Analyse de la stabilité du talus par la méthode numérique (MEF-PLAXIS 8.2)

Les coulées boueuses

Appelées aussi glissements de terrains liquides. Elles sont très souvent la conséquence de la déforestation. La couche superficielle du sol, soumise a de fortes précipitions, se décroche et glisse en amas visqueux le long de la pente.
Ils se caractérisent par une déformation et un écoulement de type viscoplastique ou fluide (figure 1.8).[32]

PRINCIPALES CAUSES DES GLISSEMENTS

Les instabilités des pentes peuvent se produire suite à l’influence de plusieurs facteurs, tels que les facteurs naturels (précipitation, séismes, érosion) et artificiels (changements dans la forme de la pente en raison des terrassements, changements dans la nappe phréatique en raison d’un réservoir d’eau, etc.) :

Les causes dues à l’intervention humaine

L’homme en rapport avec ces différentes activités est souvent le principal agent de Désordres et les causes dues à déstabilisation des sols en particulier et de la nature en général. (Construction d’infrastructure, arrosage et irrigation, etc.)

Les causes dues à des surcharges au sommet du talus

Le poids d’un remblai temporaire ou permanent de matériaux divers tels que terre d’excavation, rebuts, neige, etc. Modifie l’état d’équilibre du talus et peut ainsi déclencher un glissement pendant ou après l’intervention. De plus, un remblai augmente généralement la pente du talus, ce qui diminue le coefficient de sécurité. (Figure1.9)

Les déblais ou l’excavation a la base du talus

Le déblai ou l’excavation à la base du talus modifie les conditions d’équilibre en accentuant l’inclinaison et la hauteur du talus, ce qui nuit à sa stabilité. (Figure1.11)

Les conditions hydrauliques

L’eau qui pénètre dans les sols engendre des pressions interstitielles supérieures à la résistance au cisaillement qui permettre le développement des forces motrices conduisant au mouvement et au glissement (lent ou brutal) de ces sols, celle –ci dépendant directement de la composition des matériaux constituant le versant sur une période prolongée. En montagne, cela n’arrive que lorsque les températures se situent au –dessus de zéro degré puisque, dans le cas contraire, les précipitations sont stockées sous forme de neige ou de glace (Figure1.12).

La présence d’érosion

Les processus d’altération tendent à faire disparaitre les sols superficiels et mettent à nu les couches sous-jacentes. L’infiltration s’en trouve renforcée et la teneur en eau des horizons profonds augmente .de tels phénomènes réduisent la force de frottement et la cohésion (Figure1.13) [32]

Les causes naturelles

La nature présente également plusieurs causes d’instabilités, voire géologiques, minéralogiques, hydrologiques, etc. parmi ces causes naturelles :

L’inclinaison de la pente

Le glissement des remblais a été favorisé par leur situation en pente. La pente critique dépend de la nature des sols ou des roches et de la présence d’eau dans le massif.
Tant que les forces stabilisatrices FS (force de frottement et de cohésion) sont plus fortes que la force motrice FM (gravité), la stabilité du versant est assurée, (figure 1.9). Si l’équilibre des forces change et la force motrice devient plus importante que les forces de résistance, un glissement de terrain se déclenche. Se produit alors une rupture entre deux couches de roche ou de sol, et une masse se met à glisser plus ou moins rapidement vers l’aval. Il peut arriver que celle-ci se décompose et finisse sa course sous forme de coulée de boue.

METHODES DE CONFORTEMENT DES GLISSEMENTS DE SOLS

INTRODUCTION

Les confortements des talus au glissement sont l’ensemble des méthodes qui servent à stabiliser la masse de terrain instable. Le choix de ces méthodes varie avec les caractéristiques et l’état de chaque site comme le type des sols, les conditions de drainage et les surcharges, et varie aussi avec le coût économique.
Dans ce chapitre, trois principales méthodes de confortement sont décrites qui sont basées sur différentes techniques (terrassements, drainage, éléments résistants).

METHODES DE CONFORTEMENT DES TALUS 

Terrassements

Les conditions de stabilité étant directement liées à la pente du terrain, le terrassement reste le moyen d’action le plus naturel. On peut distinguer trois groupes de méthodes de stabilisation par terrassement :
▪ Les actions sur l’équilibre des masses : allègement en tête, remblai drainant en pied.
▪ Les actions sur la géométrie de la pente : purge et reprofilage.
▪ Les substitutions partielles ou totales de la masse instable.

