Comment calculer la capacité portante des sols

lecapacité portante du solest donné par l'équation

dans lequelQ_uneest la capacité portante admissible (en kN/m² ou lb/pi²), ​Q_vousest la capacité portante ultime (en kN/m² ou lb/pi²) et FS est le facteur de sécurité. La capacité portante ultimeQ_vousest la limite théorique de la capacité portante.

Tout comme la tour penchée de Pise s'incline en raison de la déformation du sol, les ingénieurs utilisent ces calculs pour déterminer le poids des bâtiments et des maisons. Au fur et à mesure que les ingénieurs et les chercheurs posent les fondations, ils doivent s'assurer que leurs projets sont idéaux pour le terrain qui les soutient. La capacité portante est une méthode de mesure de cette force. Les chercheurs peuvent calculer la capacité portante du sol en déterminant la limite de pression de contact entre le sol et le matériau placé dessus.

Ces calculs et mesures sont effectués sur des projets impliquant des fondations de ponts, des murs de soutènement, des barrages et des canalisations souterraines. Ils s'appuient sur la physique des sols en étudiant la nature des différences causées par la pression interstitielle de l'eau du matériau sous-jacent à la fondation et la contrainte effective intergranulaire entre les particules de sol eux-mêmes. Ils dépendent également de la mécanique des fluides des espaces entre les particules du sol. Cela explique la fissuration, l'infiltration et la résistance au cisaillement du sol lui-même.

Les sections suivantes détaillent ces calculs et leurs utilisations.

Les fondations peu profondes comprennent les semelles filantes, les semelles carrées et les semelles circulaires. La profondeur est généralement de 3 mètres et permet des résultats moins chers, plus réalisables et plus facilement transférables.

​Théorie de la capacité portante ultime de Terzaghidicte que vous pouvez calculer la capacité portante ultime pour les fondations continues peu profondesQ_vousavec

dans lequelcest la cohésion du sol (en kN/m² ou lb/pi²), ​gest le poids unitaire effectif du sol (en kN/m³ ou lb/pi³), ​réest la profondeur de la semelle (en m ou ft) et B est la largeur de la semelle (en m ou ft).

Pour les fondations carrées peu profondes, l'équation estQ_vousavec

et, pour les fondations circulaires peu profondes, l'équation est

Dans certaines variantes, le g est remplacé parγ​.

Les autres variables dépendent d'autres calculs.N_qest

​N_cest de 5,14 pour'=0et

pour toutes les autres valeurs de ',Ngest:

​K_pageest obtenu en traçant les quantités et en déterminant quelle valeur deK_pageexplique les tendances observées. Certains utilisentN_g = 2(N_q+1)tanф'/(1+.4sin4​​')à titre indicatif sans avoir à calculerK​​p.​

Il peut y avoir des situations dans lesquelles le sol montre des signes derupture de cisaillement. Cela signifie que la résistance du sol ne peut pas montrer une résistance suffisante pour la fondation car la résistance entre les particules dans le matériau n'est pas assez grande. Dans ces situations, la capacité portante ultime de la fondation carrée estQ_vous = .867c N_c + g D N_q + 0,4 g B N_g ,la fondation continue jesQu = 2/3c Nc + g D Nq + 0,5 g B Ng et la fondation circulaire estQ​_vous ​= .867c N​_c ​+ g D N​_q ​+ 0,3 g B N​​_g​.

Les fondations profondes comprennent les fondations des piles et les caissons. L'équation pour calculer la capacité portante ultime de ce type de sol est la suivante :Q_vous = Q_p + Q_F dans lequelQ_vousest la capacité portante ultime (en kN/m² ou lb/pi²), ​Q_pest la capacité portante théorique de la pointe de la fondation (en kN/m² ou lb/pi²) etQ_Fest la capacité portante théorique due au frottement de l'arbre entre l'arbre et le sol. Cela vous donne une autre formule pour la capacité portante du sol

Vous pouvez calculer la fondation théorique de capacité d'appui d'extrémité (pointe)Q_pcommeQ_p = Un_pq_pdans lequelQ_pest la capacité portante théorique du palier d'extrémité (en kN/m² ou lb/pi²) etUNE_pest la surface efficace de la pointe (en m² ou pi²).

