Ground Mecanic

A mecânica do solo é o ramo mais antigo, mais conhecido e praticado da geomecânica , disciplina matemática geotécnica , para estudar o comportamento teórico da cobertura detrítica terrestre das formações mobiliárias sob a ação de esforços de erosão natural (deslizamentos de terra, etc.), ou induzida durante o construção da maioria das obras de construção (terraplenagem, fundações, drenagem, etc.).

Os "  solos  " desta mecânica - várias e variadas misturas de argilas , areias , cascalhos ... e água - são ambientes virtuais contínuos , imutáveis, homogéneos, isotrópicos , livres, por vezes não pesados ​​(sem constrangimento) e nada mais que isso; são os verdadeiros modelos materiais dessas formações, tangíveis, descontínuos, variáveis, heterogêneos, anisotrópicos, constrangidos, pesados ​​e muito mais que isso. Suas formas geométricas e comportamentos mecânicos devem, portanto, ser compatíveis com as formas e comportamentos naturais de geomateriais reais descritos por duas disciplinas geológicas, geomorfologia e geodinâmica . Assim, a mecânica dos solos, a geomorfologia e a geodinâmica são três disciplinas inseparáveis, interdependentes e complementares da geotécnica que estudam a subsuperfície terrestre sobre a qual é possível a nossa ação direta, para permitir o desenvolvimento e / ou exploração.

Através é caracterizada e estes solos são classificados em vários parâmetros físicos, tamanho , plasticidade , porosidade , umidade , consistência ... que podem designar, descrever e prever o seu manuseio de terraplenagem . São caracterizados por meio de diversos parâmetros mecânicos, módulo de elasticidade , ângulo de inclinação, coesão , compressibilidade , permeabilidade ... que são as variáveis ​​de cálculos de estabilidade , recalques , drenagem ... de estruturas diversas. Todos esses parâmetros mais ou menos independentes devem ser medidos especificamente por meio de ensaios in situ e / ou laboratoriais em amostras colhidas durante sondagens realizadas nos locais estudados, nos locais das estruturas planejadas.

Em seu trabalho fundador sobre a mecânica de aterramento, ancestral da mecânica do solo, Ensaio - Sobre uma aplicação das regras de maximis e de minimis a alguns problemas de estática, relacionados à arquitetura , Coulomb expressa a primeira "lei" geomecânica, agora conhecida como “  Coulomb's lei  ”, especificando com uma prudência infelizmente esquecida:“ Esta tese pretende determinar, tanto quanto a mistura de computação e física pode permitir, a influência do atrito e da coesão em alguns problemas de estática "..." para a facilidade de suas aplicações na prática ".

Como Terzaghi e Peck recordam no prefácio de sua obra traduzida para o francês "Mécanique des sols aplicada a BTP", a pose, o estudo e a resolução de qualquer problema de mecânica do solo impõem inúmeros pressupostos que simplificam formas e comportamentos, levando a resultados que o levam a é necessário criticar e atribuir um "  coeficiente de segurança  ", pois estes são apenas ordens de grandeza. E esse cuidado ainda é válido: a maior parte dos danos e acidentes a partes de estruturas em relação ao solo e ao subsolo decorrem da inadequação da estrutura ao local devido ao desconhecimento da geologia do local e não ao cálculo mecânico erros: qualquer resultado de teste e / ou cálculo da mecânica do solo incompatível com uma observação geológica é inaceitável.

Visão histórica

O estudo racional da estabilidade de taludes de terra e muros de contenção começou no final do XVII °  século , quando defendendo fortalezas que enfrentam o poder de crescer artilharia obrigou os engenheiros militares construir muralhas cada vez mais altas e grossas em Perreyée solo - Vauban , perfil Geral para muros de contenção , 1687.

Mecânica de aterramento

Em 1720, Forest de Belidor demonstrou experimentalmente que o empuxo excessivo de uma cunha de aterro pode ser a causa da ruína de um muro de contenção. Em 1727, Couplet estabeleceu o cálculo empírico do impulso dessa cunha de superfície plana. Em 1773, Coulomb assimilou a condição de estabilidade dessa cunha de impulso à de uma carga em plano inclinado, da qual ele havia estabelecido a lei para racionalizar o cartage da artilharia; ele definiu a coesão e o ângulo de atrito de um aterro e estabeleceu a lei de suas relações conhecida como lei de Coulomb . Em 1846, no que diz respeito a barragens de terra e aterros de canais e ferrovias, Collin estabeleceu que a coesão, independente do ângulo de atrito, é função da compactação e do teor de água do aterro e que a superfície do canto é um arco ciclóide.

