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...Par Études Géotechnique
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Dossier Technique : Soutènement - Résidence Les Sables
🛠️ Boîte à Outils
💡 Le Saviez-vous ?
La méthode de Rankine néglige le frottement sol-mur, sous-estimant souvent la capacité portante.

Outil

DOSSIER TECHNIQUE N° GEO-2024-042

Comparatif Méthode Rankine vs Éléments Finis (MEF)

Mission G3 : Étude d'Exécution
1. Contexte de la Mission PHASE : EXE
📝 Situation du Projet et Environnement

Le projet "Résidence Les Sables" consiste en la construction d'un immeuble d'habitation R+4 avec un niveau de sous-sol généralisé, situé en centre-ville de Dunkerque. Le site est caractérisé par un environnement urbain dense, bordé sur trois côtés par des voiries communales et sur le quatrième par un bâtiment existant R+2 fondé superficiellement (semelles filantes estimées à -1.00m/TN).

Pour réaliser le niveau de parking souterrain, une excavation de 6.00 mètres de profondeur par rapport au Terrain Naturel (TN) est nécessaire. Compte tenu de la nature pulvérulente du terrain (sable) et de la proximité immédiate des ouvrages avoisinants, la stabilité des parois de fouille est un enjeu majeur. Le choix technique s'est porté sur une technique de soutènement rigide : la **Paroi Moulée**, capable de limiter les déformations et d'assurer une étanchéité provisoire.

La nappe phréatique, bien que présente historiquement à -2.50m/TN, sera rabattue par pointes filtrantes sous le fond de fouille pour permettre les travaux à sec. L'étude se focalise donc sur le comportement du sol à court terme en phase provisoire "sèche".

🎯
Votre Mission : Validation des Hypothèses de Dimensionnement

Dans le cadre de la mission d'exécution G3, vous devez justifier le dimensionnement de la paroi moulée. La méthode traditionnelle (Rankine) a été utilisée pour le pré-dimensionnement, mais le maître d'ouvrage s'inquiète des tassements potentiels sous le bâtiment voisin. Votre mission est double :

  • 1. Calculer les efforts de poussée selon l'approche analytique classique (Rankine) pour vérifier la stabilité ELU (État Limite Ultime).
  • 2. Réaliser une contre-analyse numérique par Éléments Finis (Plaxis 2D) pour estimer les déplacements réels de la paroi (ELS - État Limite de Service) et juger de leur acceptabilité vis-à-vis des existants.
Fiche Signalétique du Chantier
  • 📍
    Localisation
    Dunkerque (59) - Zone Portuaire
  • 🏢
    Maître d'Ouvrage
    SCI Les Dunes
  • 🏗️
    Ouvrage
    Paroi Moulée - Épaisseur 60cm
  • ⚠️
    Classe de Conséquence
    CC2 (Risque Moyen)
🗺️ COUPE SCHÉMATIQUE DU PROJET
FOND DE FOUILLE (-6.00m) TERRAIN NATUREL (0.00m) H = 6.00 m D = 2.00 m Surcharge q = 10 kPa Poussée Active
[Note explicative : Paroi moulée ancrée dans le sable, avec surcharge en amont modélisant la voirie.]
📌
Note du Responsable Technique :

"Attention, ne sous-estimez pas l'effet du module de déformation du sol ! La méthode de Rankine est très bien pour calculer les aciers (ELU), mais elle ne nous dit rien sur les fissures potentielles chez le voisin. C'est là que le modèle MEF devient indispensable. Soyez critiques sur les résultats !"

2. Données Techniques de Référence

L'ensemble des paramètres ci-dessous définit le cadre normatif et géotechnique du projet. Ces données sont issues de la campagne de reconnaissance G2 (sondages pressiométriques et essais de laboratoire).

📚 Référentiel Normatif

L'étude doit être menée conformément aux standards européens en vigueur :

NF EN 1997-1 (Eurocode 7) : Calcul Géotechnique Fascicule 62 Titre V : Règles techniques de conception
EXTRAIT RAPPORT DE SOL G2

[Sondage S1-S3] LITHOLOGIE
0.00m à -15.00m : Sable fin des Flandres, dense, beige. Horizon homogène sur toute la hauteur du projet.

[Essais Labo] PARAMÈTRES INTRINSÈQUES
- Cohésion \(c' = 0\) kPa : Matériau purement frottant (pulvérulent).
- Angle de frottement \(\phi' = 32^\circ\) : Valeur caractéristique d'un sable moyennement compact.

[Hydraulique] NAPPE
Niveau EB (Eaux Basses) : -2.50m / TN. Rabattement actif à -8.00m / TN validé par pompage d'essai.

