Etude déterministe et probabiliste du comportement des tunnels

par Guilhem Mollon

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Daniel Dias et de Abdul-Hamid Soubra.

Soutenue en 2010

à Lyon, INSA .


  • Résumé

    Les travaux présentés dans ce mémoire s’attachent à étudier le comportement des tunnels creusés à faible profondeur à l’aide d’un tunnelier à front pressurisé, en se penchant plus particulièrement sur deux aspects fondamentaux lors de l’excavation : la stabilité du front de taille à l’effondrement et au refoulement, et l’apparition de mouvements de sol en surface. L’étude est menée sous un angle déterministe puis probabiliste. Dans un premier temps, un certain nombre de modèles analytique de détermination des pressions limites d’effondrement et de refoulement sont développés à partir d’observations effectuées sur des modèles numériques. Deux de ces modèles analytiques présentent, respectivement pour des sols frottant et non frottant, des résultats très satisfaisants à la fois en termes de pressions limites et de faciès de rupture. Par ailleurs, des modèles numériques de différents degrés de complexité sont programmés afin d’évaluer les mouvements de sol induits par l’excavation et leur propagation jusqu’à la surface. Les modèles déterministes ainsi définis sont ensuite utilisés dans un cadre probabiliste. La méthode de la surface de réponse stochastique par collocation est présentée, validée, et perfectionnée afin de rendre possible pour un faible coût calculatoire des études paramétriques sur les propriétés probabilistes des variables d’entrée des modèles. La propagation de l’incertitude au travers des modèles déterministes de stabilité et de mouvements de sol est évaluée, et des méthodes de dimensionnement fiabiliste sont proposées. Dans une dernière partie, la variabilité spatiale du sol est prise en compte par l’intermédiaire de la théorie des champs aléatoires, et appliquée à un modèle analytique 2D d’effondrement d’un front de taille. Ce modèle, développé dans le but de prendre en compte cette variabilité spatiale pour des temps de calcul inférieurs à ceux des modèles numériques, est validé numériquement et soumis à des tirages aléatoires en grand nombre. L’effet de la variabilité est évalué, et des phénomènes nouveaux liés à cette variabilité sont mis en lumière.

  • Titre traduit

    = Deterministic and probabilistic study of the behavior of tunnels


  • Résumé

    The work presented in this manuscript aims at studying the behaviour of shallow tunnels excavated with pressurized shields, by investigating two fundamental points : the stability of the tunnel face with respect to collapse and blow-out, and the occurrence of soil movements at the ground surface. The study first deals with deterministic aspects, and then focuses on a probabilistic approach. In a first time, several analytical models for the determination of the collapse and blow-out limit pressures are developed from observations of numerical results. Two of these models, respectively for frictional and purely cohesive soils, appear to provide very satisfying results, both for the computation of the limit pressures and for the assessment of the failure shape. Moreover, two numerical models of increasing complexity are programmed in order to evaluate the soil movements induced by the excavation, and their propagation to the ground surface. These deterministic models are then used in a probabilistic framework. The Collocation-based Stochastic Response Surface Methodology is presented, validated, and generalized in order to make possible at a limited computational cost a complete parametric study on the probabilistic properties of the input variables. The uncertainty propagation through the models of stability and ground movements is evaluated, and some methods of reliability-based design are proposed. In a last part of the manuscript, the spatial variability of the soil is taken into account using the random fields theory, and applied to a 2D analytical model of tunnel face collapse. This model, developed in order to take into account this variability for much smaller computation times than numerical models, is validated numerically and submitted to extensive random samplings. The effect of the spatial variability is evaluated, a emerging phenomena related to this variability are pointed out.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (387 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 333-345

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3680)
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