Remblai de pied

Le chargement en pied (figure 2.1) d’un glissement est une technique souvent utilisée, généralement efficace. L’ouvrage, également appelé banquette, berme ou butée, agit par contre –balancement des forces motrices. Pour qu’il soit efficace, il faut réaliser un ancrage dans les formations sous-jacentes en place. Comme dans le cas d’un ouvrage de soutènement, le dimensionnement doit assurer la stabilité au renversement, au glissement de l’ouvrage et la stabilité globale du site.

Allègement en tête

L’allègement en tête (figure.2.2) de glissement consiste à venir terrasser dans la partie supérieure. Il en résulte une diminution du poids moteur et, par conséquent, une augmentation du coefficient de sécurité. La méthode de dimensionnement consiste en un calcul de stabilité le long de la surface de rupture déclarée en prenant en compte la modification de géométrie en tête. On peut également substituer le matériau terrassé par un matériau léger (polystyrène, matériau à structure alvéolaire, etc.).

Reprofilage

Les conditions de stabilité d’un talus étant directement liées à sa pente, on peut assez simplement augmenter la sécurité par re-talutage du terrain naturel. (Figure2.3). Dans ce sens, Le procédé s’apparent à l’allégement en tête ou il consiste en un adoucissement de la pente moyenne.

Substitution totale ou partielle

La substitution totale (figure 2.4) consiste à venir purger l’ensemble des matériaux glissés ou susceptibles de glisser, et à les remplacer par un matériau de meilleure qualité. Cela permet de reconstituer le profil du talus initial.
Il importe de vérifier la stabilité au cours des phases de travaux et celle du talus définitif dans lequel on prend en compte les caractéristiques du matériau de substitution et du matériau en place.
La substitution de matériaux glissés suppose que l’on connaisse le volume de matériaux concerné, que l’on excave plus profondément que la surface de rupture, et que l’on réalise des redans afin d’assurer un bon accrochage entre le substratum et le sol d’apport.
La tenue des talus provisoires de la purge dépend des conditions de terrassement, de la météorologie, des hétérogénéités locales.
En cas de risque, il est préférable de travailler par plots de faible largeur et de ne pas maintenir de fouilles ouvertes pendant une longue période.
Des substitutions partielles (Figure 2.4) sont souvent employées, sous forme de bêches ou de contreforts discontinus.
Le coefficient de sécurité de la pente ainsi traitée peut être estimé en prenant la moyenne pondérée des coefficients de sécurité de la pente avec et sans substitution.

Drainage

La lutte contre l’eau est l’une des actions les plus efficaces pour prévenir, stabiliser ou ralentir un glissement de terrain. La connaissance du mode d’alimentation de la nappe est indispensable pour intervenir efficacement. Le succès d’un drainage repose aussi sur son entretien pour éviter un risque de colmatage par des dépôts sulfatés, calcaires ou ferrugineux, des arrivées de fines, etc.
De nombreux paramètres conditionnent l’efficacité d’un système de drainage, en particulier la nature et l’hétérogénéité des terrains, la géométrie des couches aquifères, la perméabilité et l’anisotropie des sols, les alimentations et les exutoires.

Collecte et canalisation des eaux de surface

L’objectif est de limiter les infiltrations dans le massif en mouvement. Les eaux peuvent provenir de zones de sources, d’un défaut d’étanchéité sur un réseau ou un bassin de stockage à l’amont ou plus simplement de l’impluvium et des eaux de ruissellement. En effet, les eaux de surface ont tendance à s’infiltrer dans les fissures, à stagner dans les zones de faible pente et aggravent ainsi une instabilité amorcée. Aussi les ouvrages de collecte des eaux (fossés, caniveaux, cunettes) et l’étanchéité des fissures de surface, bien que ne constituant pas des ouvrages de drainage à proprement parler, sont réalisés en première urgence dans de nombreux cas de glissements. (Figure 2.6)

Masques et éperons drainants

Les masques drainants sont des ouvrages en matériaux granulaires grossiers mis en place en parement de talus (Figure 2.7) ; leur rôle est d’annuler la pression interstitielle dans la portion correspondante de terrain, mais leurs caractéristiques de frottement apportent également un gain de stabilité.
Les éperons drainants sont des sortes de masques discontinus. S’il est difficile de réaliser un masque, on se contente de faire des saignées remplies de matériau drainant régulièrement espacées.