⚙️ Caractéristiques Géomécaniques Détaillées
SOL (SABLE)
Poids volumique (\(\gamma\))18 \( \text{kN/m}^3 \)
(Moteur de la poussée verticale)
Angle de frottement (\(\phi'\))32\(^\circ\)
(Résistance au cisaillement)
Cohésion (\(c'\))0 kPa
Module d'Young (\(E_{\text{ref}}\))30 MPa
(Rigidité élastique pour calcul MEF)
PAROI (BÉTON C30/37)
Épaisseur0.60 m
Poids volumique25 \( \text{kN/m}^3 \)
ComportementÉlastique Linéaire (Non-fissuré)
📐 Géométrie et Phasage

La géométrie de l'ouvrage a été définie pour assurer la stabilité hydraulique (bouchon de terre) et mécanique.

  • Hauteur d'excavation (H): 6.00 m (Du TN au fond de fouille).
  • Fiche mécanique (D): 2.00 m (Profondeur d'encastrement sous le fond de fouille).
  • Hauteur totale paroi: 8.00 m (H + D).
  • Largeur de fouille : Considérée comme infinie (ou > 20m) pour l'hypothèse de déformation plane (2D).
⚖️ Chargements et Sollicitations

Les actions à prendre en compte pour le calcul de la poussée sont :

Poids propre des terres (Action Permanente)\(\gamma = 18 \, \text{kN/m}^3\)
Surcharge d'exploitation (Action Variable)10 \(\text{kN/m}^2\)

Note : La surcharge de 10 kPa est une valeur forfaitaire réglementaire pour représenter la circulation de camions de chantier ou le stockage de matériaux en tête de talus.

VUE EN PLAN
VOIRIE (Surcharge q) BÂTIMENT R+2 EXISTANT FOUILLE Prof. -6.00m N
[Note : Implantation en site urbain contraint. Paroi moulée périphérique.]
MODÈLE DE COMPORTEMENT
σ' (Contrainte Normale) τ (Cisaillement) Rupture τ = σ' tan(φ') φ' = 32° c' = 0 σ'h σ'v
[Note : Critère de Mohr-Coulomb (\(c'=0\)). Le cercle représente l'état de contrainte à la rupture active.]
📐 SCHÉMA GLOBAL DE L'ANALYSE (MODÉLISATION MEF)
CLUSTER À EXCAVER (Phase 2) H = 6.00m Fiche Légende Modèle MEF Maillage (15 nœuds) Élément "Plate" (Béton) Interface (Rinter) Conditions Limites Paroi (Plate) Interface Sol/Struct.
Interprétation du Modèle : Ce schéma illustre la discrétisation du problème physique.
  • Le maillage transforme le milieu continu en éléments finis triangulaires.
  • Les conditions aux limites (rouleaux latéraux, encastrement fond) simulent l'extension infinie du sol.
  • L'interface (jaune) est cruciale : elle permet le glissement relatif entre le sol et le mur, simulant le frottement \(\delta\).

E. Protocole de Résolution

Voici la méthodologie séquentielle recommandée pour mener à bien cette étude comparative.

1

Définition du Modèle

Calcul des coefficients de poussée active (\(K_a\)) selon les hypothèses de Rankine.

2

Calcul Analytique (Rankine)

Détermination du diagramme des contraintes horizontales et de la force de poussée résultante.

3

Modélisation Numérique (MEF)

Simulation par phases (K0 -> Excavation) et extraction des efforts intégrés dans la paroi.

4

Analyse Comparative

Confrontation des résultats (Efforts et Déplacements) et conclusion sur la sécurité.

CORRECTION

Comparatif Méthode Rankine vs Éléments Finis (MEF)

1
Définition du Coefficient de Poussée
🎯 Objectif

L'objectif double de cette étape est de quantifier la réduction de contrainte horizontale et de déterminer l'état limite de rupture du sol.

1. Comprendre la physique de l'interaction sol-mur : Lorsqu'une paroi de soutènement se déplace (même infimement) en s'éloignant du massif de sol qu'elle retient, le sol subit une décompression latérale. Cette décompression permet de mobiliser la résistance au cisaillement interne du sol (frottement entre les grains), ce qui a pour effet direct de réduire la pression exercée par le sol sur la paroi. C'est ce qu'on appelle la "poussée active".

2. Fournir une donnée d'entrée clé pour le dimensionnement : Le coefficient \(K_a\) que nous allons calculer est le ratio minimal entre la contrainte horizontale effective (\(\sigma'_h\)) et la contrainte verticale effective (\(\sigma'_v\)). Il permet de transformer le problème géotechnique (poids des terres) en un problème structurel (charge linéique sur la paroi). Sans ce coefficient, impossible de dimensionner les aciers ou l'épaisseur du béton.

📚 Référentiel
Eurocode 7 - NF EN 1997-1 (Annexe C)

L'Eurocode 7 définit les méthodes de calcul des coefficients de poussée des terres. L'Annexe C fournit les formules analytiques pour \(K_a\) en fonction de l'angle de frottement, de l'inclinaison du talus et de l'inclinaison de l'écran.

🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Imaginez le sol comme un empilement de billes. Si vous retenez ces billes avec une planche et que vous reculez légèrement la planche, les billes vont chercher à s'écouler, mais elles vont aussi se frotter les unes aux autres. Ce frottement interne empêche l'écoulement total et réduit la force que vous ressentez sur la planche.

La logique est la suivante :

  1. État initial (Au repos, \(K_0\)) : Avant l'excavation, le sol est confiné. Il pousse fort sur les côtés. Pour un sable, \(K_0 \approx 0.5\).
  2. Déclenchement (Poussée active, \(K_a\)) : En creusant, la paroi fléchit vers le vide. Le sol derrière se détend. La contrainte horizontale chute jusqu'à un plateau : c'est l'état limite actif.
  3. Rôle de \(\phi'\) : Plus l'angle de frottement \(\phi'\) est élevé (sable anguleux, dense), plus les grains "s'accrochent" entre eux, et moins ils poussent sur la paroi. C'est pourquoi \(K_a\) diminue quand \(\phi'\) augmente.
\[ \sigma'_{\text{h}} = K_a \cdot \sigma'_{\text{v}} \]

Nous cherchons donc ce coefficient réducteur \(K_a\), qui sera nécessairement inférieur à \(K_0\) et inférieur à 1.

Rappel Théorique

La théorie de Rankine (1857) est une simplification de la théorie de Coulomb. Elle repose sur des hypothèses fortes qui facilitent le calcul mais qu'il faut garder à l'esprit :

  • Sol homogène et isotrope : Les propriétés sont les mêmes partout et dans toutes les directions.
  • Surface du sol plane : Pas de talus complexe.
  • Mur vertical : Pas d'inclinaison de la structure.
  • Interface Mur/Sol parfaitement lisse : C'est l'hypothèse clé. On suppose qu'il n'y a aucun frottement entre le béton et le sol (\(\delta = 0\)). Cela implique que la contrainte de poussée est parfaitement horizontale (parallèle à la surface du sol).

Dans l'espace des contraintes de Mohr, l'état actif correspond au cercle de Mohr qui est tangent à la droite de rupture intrinsèque du sol (définie par \(\phi'\)) tout en ayant la contrainte horizontale minimale possible (\(\sigma_3 = \sigma_h\)).

📐 Formule simplifiée de Rankine

Pour un mur vertical, un terrain horizontal (\(\beta=0\)) et un sol sans cohésion (\(c'=0\)), la formule issue de la trigonométrie du cercle de Mohr est :

\[ K_a = \tan^2\left(\frac{\pi}{4} - \frac{\phi'}{2}\right) = \frac{1 - \sin(\phi')}{1 + \sin(\phi')} \]

Signification des termes :
- \(\phi'\) : Angle de frottement interne effectif du sol (en degrés).
- \(\frac{\pi}{4}\) : Correspond à 45°, l'angle de cisaillement pur.
- Le terme \(\frac{1 - \sin}{1 + \sin}\) montre clairement que si \(\phi\) augmente, le numérateur baisse et le dénominateur augmente, donc \(K_a\) chute drastiquement.


Étape 1 : Données d'Entrée
ParamètreValeurSource
Angle de frottement \(\phi'\)32°Rapport G2 (Essai Triaxial)
Inclinaison talus \(\beta\)Hypothèse Terrain Plat
Inclinaison écran \(\lambda\)Paroi Verticale
Astuce

Pour un angle de frottement standard de 30°, \(K_a\) vaut exactement 1/3 (0.333). Avec 32°, le sol est de meilleure qualité, donc il se tient mieux. On doit s'attendre à trouver un \(K_a\) légèrement inférieur à 0.333 (probablement autour de 0.30).

Étape 2 : Application Numérique Détaillée

Nous allons calculer la valeur exacte en remplaçant \(\phi'\) par 32 degrés dans la formule de la tangente carrée.

1. Calcul de l'angle de rupture du plan de glissement

Le plan de glissement théorique dans le sol se forme selon un angle \(\alpha = 45^\circ - \phi'/2\) par rapport à la verticale.

Simplification de l'angle
\[ \begin{aligned} \alpha &= 45^\circ - \frac{\phi'}{2} \\ &= 45^\circ - \frac{32^\circ}{2} \\ &= 45^\circ - 16^\circ \\ &= 29^\circ \end{aligned} \]

Nous obtenons un angle intermédiaire de 29°. Cela signifie que le plan de rupture le plus critique fait un angle de 29° avec la verticale (ou 61° avec l'horizontale). C'est sur ce plan que le cisaillement est maximal.