Ground Mecanic

No decorrer do XIX °  século até o início do XX °  século , inúmeros engenheiros mecânicos - Rankine Levy Boussinesq Massau ... modelaram o estudo da maciça móveis geomateriais solo, natural, sobre os aterros para estudar a estabilidade de taludes e estrutura fundamentos, desenvolvendo métodos de cálculo trigonométrico e / ou infinitesimal mais ou menos diferentes de acordo com seus interesses e as hipóteses que utilizaram para construir suas teorias; fizeram-no a partir da lei de Coulomb e da representação gráfica do estado das tensões num maciço por Mohr , negligenciando mais ou menos a coesão, "constante" difícil de manusear e mantendo o plano como superfície.

Inspirados por uma ideia de Collin sobre o caráter curvilíneo da fácies de fratura de solos coerentes, Hultin, Petterson e Fellenius adotam o arco de círculo como uma linha deslizante.

A estimativa da tensão admissível para uma fundação rasa foi melhorada sucessivamente de Rankine em 1915, para Terzaghi em 1925, via Prantdl, Fellenius, Skempton ...

Em 1955, Ménard aperfeiçoou um teste de expansão in situ que chamou de teste pressurímetro , e a ele associou uma teoria e fórmulas específicas para o cálculo de fundações.

Métodos de cálculo

Desde o XVIII th  século, aterros mecânicas e mecânica dos solos ter usado sucessivamente métodos computacionais cada vez mais sofisticados, primeiros gráficos e trigonometria, analítico e numérico, finalmente, que agora é usado mais ou menos juntos.

Maneiras

Geralmente negligenciando observações de campo geológicas, mecânica dos solos recolher dados de campo por meio de sondas, in situ testes (penetrómetro, pressiómetro ...) e de laboratório ( edométricos , teste triaxial ...).

Teorias

A mecânica clássica do solo, baseada na lei de Coulomb, modela o comportamento a forças externas variáveis ​​de um meio mineral, monofásico, sem água livre; Parafraseando mais ou menos habilmente os antigos, variando as linguagens matemáticas, adaptamos de alguma forma ao modelo de Terzaghi para o comportamento de um meio aquífero mineral bifásico, muito mais realista.

Por meio de curvas gráficas de tempo-força-deformação, a análise qualitativa desse comportamento complexo é possível, mas insuficiente para obter um determinado resultado; para fazê-lo matematicamente, é necessário analisar cada estágio do comportamento - elasticidade, plasticidade, ruptura - por meio de uma teoria muito específica de um problema padrão para ser generalizado, sem ter que recorrer a desenvolvimentos complicados e mal fundamentados; assim, no estado atual de nosso conhecimento, mas provavelmente em essência, uma teoria unitária da geomecânica não pode ser formulada: isso é o que a maioria dos praticantes pensava (Collin, Fellenius, Terzaghi ...), mas nem sempre os teóricos ( Poncelet , Boussinesq , Caquot , ...) que tentaram conseguir isso, sem sucesso até agora, exceto talvez Ménard com a teoria do pressímetro que, na verdade, só se aplica ao uso deste dispositivo e do método de cálculo correspondente.

A teoria da elasticidade é baseada na lei de Hooke, proporcionalidade da relação força (C) / deformação (D) expressa pelo módulo de Young (E) do meio, constante se a força crescente máxima for baixa o suficiente para que a deformação seja estritamente reversível quando diminui: E ≈ C / D; refere-se mais particularmente a materiais rochosos que não são muito deformáveis.

A teoria da consolidação foi proposta por Terzaghi; diz respeito a materiais argilosos arenosos soltos de duas fases. Sob a ação constante do próprio peso na natureza ou de uma carga externa, tal material se consolida cada vez mais com o passar do tempo: seu índice de vazios e teor de água diminuem, sua densidade e sua resistência mecânica aumentam, sua permeabilidade diminui. A deformação é conhecida como pseudo-elástica: a relação tensão / deformação não é constante como o módulo de Young de comportamento elástico linear; depende da pressão dos poros e suas variações que, por sua vez, dependem da permeabilidade do material; a duração do assentamento, mas não o seu valor, também depende da permeabilidade.

A teoria da plasticidade e fratura é baseada na lei de Coulomb; refere-se mais particularmente a materiais de argila arenosa monofásica solta. É expressa por uma fórmula linear que permite prever a ruptura por cisalhamento de um geomaterial solto sob o efeito combinado de tração (T) e compressão (N): T = c + N * tgφ, em que c (coesão) e φ (ângulo de atrito) são os parâmetros constantes característicos do material e sua compactação - na verdade, c e φ dependem de N e a curva representativa desta função é uma meia parábola chamada curva intrínseca do material que é convertida em uma linha reta por alisamento. Cálculos teóricos só podem ser aplicados a meios puramente de fricção cuja coesão é zero ou a meios puramente coerentes cujo ângulo de atrito é zero; dificilmente existem tais geomateriais reais.