Les tranchées drainantes

Les tranchées drainantes, (figure 2.8) sont des ouvrages couramment utilisés pour rabattre le niveau de la nappe. Elles sont implantées sur le site de façon avenir recouper les filets d’eau (lignes de courant dans un horizon homogène, couche aquifère, venues d’eau ponctuelles, etc.) (Figure 2.8). Le choix de l’implantation (dans le sens de la plus grande pente ou dans un sens parallèle aux lignes de niveau, ou encore en épis), de la profondeur et de l’espacement des tranchées dépend des résultats de l’étude hydrogéologique et conditionne l’efficacité du drainage.

Confortements mécanique (éléments résistants)

Ces techniques ne s’attaquent pas à la cause des mouvements mais visent a réduire ou à arrêter les déformations, donc on peut également introduire des éléments résistants pour éviter les déplacements, dont une conséquence serait de réduire la Contrainte de cisaillement dans le versant susceptible à se glisser.
Il existe plusieurs mécanismes, dont on cite
➢ Ouvrages de soutènement.
➢ Tirants d’ancrages.
➢ Le clouage (barres, micro pieux).
Ouvrages de soutènement :
Les ouvrages de soutènement se sont des écrans reposant sur une fondation, conçus pour soutenir un massif de sol et lui assurer la stabilité. On distingue le mur en déblai, qui soutient un sol excave, d’un mur en remblai, soutenant un sol artificiel construit par couches compactées.
Le dimensionnement d’un mur de soutènement nécessite une évaluation des pressions des terres sur le mur, ainsi que l’analyse de la résistance du système sol/mur vis-à-vis des différents modes d’instabilité.
Il existe plusieurs classifications des murs, qui dépendent de la morphologie, le mode de fonctionnement et de la durée, On désigne deux catégories pour cela :
• Les ouvrages rigides
Ce sont des écrans soutiennent un volume de sol si la surface de contact sol/mur reste plane après chargement c.-à-d. indéformable, on cite d’exemple dans cette catégorie, les murs-poids en (béton, terre armée, gabions, etc..), (Figure 2.10), (figure 2.11) ou La pousse est reprise par le poids de ces ouvrages. (Figure 2.12)
Ils ne sont pas les mieux adaptés à la stabilisation des glissements de terrain puisqu’ils ne permettent pas de déplacements du sol.

Le clouage

Le clouage sert à transférer les efforts déstabilisateurs (poids de la masse qui glisse) vers la partie stable du sol par un mécanisme d’accrochage. Une masse solidaire et importante du sol est créée assurant ainsi la stabilité du massif.la démarche de calcul d’un ouvrage cloue comprend d’abord une évaluation des forces à ajouter pour assurer la stabilité du massif.
Ensuite il faut trouver la meilleure répartition des ouvrages unités, (clou, micropieu, pieu), en prenant en compte les problèmes d’accessibilité pour la réalisation.
Deux types de clouage existent, le clouage passif ou la présence seule du clou assure le transfert des efforts et clouage actif ou le clou est préalablement mis en tension.la mise en place des inclusions est en général préalable au creusement, on cite d’exemple dans cette catégorie quelque éléments qui utilise dans la stabilisation d’un versant glisse :

Les pieux

Les pieux (Figure2.15) sont des colonnes élancées encastrées dans le sol sur une grande profondeur, ayant pour fonction de transmettre les charges d’un ouvrage au sol en profondeur, sont généralement disposes en groupe et lies par une semelle (figure2.16). Plusieurs types de pieux existe dont On cite :
▪ Les pieux forent : Ils sont réalisés par le creusement d’un trou dans lequel on introduit une cage d’armature que l’on remplit ensuite de béton. S’il y’a risque d’éboulement, on utilisera les pieux forés tubes a il est possible d’utiliser de la bentonite pour maintenir les parois du forage. Pour augmenter ainsi la cohésion du sol en place.
▪ Les pieux foncent : ce sont des pieux en béton arme préfabriqués, ou des pieux métalliques qui sont installés dans le sol par fonçage, avec un vérin s’appuyant sur un massif de réaction.
▪ Les micropieux : ces sont des pieux forés de diamètre inférieur à 250 mm utilisés dans le renforcement du sol et la reprise en sous-oeuvre.