2. Calcul du coefficient Ka

Nous calculons maintenant la tangente de cet angle de 29°, puis nous élevons le résultat au carré pour obtenir le coefficient de pression active.

\[ \begin{aligned} \tan(29^\circ) &\approx 0.554309 \\ K_a &= (\tan(29^\circ))^2 \\ &= (0.554309)^2 \\ &= 0.307258... \end{aligned} \]

Le calcul nous donne une valeur brute d'environ 0.307258. Ce coefficient est sans unité, car il représente un rapport de contraintes (horizontale sur verticale).

3. Résultat Final Arrondi

Pour la suite des calculs de dimensionnement, nous allons arrondir cette valeur à trois décimales, ce qui offre une précision suffisante pour le génie civil.

\[ K_a \approx \mathbf{0.307} \]

Interprétation physique : Ce résultat de 0.307 signifie que la paroi ne "ressent" que 30.7% du poids vertical des terres sous forme de poussée latérale. Le reste (près de 70%) est repris par le frottement interne du sol (auto-blocage des grains).

\[ \textbf{Ka = 0.307} \]
Analyse de Cohérence

Comparons ce résultat avec d'autres états pour vérifier sa vraisemblance :

  • État au repos (\(K_0\)) : La formule de Jacky donne \(K_0 \approx 1 - \sin(\phi') = 1 - \sin(32^\circ) \approx 1 - 0.53 = 0.47\).
  • Comparaison : On a bien \(K_a (0.307) < K_0 (0.47)\).

Ceci est tout à fait logique : la paroi se déplace, ce qui permet au sol de se détendre et de relâcher sa contrainte. Si nous avions trouvé un \(K_a > K_0\), il y aurait une erreur de calcul manifeste.

Points de Vigilance

Attention à l'utilisation de ce coefficient :

  • Paroi bloquée : Ne jamais utiliser \(K_a\) si la paroi est empêchée de se déplacer (ex: cadre rigide, paroi entre dalles, culée de pont rigide). Dans ce cas, le sol ne se détend pas et il faut utiliser \(K_0\), ce qui augmenterait les efforts de près de 50% !
  • Talus : Cette formule n'est valable que si la surface du sol est horizontale. Si le terrain remonte derrière le mur (talus), la poussée augmente considérablement et la formule simple ne s'applique plus.
2
Calcul Analytique des Efforts (Rankine)
🎯 Objectif

L'objectif de cette étape est de passer des contraintes (valeurs locales en un point, exprimées en kPa ou kN/m²) à une force résultante totale (exprimée en kN par mètre linéaire de paroi).

Cette force \(F_{\text{total}}\) est la grandeur fondamentale dont l'ingénieur structure a besoin pour :

  • Vérifier la stabilité globale de la paroi (basculement, glissement).
  • Dimensionner les éléments de support (tirants d'ancrage, butons).
  • Calculer les moments fléchissants dans le béton armé.
C'est l'étape d'intégration des pressions sur toute la hauteur excavée.

📚 Référentiel
Mécanique des Sols - Théorème des états correspondants
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

La contrainte horizontale totale en un point \(z\) (profondeur) est la somme des effets de toutes les charges verticales multipliées par le coefficient \(K_a\). Nous appliquons ici le Principe de Superposition car nous sommes dans le domaine élastique linéaire pour les contraintes.

Nous avons deux sources de charge distinctes :

  1. Le poids propre du sol : La contrainte verticale \(\gamma \cdot z\) augmente linéairement avec la profondeur (comme la pression dans une piscine). Cela va créer un diagramme de poussée triangulaire.
  2. La surcharge d'exploitation (\(q\)) : C'est une charge constante appliquée en surface (camions, stockage). Elle se transmet intégralement (selon Rankine) en profondeur. Cela crée un diagramme de poussée rectangulaire.
\[ \sigma'_{\text{h}}(z) = \underbrace{K_a \cdot \gamma \cdot z}_{\text{Terre}} + \underbrace{K_a \cdot q}_{\text{Surcharge}} \]

Nous allons calculer ces deux diagrammes séparément puis sommer leurs aires pour obtenir la force totale.

Rappel Statique : Intégration des Aires

En mécanique, la force résultante d'une pression répartie est égale à l'aire du diagramme de pression :

  • Diagramme Triangulaire (Poids du sol) :
    • Valeur à 0m = 0.
    • Valeur à Hm = Max.
    • Aire = \(\frac{1}{2} \times \text{Base} \times \text{Hauteur}\).
    • Point d'application de la force : Au centre de gravité du triangle, soit au tiers inférieur (H/3) de la base.
  • Diagramme Rectangulaire (Surcharge uniforme) :
    • Valeur constante de 0 à H.
    • Aire = \(\text{Base} \times \text{Hauteur}\).
    • Point d'application de la force : Au centre de gravité du rectangle, soit à mi-hauteur (H/2).
📐 Formules Intégration