A teoria da hidráulica subterrânea é baseada na lei de Darcy  ; afirma que em um material granular permeável, a velocidade de fluxo V (Q / S) e o gradiente hidráulico i (Δh / L) são linearmente relacionados por uma constante empírica e composta, a permeabilidade k (V = k * i) que seria dependem apenas do material do aquífero.

Solos

A geomecânica reduz todos os geomateriais naturais a três tipos de “solos”, solos soltos que são mais ou menos friccionados e / ou plásticos, e rochas duras que são mais ou menos elásticas. Os solos são geomateriais soltos, cascalho, areia e argila possivelmente misturados em quantidades variáveis, cuja coesão é fraca; diminui até desaparecer (liquefação) aumentando o teor de água. As rochas são geomateriais compactos e duros, cuja resistência à compressão simples é superior a alguns MPa; diminui e / ou desaparece por alteração física (hidratação), química (dissolução) e / ou mecânica (fragmentação). O estado e o comportamento mecânico de um solo dependem essencialmente de seu conteúdo de água; os de uma rocha, seu grau de intemperismo, rachadura e fratura.

Um meio mecânico de solo é composto de matéria mineral, água e ar. Sua composição mineral é imutável; seu conteúdo de água é variável; a influência do ar é negligenciada; sua estrutura mineral é deformável. É caracterizada por parâmetros físicos e mecânicos, medidos por testes in situ e / ou em amostras que são experimentos que validam a aplicação das teorias mecânicas correspondentes. A maioria desses testes é padronizada.

Parâmetros físicos

Os parâmetros físicos de um solo são medidos especificamente em amostras que podem ter sido alteradas por testes de identificação.

Parâmetros mecânicos

Os parâmetros mecânicos são as variáveis ​​das fórmulas de cálculo da estabilidade de taludes, fundações, etc. São específicos de uma teoria, de um método de cálculo e de um ensaio (material e processo), de forma que não há suas correlações numéricas para o mesmo solo. Eles são medidos especificamente nas chamadas amostras “intactas”; eles nunca são.

Formulários

Os problemas da mecânica do solo são inúmeros, específicos de um sítio, de uma estrutura, de uma situação ... São necessárias muitas hipóteses simplificadoras para os colocar e resolver; os resultados dos cálculos são ordens de magnitude.

Cálculos de aplicativos

Os cálculos do aplicativo usam modelos de formas geométricas ou numéricas muito esquemáticas - duas dimensões, linhas, círculos, etc., construídos sobre dados locais, poucos em número e não muito precisos - valores de alguns parâmetros que supostamente caracterizam o meio que representa o solo (densidade, ângulo de atrito, coesão, permeabilidade ...) - e métodos de cálculo - integração de equações de campo muito complexas das quais, na melhor das hipóteses, apenas os equipotenciais de superfície são conhecidos. Isso impõe condições iniciais e limites simplistas em cálculos estritamente determinísticos mais ou menos complicados, em última análise reduzidos a fórmulas um-para-um - para uma e mesma causa (força, pressão, restrição, etc.) sempre corresponde estritamente a um e o mesmo efeito. (deslocamento, deformação, fluxo ...) -, cujos resultados matematicamente precisos são apenas ordens de magnitude; eles são, portanto, reduzidos por meio de um "coeficiente de segurança" tão pequeno quanto possível.

Estabilidade de aterros e paredes de contenção

A estabilidade de um talude natural, a das paredes de uma escavação ou de uma barragem de "terra", coloca o problema da estabilidade de um talude, de um suporte possível e de uma drenagem. Pode ser resolvido analiticamente pelo método devido a Rankine da altura crítica do declive - altura além da qual um declive de dado declive é potencialmente instável - e / ou o canto de Coulomb, ou graficamente e numericamente pelo método devido a Fellenius melhorado por Fatias Bishop ou coeficiente de segurança de deslizamento.

Fundações

O tipo de fundação de uma estrutura - superficial (sapatas contínuas, sapatas isoladas, fundação de jangada), semi-profundas (poços), profundas ou especiais (estacas ancoradas, estacas flutuantes) é escolhido levando em consideração as observações geológicas (estrutura do sub - solo do local, natureza dos geomateriais, água subterrânea, etc.) cálculos mecânicos (modelo de forma do local, método de medição dos parâmetros do solo - laboratório, in situ, etc.) e obrigações construtivas (localização, arquitetura, estrutura, etc.).