CALCUL DE STABILITE DES TALUS

Les méthodes de calcul de stabilité des terrains sont basées sur la constatation suivante :
Lorsqu’il y a glissement de terrain, il y a séparation d’une masse de sol du reste de massif et son glissement se fait suivant une surface de rupture [figure 3.1]. Ayant défini une surface de rupture « S », on étudie la stabilité de la masse (1) mobile par rapport au massif (2) qui est fixe. [13 ; 14]

DEFINITION DU COEFFICIENT DE SECURITE

Le calcul de stabilité des talus est généralement estimé à l’aide d’un coefficient appelé coefficient de sécurité Fs. Ce coefficient est défini comme étant le rapport du moment par rapport à un point fixe de la résultante des forces résistant au glissement aux forces provoquant le glissement. [15 ; 13]

La Méthode Numérique (MEF)

La méthode des éléments finis est une méthode de calcul numérique qui ayant un profond caractère plus physique qu’abstrait, elle a été inventée plutôt par les ingénieurs que par les mathématiciens.
Cette méthode a été appliquée pour la première fois dans des problèmes liés à l’analyse des contraintes et depuis elle a été étendue dans d’autres problèmes liés au milieu continu.
La MEF représente une modalité d’obtenir une solution numérique correspondant à un problème spécifique. Cette méthode n’offre pas une formule pour une certaine solution et ne résout pas une classe de problèmes. La MEF est une méthode approximative à moins qu’un certain problème puisse être extrêmement simple conduisant ainsi à une formule exacte toujours valable.

Méthode Des Abaques

Le principe de cette méthode consiste en l’estimation de facteur de sécurité en fonction de plusieurs paramètres : la hauteur de gradin (Hg) et l’angle d’inclinaison (α) qui représentent les paramètres de talus ; le poids volumique (γ), la cohésion (C) et l’angle de frottement interne (φ) qui représentent les paramètres de matériau à étudier.
Plusieurs auteurs ont proposé leurs propres abaques, on distingue : l’abaque de HOEK, de FELLENIUS, de BISHOP-MORGENSTERM (1960) et de MORGENSTERM (1963).

L’abaque De HOEK

Cette méthode établie par HOEK, est utilisée pour calculer le coefficient de sécurité Fs., il suffit de connaître la fonction de l’angle du talus (X) et la fonction de la hauteur du gradin (Y). Le point d’intersection de ces dernières nous permet de déterminer le coefficient de sécurité correspondant.

CONCLUSION

Il existe différentes méthodes de calcul de stabilité avec leurs différentes hypothèses, l’objectif de toutes ces méthodes est de trouver le coefficient de sécurité qui est le paramètre le plus important pour évaluer la stabilité d’un talus.
Pour un calcul du coefficient de sécurité par les méthodes d’équilibres limites en se basant sur un ensemble fixe des conditions et des paramètres matériels ; ces méthodes demeurent applicables actuellement étant donné qu’elles renseignent sur le plan de glissement le plus probable et par conséquent permet à l’ingénieur de mieux appréhender le problème sur plusieurs aspects dans la reconnaissance géotechnique.
La méthode de FELLENIUS donne des résultats faibles par rapport à la méthode de Bishop simplifiée. Les écarts sur Fs peuvent atteindre 10%. Pour la méthode de FELLENIUS on néglige les efforts inter tranche mais pour bishop on considère la somme (Zn-Zn+1) =0 ; par contre dans la méthode de JANBU on utilise que des forces normales interne-tranche.
La méthode de HOKE basée sur les abaques utilise les données géométriques du talus pour connaître le coefficient de sécurité (Fs).