Calcul mathématique de la résultante par intégrale de 0 à H :

\[ \begin{aligned} F_{\text{sol}} &= \int_0^H K_a \cdot \gamma \cdot z \, dz = \left[ \frac{1}{2} K_a \cdot \gamma \cdot z^2 \right]_0^H = \frac{1}{2} K_a \cdot \gamma \cdot H^2 \\ F_{\text{q}} &= \int_0^H K_a \cdot q \, dz = \left[ K_a \cdot q \cdot z \right]_0^H = K_a \cdot q \cdot H \end{aligned} \]

Étape 1 : Modèle Mécanique
ParamètreValeur
Hauteur Excavation H6.00 m
Coefficient Ka0.307
Poids Volumique \(\gamma\)18 \(\text{kN/m}^3\)
Surcharge q10 \(\text{kN/m}^2\)
Astuce

Vérifiez toujours vos unités pour éviter les erreurs grossières :
- \(\gamma \cdot H^2\) donne \(\text{kN/m}^3 \cdot \text{m}^2 = \text{kN/m}\).
- \(q \cdot H\) donne \(\text{kN/m}^2 \cdot \text{m} = \text{kN/m}\).
Tout est bien homogène à une force linéique (force par mètre de longueur de paroi).

Étape 2 : Calculs Détaillés

Nous décomposons le calcul pour isoler l'effet du poids des terres et l'effet de la surcharge.

1. Poussée due au poids des terres (Diagramme Triangulaire)

Calculons d'abord la pression maximale en bas de la fouille (à z = 6m), puis la force totale (aire du triangle).

\[ \begin{aligned} \sigma'_{\text{h,sol}}(H) &= K_a \times \gamma \times H \\ &= 0.307 \times 18 \times 6 \\ &= 0.307 \times 108 \\ &= 33.156 \, \text{kPa} \end{aligned} \]

La force est l'aire du triangle de pression (Base x Hauteur / 2).

Résultante Sol
\[ \begin{aligned} F_{\text{a,sol}} &= \frac{1}{2} \times \text{Base} \times \text{Hauteur} \\ &= 0.5 \times 33.156 \times 6 \\ &= 0.5 \times 198.936 \\ &= \mathbf{99.47} \, \text{kN/ml} \end{aligned} \]

Cela signifie que chaque mètre linéaire de paroi subit une poussée horizontale de 99.47 kN due uniquement au poids des terres.

2. Poussée due à la surcharge (Diagramme Rectangulaire)

La surcharge q de 10 kPa est transformée en une pression latérale constante.

\[ \begin{aligned} \sigma'_{\text{h,q}} &= K_a \times q \\ &= 0.307 \times 10 \\ &= \mathbf{3.07 \, \text{kPa}} \end{aligned} \]

La force est l'aire du rectangle de pression (Base x Hauteur).

Résultante Surcharge
\[ \begin{aligned} F_{\text{a,q}} &= \sigma'_{\text{h,q}} \times H \\ &= 3.07 \times 6 \\ &= \mathbf{18.42} \, \text{kN/ml} \end{aligned} \]
3. Résultat Final (Total)

Nous sommons les deux résultantes pour obtenir l'effort total à reprendre.

\[ \begin{aligned} F_{\text{total}} &= F_{\text{a,sol}} + F_{\text{a,q}} \\ &= 99.47 + 18.42 \\ &= \mathbf{117.89} \, \text{kN/ml} \end{aligned} \]

C'est la force totale théorique que la paroi doit contrer pour rester stable.

\[ \textbf{Force Analytique Totale : 117.9 kN/ml} \]
Analyse de Cohérence

Regardons la répartition des efforts :

  • Part du sol : ~100 kN/ml
  • Part de la surcharge : ~18 kN/ml

L'effort dû à la surcharge représente environ 15% de l'effort total. C'est un ordre de grandeur cohérent et rassurant : le poids propre du sol (avec sa masse volumique de 18 \(\text{kN/m}^3\)) est le facteur prépondérant devant une surcharge d'exploitation standard de 10 kPa (équivalent à 1 tonne/m²). Si la part de la surcharge était > 50%, il faudrait vérifier si la valeur de q n'est pas aberrante.

Points de Vigilance

Attention, ce calcul est fait dans une configuration idéale. Le risque majeur oublié ici est l'eau.

  • Si une nappe phréatique était présente (ex: à 3m de profondeur), il faudrait ajouter la poussée hydrostatique. L'eau pousse à 100% (\(K=1\)) et non à 30% (\(K_a=0.3\)) !
  • La pression de l'eau à 6m serait de 60 kPa, ce qui ajouterait une force triangulaire énorme (\(0.5 \times 60 \times 6 = 180\) kN/ml), doublant ou triplant l'effort total sur la paroi.
  • Toujours vérifier le niveau d'eau avant de valider un calcul Rankine "sec".
3
Modélisation Numérique (MEF)
🎯 Objectif

L'objectif de la modélisation numérique est de simuler le comportement réel du sol et de la structure pour dépasser les limites de l'approche analytique.