Os movimentos que podem afetar as fundações são assentamentos elásticos ou de consolidação, inchaço, rupturas plásticas - tombamento, perfuração ou deslizamento; temos que aturar assentamentos; o inchaço pode ser evitado; é fundamental evitar rupturas; a estabilidade das estruturas ao assentamento tem precedência sobre o risco de rompimento de seus alicerces.

Os cálculos de fratura são baseados em extensões da teoria de Coulomb e os parâmetros medidos na caixa de Casagrande ou no triaxial: o método Rankine / Prandtl permite o cálculo da carga final de uma fundação de superfície considerando-a como a soma de um termo de profundidade e um termo de superfície; Terzaghi propôs um "  método aproximado  " levando em consideração a coesão. Os cálculos de recalque baseiam-se na teoria de Terzaghi e nos parâmetros medidos com o edómetro, aplicados ao equilíbrio elástico segundo o método de Boussinesq.

De acordo com a teoria de Ménard a partir do teste do pressômetro, o parâmetro de ruptura é a pressão limite; o do recalque é o módulo pressométrico.

Medições de resistência estática e / ou dinâmica usando penetrômetros permitem especificar seções transversais de sondagem, mas não podem ser usadas diretamente nos cálculos.


Notas e referências

  1. Os textos destas normas são vendidos na Internet pela AFNOR na sua loja .
    • Testes de identificação *
      • NF P94-049-1 e 2 - Solos : reconhecimento e teste - Determinação do teor de água por peso de materiais
      • NF P94-050 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação do teor de água por peso dos materiais - Método de vaporização
      • NF P94-051 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação dos limites de Atterberg - Limite de líquido no copo - Limite de plástico no rolo
      • NF P94-052-1 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação dos limites de Atterberg - Parte 1: limite de liquidez - Método do cone de penetração
      • NF P94-053 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação da densidade de solos finos em laboratório - Kit de corte, mofo e métodos de imersão em água
      • NF P94-054 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação da densidade de partículas sólidas em solos - Método do picnômetro de água
      • NF P94-055 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação do conteúdo em peso da matéria orgânica em um solo - Método químico
      • NF P94-056 - Solos: reconhecimento e teste - Análise granulométrica - Método por peneiramento a seco após lavagem
      • NF P94-057 - Solos: reconhecimento e teste - Análise granulométrica de solos - Método de sedimentação
      • NF P94-059 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação da densidade mínima e máxima de solos não coerentes
      • NF P94-061-1 a 4 - Solos: reconhecimento e teste - Determinação da densidade de um material no local
    • Testes mecânicos de laboratório *
      • NF P94-070 - Solos: reconhecimento e testes - Testes de dispositivo de revolução triaxial - Geral - Definições
      • NF P94-074 - Solos: reconhecimento e testes - Testes de dispositivo de revolução triaxial - Aparelho - Preparação de corpos de prova - Teste não consolidado não drenado (UU) - Teste consolidado não drenado (Cu + U) com medição da pressão dos poros - Ensaio drenado consolidado (CD)
      • NF P94-071-1 e 2 - Solos: reconhecimento e teste - Teste de cisalhamento de caixa retilínea (de Casagrande)
      • NF P94-077 - Solos: reconhecimento e teste - Teste de compressão uniaxial (resistência à compressão simples)
      • NF P94-072 - Solos: reconhecimento e teste - Teste cissométrico de laboratório
    • Testes mecânicos in situ *
      • NF P94-110-1 - Solos: reconhecimento e testes - Teste pressurímetro Ménard - Parte 1: teste sem ciclo
      • NF P94-112 - Reconhecimento e teste de solos - Teste cissométrico implementado
      • NF P94-113 - Solos: reconhecimento e teste - Teste de penetração estática
      • NF P94-114 - Geotécnica - Solos: reconhecimento e teste - Teste de penetração dinâmica Tipo A
      • NF P94-115 - Geotécnica - Solos: reconhecimento e testes - Sondagem com penetrômetro dinâmico tipo B
      • NF P94-116 - Solos: reconhecimento e teste - Teste de penetração do barrilete (SPT, Teste de Penetração Padrão )
      • NF P94-130 - Solos: reconhecimento e teste - Teste de bombeamento
      • NF P94-131 - Solos: reconhecimento e teste - Teste de água Lugeon
      • NF P94-132 - Solos: reconhecimento e teste - Teste de água de Lefranc

Veja também

Bibliografia

Documento usado para escrever o artigo : documento usado como fonte para este artigo.

Artigos relacionados

links externos