ÉTUDE GÉOTECHNIQUE

Influence de la Variation de la Nappe Phréatique

Mécanique des Sols : Influence de la Variation de la Nappe

Influence de la Variation de la Nappe Phréatique

Comprendre l'Impact des Fluctuations de la Nappe

La position de la nappe phréatique a une influence directe et majeure sur le profil de contrainte effective dans un massif de sol. Une remontée de la nappe augmente la pression interstitielle, ce qui réduit la contrainte effective supportée par le squelette solide. Cette réduction peut diminuer la résistance au cisaillement du sol et augmenter les tassements. Inversement, un rabattement de nappe (baisse du niveau) augmente la contrainte effective. La maîtrise de ce phénomène est cruciale pour la stabilité des fouilles, des talus et des fondations.

Données de l'étude

On étudie un massif de sol homogène sur une grande profondeur, constitué d'un sable. Les caractéristiques du sol sont les suivantes :

  • Poids volumique total (humide) : \(\gamma_t = 18.5 \, \text{kN/m}^3\).
  • Poids volumique saturé : \(\gamma_{\text{sat}} = 20.0 \, \text{kN/m}^3\).

Scénario 1 (État Initial) : La nappe phréatique est située à une profondeur de 3.0 m sous la surface.

Scénario 2 (État Final) : Suite à de fortes pluies, la nappe phréatique remonte et se stabilise au niveau de la surface du sol (à 0 m de profondeur).

On prendra le poids volumique de l'eau \(\gamma_w = 9.81 \, \text{kN/m}^3\).

Schéma : Variation du Niveau de la Nappe
État Initial 0 m -3 m -8 m État Final (Remontée) Nappe

Comparaison du profil de sol avant et après la remontée de la nappe phréatique.

Questions à traiter

  1. État Initial : Calculer la contrainte effective (\(\sigma'_{initiale}\)) à une profondeur de 8.0 m.
  2. État Final : Calculer la contrainte effective (\(\sigma'_{finale}\)) à la même profondeur de 8.0 m après la remontée de la nappe.
  3. Calculer la variation de la contrainte effective (\(\Delta\sigma'\)) à 8.0 m de profondeur.
  4. Analyser l'impact de cette variation sur le comportement du sol.

Correction : Influence de la Variation de la Nappe

Question 1 : Contrainte effective initiale à z = -8.0 m

Principe :

On calcule d'abord la contrainte totale en additionnant le poids de la couche de sol sec et de la couche de sol saturé. Ensuite, on calcule la pression interstitielle due à la hauteur d'eau. Enfin, on applique la formule de Terzaghi.

Calculs :
\[ \begin{aligned} \text{Contrainte totale initiale : } \sigma_{\text{initiale}} &= (\gamma_t \times 3.0 \, \text{m}) + (\gamma_{\text{sat}} \times 5.0 \, \text{m}) \\ &= (18.5 \times 3.0) + (20.0 \times 5.0) \\ &= 55.5 \, \text{kPa} + 100.0 \, \text{kPa} \\ &= 155.5 \, \text{kPa} \\ \\ \text{Pression interstitielle initiale : } u_{\text{initiale}} &= \gamma_w \times h_w \\ &= 9.81 \, \text{kN/m}^3 \times 5.0 \, \text{m} \\ &= 49.05 \, \text{kPa} \\ \\ \text{Contrainte effective initiale : } \sigma'_{\text{initiale}} &= \sigma_{\text{initiale}} - u_{\text{initiale}} \\ &= 155.5 \, \text{kPa} - 49.05 \, \text{kPa} \\ &= 106.45 \, \text{kPa} \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : À l'état initial, la contrainte effective à 8.0 m est \(\sigma' = 106.45 \, \text{kPa}\).

Question 2 : Contrainte effective finale à z = -8.0 m

Principe :

Après la remontée de la nappe à la surface, tout le massif de sol est saturé. La contrainte totale est donc calculée en utilisant le poids volumique saturé sur toute la hauteur. La pression interstitielle correspond maintenant à la pleine hauteur d'eau de 8.0 m.