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Table des matières

LISTE DES FIGURES 
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES PRINCIPALES NOTATIONS ET INDICES 
Résumé ( AR , FR , AN ) 
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : GENERALITE SUR LES GLISSEMENTS DE TERRAIN ET LEURS TYPES
1.1 INTRODUCTION
1.2 DEFINITION DES MOUVEMENTS DE TERRAIN
1.3 CLASSIFICATION DES MOUVEMENTS DE TERRAIN
1.3.1 Ecroulement (L’éboulement)
1.3.2 Glissements
1.3.2.1 Glissement Plan
1.3.2.2 Le Glissement Circulaire Ou Rotationnel
1.3.2.3 Glissement quelconque (aléatoire)
1.3.3 Le Fluage
1.3.4. Les coulées boueuses
1.4 PRINCIPALES CAUSES DES GLISSEMENTS
1.4.1 Les causes dues à l’intervention humaine
1.4.2 Les causes dues à des surcharges au sommet du talus
1.4.3. Les déblais ou l’excavation a la base du talus
1.4.4. Les conditions hydrauliques
1.4.5 La présence d’érosion
1.4.6 Les causes naturelles
• L’inclinaison de la pente
• Propriétés géologiques et géotechniques des sols (résistance au cisaillement)
• Les séismes et volcans
• Les éruptions volcaniques
1.5 CONCLUSION
CHAPITRE 2 : METHODES DE CONFORTEMENT DES GLISSEMENTS DE SOLS
2.1 INTRODUCTION
2.2 METHODES DE CONFORTEMENT DES TALUS
2.2.1 Terrassements
Remblai de pied
Allègement en tête
Reprofilage
Substitution totale ou partielle
2.2.2 Drainage
Collecte et canalisation des eaux de surface
Masques et éperons drainants
Les tranchées drainantes
Drains subhorizontaux
Drains verticaux, galeries drainantes
2.2.3. Confortements mécanique (éléments résistants)
Ouvrages de soutènement
Le clouage
Tirants d’ancrages
2.3 CONCLUSION
CHAPITRE 3 : METHODES DE CALCUL
3.1. INTRODUCTION
3.2. CALCUL DE STABILITE DES TALUS
3.3. DEFINITION DU COEFFICIENT DE SECURITE
3.4. METHODES DE CALCUL
3.4.1. Méthodes Basées Sur L’équilibre Limite (Méthode Des Tranches)
3.4.1.1 Méthode De FELLENIUS (1936)
3.4.4.2. Méthode De BISHOP Simplifiée (1954)
3.4.4.3 Méthode Détaillée
3.4.4.4 Méthode De JANBU (1956)
3.4.2. La Méthode Numérique (MEF)
3.4.3. Méthode Des Abaques
3.4.3.1 L’abaque De HOEK
3.5. CONCLUSION
CHAPITRE 4 : PRESENTATION ET CARACTERISATION DU SITE D’ETUDE
4.1. INTRODUCTION
4.2. SITUATION DU TERRAIN AFFECTE PAR LE GLISSEMENT
4.3 GEOLOGIE ET GEOMORPHOLOGIE REGIONALE
4.3.1 Géologie Régionale
4.3.2 Géologie De Site
4.3.3 Description Et Analyse Géologique Du Site
4.3.4 Géomorphologie Régionales
4.3.5 Contexte Climatique
4.3.6 Sismicité De La Région D’étude
4.3.7 Description Des Désordres
4.4 ETUDE GEOTECHNIQUE
4.4.1 Reconnaissance In Situ
4.4.2. Sondages Carottes
4.4.3 Sondages Pressiométriques
4.4.4 Relevés Piézométriques
4.4.5 Essais Au Laboratoire
4.4.5.2 Mesure Des Teneurs En Eau
4.4.5.3 Mesure De Degré De Saturation
4.4.5.5 Limites D’Atterberg
4.4.5.6 Essais De Cisaillement Rectiligne UU À La Boite De CASAGRANDE
4.4.5.7 Essai De Compression Simple
4.4.5.8 Essais De Teneur En Carbonate De Calcium
4.4.6 Interprétation Des Résultats Des Essais De Laboratoire
4.5 STABILITE DU SITE
4.6. CONCLUSION
CHAPITRE 5 : ANALYSE DE LA STABILITE DU SITE D’ETUDE
5.1. INTRODUCTION
5.2. ETUDE DE STABILITE DU TALUS
5.2.1. Calcul du coefficient de sécurité (Fs) par la méthode d’équilibre limite (FELLENIUS et BISHOP)
5.2.1.1. Calcul de Fs du talus sans la présence de nappe
5.2.1.2. Calcul du Fs du talus avec la présence de nappe
5.2.2. Analyse de la stabilité du talus par la méthode numérique (MEF-PLAXIS 8.2)
5.2.2.1. Programme d’entrée des données (input)
5.2.2.2. Programme de calcul
5.2.2.3. Programme des résultats
5.2.2.4. Programme courbe (Curves)
5.2.2.5. Les modèles de comportements intégrés dans Plaxis 8.2
5.2.3. Modélisation du talus de l’étude
5.2.4. Analyse numérique du talus étudié sans confortement
5.2.5. Analyse numérique du talus étudié avec confortement
5.2.5.1. Adoption d’un système de drainage (Solution 1)
5.2.5.2. Adoucissement de la pente du talus (Solution 2)
5.2.5.3. Introduction d’un système de rideaux de palplanches (Solution 3)
5.3 Conclusion
CONCLUSION GENERALE 
REFFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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