La capacité de charge théorique unitaire des sols limoneux sans cohésionq_pestqDN_qet, pour les sols cohésifs,9c,(tous deux en kN/m² ou lb/pi²). ​ré_cest la profondeur critique pour les pieux dans les limons ou les sables meubles (en m ou ft). Cela devrait être10Bpour les limons et les sables meubles,15Bpour les limons et les sables de densité modérée et20Bpour les limons et les sables très denses.

Pour la capacité de frottement de la peau (arbre) de la fondation sur pieux, la capacité portante théoriqueQ_FestUNE_Fq_Fpour une seule couche de sol homogène etpSq_FLpour plus d'une couche de sol. Dans ces équations,UNE_F est la surface effective du fût du pieu,q_Festkstan (d), la capacité de frottement unitaire théorique pour les sols sans cohésion (en kN/m² ou lb/pi) dans lequelkest la pression latérale des terres,sest la pression effective du mort-terrain etréest l'angle de frottement externe (en degrés).Sest la somme de différentes couches de sol (c.une₁​ + ​une₂​ +... + ​une_m​).

Pour les limons, cette capacité théorique estc​_UNE ​+​ ​kstan (d)dans lequelc_UNEest l'adhérence. Il est égal àc,la cohésion du sol pour le béton brut, l'acier rouillé et le métal ondulé. Pour le béton lisse, la valeur est.8càc, et, pour l'acier propre, il est.5cà.9c​. ​pest le périmètre de la section transversale du pieu (en m ou ft).Lest la longueur effective du pieu (en m ou ft).

Pour les sols cohésifs,q​_F ​= unS​_vous dans laquelle a est le facteur d'adhérence, mesuré comme1-.1(S_uc)²pourS_ucmoins de 48 kN/m² oùS_uc = 2cest la résistance à la compression libre (en kN/m² ou lb/pi²). PourS_ucsupérieur à cette valeur,a = [0,9 + 0,3(S_uc - 1)]/S_uc​.

Le facteur de sécurité varie de 1 à 5 pour diverses utilisations. Ce facteur peut tenir compte de l'ampleur des dommages, du changement relatif des risques d'échec d'un projet, des données de sol elles-mêmes, de la construction des tolérances et de la précision des méthodes d'analyse de conception.

Pour les cas de rupture par cisaillement, le facteur de sécurité varie de 1,2 à 2,5. Pour les barrages et les remblais, le facteur de sécurité varie de 1,2 à 1,6. Pour les murs de soutènement, c'est de 1,5 à 2,0, pour les palplanches de cisaillement, c'est de 1,2 à 1,6, pour les excavations contreventées, c'est de 1,2 à 1,5, pour les semelles à cisaillement, le facteur est de 2 à 3, pour les semelles en mat il est de 1,7 à 2,5. Par En revanche, les cas de défaillance de l'infiltration, lorsque les matériaux s'infiltrent à travers de petits trous dans les tuyaux ou d'autres matériaux, le facteur de sécurité varie de 1,5 à 2,5 pour le soulèvement et de 3 à 5 pour tuyauterie.

Les ingénieurs utilisent également des règles empiriques pour le facteur de sécurité comme 1,5 pour les murs de soutènement qui sont renversés avec granulaire remblai, 2,0 pour le remblai cohésif, 1,5 pour les murs à terre active et 2,0 pour ceux à terre passive pressions. Ces facteurs de sécurité aident les ingénieurs à éviter les ruptures de cisaillement et d'infiltration ainsi que le déplacement du sol en raison des charges qui s'y trouvent.

Armés des résultats des tests, les ingénieurs calculent la charge que le sol peut supporter en toute sécurité. En commençant par le poids nécessaire pour cisailler le sol, ils ajoutent un facteur de sécurité afin que la structure n'applique jamais assez de poids pour déformer le sol. Ils peuvent ajuster l'empreinte et la profondeur d'une fondation pour rester dans cette valeur. Alternativement, ils peuvent comprimer le sol pour augmenter sa résistance, par exemple en utilisant un rouleau pour compacter le matériau de remblai en vrac pour une plate-forme.