Rankine ne nous donne que des efforts limites à la rupture (ELU), mais il est "aveugle" sur deux points critiques :

  1. Les déplacements (ELS) : Rankine ne peut pas dire si la paroi va bouger de 1cm ou de 1m. Or, en ville, limiter le déplacement est crucial pour ne pas fissurer les bâtiments voisins.
  2. L'interaction sol-structure : Rankine néglige le frottement entre le sol et le béton. Or, ce frottement existe et modifie l'orientation des forces, ce qui est généralement favorable.
Le MEF (Méthode des Éléments Finis) permet de combler ces lacunes.

📚 Référentiel
Méthode des Éléments Finis (Plaxis 2D) - Théorie de l'Élasto-Plasticité
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Dans un logiciel comme Plaxis, le sol n'est pas modélisé comme un simple poids qui pousse, mais comme un milieu continu déformable avec une loi de comportement (élasticité + plasticité).

Le point clé est l'Interface : Nous définissons une zone de contact entre le béton (très rigide) et le sable (déformable). Le coefficient \(R_{\text{inter}}\) pilote le glissement dans cette zone :

  • Si \(R_{\text{inter}} = 1.0\), l'interface est "parfaite", aussi résistante que le sol. Le cisaillement se fera dans le sol.
  • Si \(R_{\text{inter}} < 1.0\) (notre cas), l'interface est une zone de faiblesse. Le cisaillement et le glissement se produiront préférentiellement le long du mur. C'est la modélisation physique du frottement pariétal.
\[ \tau_{\text{max,interface}} = R_{\text{inter}} \times (c' + \sigma'_{\text{n}} \tan \phi') \]

Le logiciel va calculer l'équilibre global en intégrant ces lois de comportement point par point, étape par étape.

Rappel Modélisation

Une bonne modélisation MEF nécessite :
1. Un maillage suffisamment fin, surtout près de la paroi où les gradients de contrainte sont forts.
2. Un phasage réaliste qui suit l'histoire du chantier : on génère d'abord les contraintes dans le sol vierge (\(K_0\)), puis on "construit" la paroi, puis on excave par passes successives. On ne peut pas "téléporter" le trou final d'un coup, car le chemin de contrainte influence le résultat plastique.

📐 Paramètre d'Interface et Frottement

Le paramètre \(R_{\text{inter}}\) réduit la tangente de l'angle de frottement. Calculons l'angle de frottement équivalent \(\delta\) :

\[ \begin{aligned} \tan(\phi') &= \tan(32^\circ) \approx 0.6249 \\ \tan(\delta) &= R_{\text{inter}} \times \tan(\phi') \\ &= 0.67 \times 0.6249 \\ &= 0.4187 \\ \delta &= \arctan(0.4187) \approx \mathbf{22.7^\circ} \end{aligned} \]

Avec \(R_{\text{inter}} = 0.67\), nous modélisons un frottement paroi-sol d'environ 22.7°, ce qui est réaliste pour du béton coulé en place contre du sable.


Étape 1 : Paramètres du Modèle MEF
ParamètreValeurCommentaire
Modèle SolMohr-CoulombComportement standard élasto-plastique
Interface (Rinter)0.67Permet le glissement actif mur/sol
Maillage15 nœudsÉléments triangulaires haute précision
Astuce

Toujours vérifier la phase initiale (K0 procedure). Si le modèle génère des points plastiques (points rouges) avant même d'avoir commencé à creuser, c'est que les paramètres initiaux (\(K_0\), \(\phi\)) sont incohérents.

Étape 2 : Résultats de la Simulation

Nous lançons le calcul des phases jusqu'à l'excavation finale à -6.00m. Nous utilisons l'outil "Cross-Section Curve" pour extraire les efforts.

1. Effort Normal Horizontal

Le logiciel intègre les contraintes normales \(\sigma'_n\) agissant perpendiculairement à l'interface côté terre. C'est le résultat direct de la simulation.

Résultat Brut MEF
\[ F_{\text{MEF}} \approx 108.5 \, \text{kN/ml} \]

Note : Cette valeur est la composante horizontale stricte (\(F_x\)).

2. Déplacements (Sortie Cruciale)

C'est l'information que Rankine ne pouvait pas donner. Nous regardons le déplacement horizontal maximal, qui se situe généralement en tête de paroi.