Calculs :
\[ \begin{aligned} \text{Contrainte totale finale : } \sigma_{\text{finale}} &= \gamma_{\text{sat}} \times 8.0 \, \text{m} \\ &= 20.0 \, \text{kN/m}^3 \times 8.0 \, \text{m} \\ &= 160.0 \, \text{kPa} \\ \\ \text{Pression interstitielle finale : } u_{\text{finale}} &= \gamma_w \times h_w \\ &= 9.81 \, \text{kN/m}^3 \times 8.0 \, \text{m} \\ &= 78.48 \, \text{kPa} \\ \\ \text{Contrainte effective finale : } \sigma'_{\text{finale}} &= \sigma_{\text{finale}} - u_{\text{finale}} \\ &= 160.0 \, \text{kPa} - 78.48 \, \text{kPa} \\ &= 81.52 \, \text{kPa} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : À l'état final, la contrainte effective à 8.0 m est \(\sigma' = 81.52 \, \text{kPa}\).

Question 3 : Variation de la contrainte effective (\(\Delta\sigma'\))

Principe :

La variation de la contrainte effective est simplement la différence entre la valeur finale et la valeur initiale.

Calcul :
\[ \begin{aligned} \Delta\sigma' &= \sigma'_{\text{finale}} - \sigma'_{\text{initiale}} \\ &= 81.52 \, \text{kPa} - 106.45 \, \text{kPa} \\ &= -24.93 \, \text{kPa} \end{aligned} \]

La contrainte effective a diminué de près de 25 kPa.

Résultat Question 3 : La variation de contrainte effective est \(\Delta\sigma' = -24.93 \, \text{kPa}\).

Question 4 : Analyse de l'impact

Interprétation :

Une diminution de la contrainte effective de 24.93 kPa (environ 23.4%) est significative. Cette baisse a plusieurs conséquences potentielles :

  • Réduction de la résistance au cisaillement : La résistance d'un sol granulaire dépend directement de la contrainte effective (\(\tau = \sigma' \tan\phi'\)). Une baisse de \(\sigma'\) réduit la résistance du sol, ce qui peut compromettre la stabilité d'un talus ou la capacité portante d'une fondation.
  • Risque de liquéfaction : Dans les sables lâches, une augmentation rapide de la pression interstitielle (et donc une baisse de \(\sigma'\)) peut annuler la contrainte effective. Le sol perd alors toute sa résistance et se comporte comme un liquide.
  • Augmentation des poussées sur les murs de soutènement : La diminution de \(\sigma'\) peut entraîner une augmentation de la poussée des terres sur les ouvrages de soutènement.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. Un rabattement de nappe (baisse du niveau) a pour principal effet de :

2. À profondeur égale, la contrainte effective est généralement maximale lorsque le sol est :

3. Pourquoi la contrainte totale change-t-elle lorsque la nappe monte de -3m à la surface ?

Glossaire

Variation de Nappe
Fluctuation (montée ou baisse) du niveau de la nappe phréatique, souvent due à des facteurs saisonniers (pluies, sécheresse) ou anthropiques (pompage, construction de barrage).
Rabattement de Nappe
Action d'abaisser artificiellement le niveau de la nappe phréatique, généralement par pompage, pour permettre des travaux d'excavation à sec.
Contrainte Effective (\(\sigma'\))
Contrainte supportée par le squelette solide du sol. Elle est le paramètre clé qui gouverne le comportement mécanique du sol. \(\sigma' = \sigma - u\).
Poids Volumique Déjaugé (\(\gamma'\))
Poids effectif des grains de sol par unité de volume lorsqu'ils sont immergés dans l'eau. Il est utilisé pour calculer l'augmentation de la contrainte effective avec la profondeur sous la nappe. \(\gamma' = \gamma_{sat} - \gamma_w\).
Mécanique des Sols - Exercice d'Application

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