n'a pas de fondements réels, il est plus logique de considérer la notion globale de résistance au cisaillement f.

18 Cas des sols granulaires ou à frottement interne (sables et graviers)
Pour les sables et les graviers, la résistance au cisaillement a deux origines principales: la résistance au frottement des grains sur les grains (due à la friction et aussi au roulement); la résistance due à l'enchevêtrement.

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20 Valeurs habituelles des angles de frottement ’f et ’R des matériaux non cohérents correspondant respectivement aux résistances maximum (de pic) et résiduelle : (en degrés).

21 Cas des sols cohérents – argiles
Pour les sols cohérents (il s’agit principalement des argiles et des sols argileux), il est primordial de faire la différence entre les caractéristiques intrinsèques (’, c') correspondant à l'état des contraintes effectives ou à un cisaillement drainé et les caractéristiques apparentes relatives aux contraintes totales obtenues par un essai non drainé (u , cu).

22 Dans le cas d'un sol complètement saturé et d'un essai non drainé sur matériau vierge, le déviateur des contraintes (1 - 3) à la rupture est indépendant de la pression interstitielle initiale. Les changements de volume sont négligeables. Le sol a un comportement parfaitement plastique, la résistance au cisaillement est indépendante des contraintes normales totales, dans ce cas u = 0 , et u = 3. Le déviateur (1-3) étant indépendant de la pression interstitielle u et la contrainte effective ’3 = (3 - u) étant nulle, un seul cercle peut donc être tracé en contraintes effectives.

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24 Dans le cas d'éprouvettes saturées de sols argileux, consolidées sous ’c = ’3, le comportement lors d'un cisaillement non drainé est différent suivant que :  ’c > la contrainte de préconsolidation ’p, l'éprouvette est alors normalement consolidée sous ’c et f est proportionnel à ’c ;  ’c < ’p ; l'éprouvette est alors surconsolidée sous ’p et f > à la résistance d'une éprouvette normalement consolidée.

25 La courbe de f en fonction de ’c, est formée de deux tronçons; le premier, une courbe, pour les échantillons surconsolidés et le second, une droite, passant par l'origine pour les essais normalement consolidés.