Déplacement Horizontal Max (\(u_{\text{x}}\))
\[ u_{\text{x,max}} \approx 18 \, \text{mm} \]

Interprétation : La paroi a bougé de 1.8 cm vers la fouille. Ce mouvement a suffi pour mobiliser la poussée active.

\[ \textbf{Force MEF : 108.5 kN/ml} \]
Analyse de Cohérence

Comparons les forces :

  • Force Rankine (Mur lisse) : 117.9 kN/ml
  • Force MEF (Mur rugueux) : 108.5 kN/ml

La force MEF est inférieure de 8%. C'est physiquement correct et cohérent. La prise en compte du frottement \(\delta\) (environ 22°) incline la poussée totale vers le bas. La composante horizontale devient \(P_h = P_{\text{total}} \cdot \cos(\delta)\). Comme \(\cos(22^\circ) < 1\), la force horizontale est réduite par rapport au cas lisse (\(\delta=0\)). Le modèle numérique est donc "moins sécuritaire" mais "plus réaliste" (plus économique).

Points de Vigilance

Sensibilité au Module d'Young (\(E\)) : Le déplacement calculé (18mm) dépend directement de la rigidité du sol \(E\). Or, \(E\) est le paramètre géotechnique le plus difficile à estimer (il varie avec la profondeur et la déformation).
Si on s'est trompé d'un facteur 2 sur \(E\) (ex: sol plus mou), le déplacement doublera (36mm), mais l'effort de poussée restera sensiblement le même (car l'effort est piloté par la rupture \(\phi'\), pas par l'élasticité). C'est pourquoi le MEF est robuste pour les efforts (ELU) mais sensible pour les déplacements (ELS).

4
Analyse Comparative & Conclusion
🎯 Objectif

L'objectif final est de faire la synthèse des résultats pour valider la conception de l'ouvrage. Il s'agit de prendre une décision d'ingénierie éclairée :
1. Quelle valeur de force utiliser pour le ferraillage de la paroi (Sécurité ELU) ?
2. Les mouvements prédits sont-ils acceptables pour les avoisinants (Service ELS) ?

📚 Référentiel
Eurocode 7 - États Limites (ELU / ELS)
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Nous sommes face à deux résultats légèrement différents issus de deux modèles :

  • Rankine (Analytique) : Modèle simplifié, hypothèse de mur lisse. Il donne une borne supérieure de la poussée horizontale. Il est conservatif (sécuritaire) pour la résistance car il néglige le frottement bénéfique qui retient le sol.
  • MEF (Numérique) : Modèle complexe, frottement réel. Il donne une poussée plus réaliste (plus faible) et surtout une estimation des déformations. Il est optimisé.
\[ P_{\text{a,MEF}} < P_{\text{a,Rankine}} \Rightarrow \text{Rankine est conservatif} \]

Le choix dépend de la philosophie du projet : économie maximale (prendre MEF) ou sécurité simplifiée (prendre Rankine).

Rappel Sécurité

En géotechnique, on dimensionne aux États Limites :
- ELU (État Limite Ultime) : On vérifie que la structure ne casse pas. On cherche les efforts MAXIMAUX.
- ELS (État Limite de Service) : On vérifie que les déformations ne sont pas gênantes. On cherche les déplacements RÉELS.

📐 Ratio de Déplacement Admissible

Pour évaluer si un déplacement est dangereux, on le normalise par la hauteur d'excavation H. En zone urbaine classique, les critères usuels sont :

\[ \frac{u_{\text{max}}}{H} \le 0.2\% \text{ à } 0.5\% \]

- < 0.2% : Très sûr, aucun dommage.
- > 0.5% : Risque de fissuration des chaussées ou bâtis mitoyens.


Étape 1 : Tableau Comparatif
MéthodeForce HorizontaleÉcartCommentaire
Analytique (Rankine)117.9 kN/mlRéférenceSurestimation (Hyp. lisse) - Sécuritaire
Numérique (MEF)108.5 kN/ml-8%Plus réaliste (Frottement) - Optimisé
Astuce

Un écart inférieur à 10% entre une méthode manuelle simple et un calcul numérique complexe est un excellent signe de robustesse de l'étude. Cela valide l'ordre de grandeur et montre qu'il n'y a pas d'erreur grossière de modélisation.

Étape 2 : Interprétation et Décision
1. Vérification ELU (Comparaison des Forces)

Calculons l'écart relatif en pourcentage pour quantifier la "marge" de Rankine. Cela nous aidera à décider quel modèle suivre.

\[ \begin{aligned} \text{Écart} &= \frac{F_{\text{Rankine}} - F_{\text{MEF}}}{F_{\text{Rankine}}} \\ &= \frac{117.9 - 108.5}{117.9} \\ &= \frac{9.4}{117.9} \\ &\approx 0.0797 \approx \mathbf{8\%} \end{aligned} \]

Décision : L'écart est faible (< 10%). Le modèle numérique valide l'ordre de grandeur analytique. Pour le ferraillage, utiliser 117.9 kN/ml est une approche prudente et justifiée.

