Inertial loading of soil reinforced by rigid inclusions associated to a flexible upper layer

par Hana Santruckova

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Pierre Foray et de Philippe Gotteland.

Soutenue le 18-06-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Sols, Solides, Structures-Risques (équipe de recherche) .

Le président du jury était Farimah Masrouri.

Le jury était composé de Pierre Foray, Philippe Gotteland, Stephane Grange, Jimmy Wehr.

Les rapporteurs étaient Daniel Levacher, Luc Thorel.


  • Résumé

    Le renforcement des sols en zone sismique par des colonnes ballastées et/ou des inclusions rigides représente une alternative prometteuse et de plus en plus répandue par rapport aux solutions lourdes de fondations sur pieux. On sait que les pieux subissent, du fait de leur rigidité, des moments très importants au niveau de la liaison chevêtre-pieu. Les inclusions rigides surmontées d'un matelas granulaire permettent de mieux dissiper les efforts inertiels transmis par la superstructure, mais peuvent nécessiter des armatures si ce matelas n'est pas suffisamment épais. On peut penser que la colonne à module mixte (CMM) offre une solution combinant l'effet « matelas » à travers sa partie supérieure en colonne ballastée plus flexible et l'effet stabilisateur de la colonne inférieure. Cette thèse présente dans une première partie l'étude expérimentale réalisée au Laboratoire 3S-R (Grenoble) sur des modèles réduits à l'échelle 1/10 afin d'analyser la réponse de ces systèmes sous différentes charges statiques et dynamiques. Le modèle physique se compose d'une semelle carrée reposant directement sur l'argile renforcée. Le chargement vertical et horizontal, statique et dynamique est appliqué par l'intermédiaire de la fondation. Une instrumentation a été placée au niveau de la semelle pour obtenir la réponse globale du système, ainsi que dans la partie rigide inférieure du modèle pour évaluer la répartition des efforts entre inclusion et partie flexible supérieure. Une attention toute particulière a été donnée à la simulation de l'effet inertiel d'un séisme. Les profils de moments, d'efforts tranchants et de déplacements en fonction de la profondeur déterminés à partir de 20 extensomètres répartis régulièrement sur toute la hauteur de la partie rigide ont permis d'étudier l'influence de la hauteur de la colonne ou du matelas. La comparaison entre les déplacements dynamiques de la semelle et les courbes P-y (pression latérale P fonction du déplacement latéral y de la tête de pieu), permet de quantifier la dissipation de l'énergie dans les différentes parties du système. Les résultats expérimentaux montrent que la partie supérieure souple absorbe l'essentiel de l'énergie inertielle sismique. Une modélisation numérique 3D confirme les tendances observées expérimentalement et souligne l'importance du rôle de la zone de transition entre partie souple et partie rigide.

  • Titre traduit

    Inertial loading of soil reinforced by rigid inclusions associated to a flexible layer


  • Résumé

    Along with the increasing need of construction land, numerous soil reinforcement technologies are proposed in order to improve the soil mechanical properties on one hand and overall site response on the other hand. The presented study is carried out in the context of seismic soil reinforcement and its interaction with a shallow footing which undergoes inertial loading. The system is studied mainly through physical modelling when reduced scale models are constructed in order to simulate clay reinforcement, which is composed of a rigid lower part associated to a flexible upper part. The soft upper part offers shear and moment capacity and the rigid lower part gives bearing capacity. In order to design the reinforcement elements, the response of this combined system to different static and dynamic loads must be understood. This thesis presents results from a primarily experimental study performed in Laboratoire 3S-R (Grenoble). Two reduced (1/10) physical models consisting of a group of four rigid inclusions associated to an upper flexible part are studied in clay. Combined vertical and horizontal static and dynamic loading is applied with a shallow foundation model. A parametric study is done, varying the height of the flexible part of the models in order to define its effect on the settlements of the foundation and lateral performance of the rigid inclusion. A special emphasis was given to the study of the inertial effects of seismic type loading. For this purpose, one of the rigid inclusions was instrumented with 20 levels strain gauges measuring flexural strain, used to calculate the bending moment along the pile. This gives pile deflection (y) by double integration and soil reaction (P) by double derivation. P-y curves are thus obtained. The analysis of the dynamic deflection of the rigid inclusion compared to the movement of the foundation allowed an estimation of the energy dissipated. The results indicate that a large amount of the seismic energy is dissipated within the upper flexible part of the models. Even though the scaling laws are not strictly respected, the main objective of the physical modelling was to perform a qualitative study of the soil reinforcement, studying its behaviour under inertial loading and pointing out important mechanisms, which should be taken into account by the current practice.


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