Les méthodes de détermination de la capacité portante du sol impliquent la pression maximale que la fondation peut exercer sur le sol de telle sorte que le facteur de sécurité acceptable contre la rupture par cisaillement est inférieur à la fondation et les tassements totaux et différentiels acceptables sont rencontré.

La capacité portante ultime est la pression minimale qui provoquerait la rupture par cisaillement du sol de support immédiatement en dessous et à côté de la fondation. Ils prennent en compte la résistance au cisaillement, la densité, la perméabilité, le frottement interne et d'autres facteurs lors de la construction de structures sur le sol.

Les ingénieurs utilisent leur meilleur jugement avec ces méthodes de détermination de la capacité portante du sol lorsqu'ils effectuent bon nombre de ces mesures et calculs. La longueur effective exige que l'ingénieur choisisse par où commencer et arrêter la mesure. Comme méthode, l'ingénieur peut choisir d'utiliser la profondeur du pieu et de soustraire tous les sols de surface perturbés ou les mélanges de sols. L'ingénieur peut également choisir de le mesurer comme la longueur d'un segment de pieu dans une seule couche de sol composée de plusieurs couches.

Les ingénieurs doivent considérer les sols comme des mélanges de particules individuelles qui se déplacent les unes par rapport aux autres. Ces unités de sols peuvent être étudiées pour comprendre la physique derrière ces mouvements lors de la détermination le poids, la force et d'autres quantités par rapport aux bâtiments et aux projets sur lesquels les ingénieurs s'appuient eux.

La rupture par cisaillement peut résulter des contraintes appliquées au sol qui font que les particules se résistent et se dispersent de manière préjudiciable à la construction. Pour cette raison, les ingénieurs doivent être prudents dans le choix des conceptions et des sols avec des résistances au cisaillement appropriées.

leCercle de Mohrpeut visualiser les contraintes de cisaillement sur les plans pertinents pour les projets de construction. Le cercle des contraintes de Mohr est utilisé dans la recherche géologique d'analyse des sols. Il s'agit d'utiliser des échantillons de sols de forme cylindrique tels que les contraintes radiales et axiales agissent sur les couches de sols, calculées à l'aide de plans. Les chercheurs utilisent ensuite ces calculs pour déterminer la capacité portante des sols dans les fondations.

Les chercheurs en physique et en génie peuvent classer les sols, les sables et les graviers selon leur taille et leurs constituants chimiques. Les ingénieurs mesurent la surface spécifique de ces constituants comme le rapport de la surface des particules à la masse des particules comme une méthode de classification.

Le quartz est le composant le plus commun du limon et du sable et le mica et le feldspath sont d'autres composants communs. Les minéraux argileux comme la montmorillonite, l'illite et la kaolinite forment des feuilles ou des structures qui ressemblent à des plaques avec de grandes surfaces. Ces minéraux ont des superficies spécifiques de 10 à 1 000 mètres carrés par gramme de solide.

Cette grande surface permet des interactions chimiques, électromagnétiques et de van der Waals. Ces minéraux peuvent être très sensibles à la quantité de liquide qui peut passer à travers leurs pores. Les ingénieurs et les géophysiciens peuvent déterminer les types d'argiles présentes dans divers projets pour calculer les effets de ces forces pour les prendre en compte dans leurs équations.

Les sols avec des argiles à haute activité peuvent être très instables car ils sont très sensibles aux fluides. Ils gonflent en présence d'eau et rétrécissent en son absence. Ces forces peuvent provoquer des fissures dans les fondations physiques des bâtiments. D'autre part, les matériaux qui sont des argiles à faible activité qui se forment sous une activité plus stable peuvent être beaucoup plus faciles à travailler.

Geotechdata.info a une liste de valeurs de capacité portante du sol que vous pouvez utiliser comme tableau de capacité portante du sol.