2. Vérification ELS (Calcul du Ratio de Déformation)

Nous comparons le déplacement max à la hauteur de fouille pour obtenir un pourcentage sans unité, facile à comparer aux normes.

Calcul du Ratio
\[ \begin{aligned} H &= 6.00 \, \text{m} = 6000 \, \text{mm} \\ u_{\text{x}} &= 18 \, \text{mm} \\ \text{Ratio} &= \frac{18}{6000} \\ &= 0.003 \\ &= \mathbf{0.3\%} \end{aligned} \]

Diagnostic : Ce déplacement de 0.3% H est acceptable (généralement, on s'inquiète au-delà de 0.5% H). La paroi est suffisamment rigide.

\[ \textbf{Conclusion : Conception Validée (Rankine pour ELU, MEF pour ELS)} \]
Analyse de Cohérence

Si nous avions trouvé 50mm de déplacement (>0.8%), la conclusion aurait été "NON CONFORME". Il aurait fallu changer la conception : augmenter l'épaisseur de paroi pour gagner en inertie, ou ajouter des niveaux de butons pour bloquer le déplacement plus tôt.

Points de Vigilance

Tassements arrière : Attention, Rankine ne dit rien sur ce qu'il se passe derrière le mur. Le déplacement horizontal de la paroi (18mm) va nécessairement s'accompagner d'un tassement du sol en surface derrière la paroi (formation d'une cuvette de tassement).
En règle générale, le tassement vertical max est d'environ 50% à 70% du déplacement horizontal max. On peut donc s'attendre à ~10-12mm de tassement vertical juste derrière le mur. C'est un point critique à vérifier si des réseaux (gaz, eau) passent à cet endroit.

Synthèse Graphique : Comparaison des Mécanismes

Visualisation des différences fondamentales entre l'approche analytique (Rankine) et numérique (MEF).

Rupture Rankine (Théorique) Plan de glissement \(\alpha = 45^\circ + \phi'/2\) Poussée Rankine Horizontale (\(\delta=0\)) Bande de Cisaillement (MEF) Poussée MEF Inclinée (\(\delta \approx 2/3 \phi'\)) Déplacement \(u_x\)
🔴 Modèle Rankine
  • Suppose un mur parfaitement lisse.
  • Plan de rupture rectiligne.
  • Force horizontale (Maximise l'effort sur la paroi).
  • Ne calcule pas les déplacements.
🟢 Modèle MEF (Plaxis)
  • Intègre le frottement sol-mur (\(\delta\)).
  • Zone de rupture courbe (plus réaliste).
  • Force inclinée (Composante horizontale réduite).
  • Permet de vérifier les déformations (ELS).

📄 Livrable Final (Note de Calculs EXE)

ORIGINAL
BON POUR EXE
GC
Ingénierie des Sols & Fondations
12 Rue des Fondations, 75000 Paris
Projet : RÉSIDENCE LES SABLES
Mission : G3 - Exécution
Réf. Doc : NC-GEO-2024-042-A
Date : 24 Octobre 2023

NOTE DE CALCULS - PAROI MOULÉE

Comparaison Analytique / Numérique - Stabilité & Déformations
Ind. Date Objet de la modification Rédigé Vérifié
A 24/10/23 Émission originale (Comparaison Rankine/MEF) J. Doe A. Smith
Désignation Valeur / Paramètre Commentaire / Statut
1. HYPOTHÈSES GÉNÉRALES DE CALCUL
Sol (Sable des Flandres) \(\gamma=18, \phi'=32^\circ, c'=0\) D'après rapport G2
Surcharge d'exploitation \(q = 10\) kPa Voirie lourde
Interface Sol/Béton \(R_{\text{inter}} = 0.67\) Frottement \(\delta \approx 22^\circ\)
2. ANALYSE DES EFFORTS (ELU)
Coefficient de Poussée \(K_a\) 0.307 Calcul Rankine
Résultante Poussée (Analytique) 117.9 kN/ml Valeur Sécuritaire
Résultante Poussée (Numérique) 108.5 kN/ml Gain de 8%
3. ANALYSE DES DÉPLACEMENTS (ELS)
Déplacement Max en tête (\(u_x\)) 18 mm Issu du calcul MEF
Ratio de déformation \(u/H\) 0.3 % ✅ < 0.5% (Admissible)
Avis de l'Ingénieur

La conception est VALIDÉE. Le calcul analytique (Rankine) sera utilisé pour le ferraillage (ELU) par sécurité. Le calcul numérique (MEF) confirme que les déplacements restent compatibles avec les avoisinants (ELS).

Rédigé par :
Jean DOE
Ingénieur Géotechnicien
Vérifié par :
Alice SMITH
Chef de Projet
Visa Direction :
OK
Étude Géotechnique Comparative