Modélisation du comportement des grandes excavations au moyen du pressiomètre

par Hiba El Arja

Projet de thèse en Géotechnique

Sous la direction de Emmanuel Bourgeois.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec SRO - Sols, roches et ouvrages géotechniques (laboratoire) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Les études de conception et d'exécution des tunnels et des stations de métro du Grand Paris font largement appel à des simulations numériques mettant en jeu la méthode des éléments finis. Malgré sa large utilisation depuis une quinzaine d'années, cette méthode présente encore un certain nombre de limites quand il s'agit de modéliser des excavations. En effet, le déchargement du terrain, qui simule la réalisation des tunnels ou des stations de métro, conduit à calculer des déplacements dans les directions verticales et horizontales qui ne sont pas toujours cohérentes avec les observations sur les ouvrages réels, et parfois même peu réalistes. La prévision de ces mouvements est néanmoins essentielle pour maîtriser les déformations subies par les constructions situées à proximité des excavations et pour garantir l'absence de tout désordre structurel significatif. Le problème de la modélisation des excavations par la méthode des éléments finis reste délicat car de nombreux paramètres interviennent et interagissent de manière complexe. En analysant les observations faites au cours de différents chantiers et expérimentations, il apparaît souvent qu'une partie des écarts entre les mesures et les calculs peut s'expliquer par un choix erroné du coefficient de pression des terres au repos et par une loi de comportement inadaptée à la description des déformations du sol dans le domaine des faibles déformations. D'autres paramètres sont susceptibles d'intervenir comme les conditions de contact entre l'écran et le sol, qui permettent en quelque sorte de dissocier le comportement de celui-ci dans les zones de poussée et de butée. L'objectif de la thèse proposée est donc de développer une meilleure stratégie de modélisation numérique des excavations en analysant à la fois les déplacements du sol induits par l'excavation et les mécanismes de rupture qui peuvent l'affecter. Pour le calcul des déplacements du sol induits par des excavations, au cours des trente dernières années, différents classes de lois de comportement ont été développées en mécanique des sols parmi lesquelles il est possible de citer : l'élasticité isotrope non linéaire, l'élasticité anisotrope linéaire, la plasticité avec écrouissage isotrope ou cinématique éventuellement non linéaire, etc. Actuellement, il n'existe pas d'études systématiques sur les avantages et les inconvénients de ces différentes classes de lois de comportement pour la modélisation des excavations, en particulier la possibilité de rendre compte d'une cuvette de tassements en arrière de l'écran de soutènement, si bien qu'il est difficile de savoir quelles doivent être les caractéristiques d'une loi de comportement réellement adaptée à la modélisation des excavations. La compréhension du comportement du terrain lors de chemins de contraintes en déchargement et l'identification dans la loi de comportement des paramètres permettant de rendre compte de cette cuvette de tassement sont un enjeu majeur de la thèse.L'étalonnage d'une loi de comportement à partir d'essais est une tâche essentielle et complexe qu'il s'agit d'aborder dans cette thèse en combinant de manière originale des essais de laboratoire et des essais in situ de type pressiométrique. L'étude des mécanismes de rupture constitue le second volet de cette thèse et vient satisfaire la nécessaire justification aux états limites ultimes des ouvrages selon le format proposé par les Eurocodes.Ce problème concerne aussi beaucoup les maîtres d'œuvre qui sont obligés dans la plupart des cas d'utiliser des techniques de réduction des propriétés de cisaillement des sols. Ces méthodes posent des questions sur la fiabilité des mécanismes de rupture mis en jeu qui sont obtenus par une réduction des propriétés de cisaillement des sols indépendante de l'état de contrainte. Il s'agit, dans le cadre de cette thèse, de développer une méthode alternative basée sur la prise en compte explicite de l'état de contraintes. Le programme proposé comporte essentiellement des parties théoriques et numériques. Il peut être organisé autour des tâches suivantes : •Le développement d'une loi de comportement adaptée à la modélisation des problèmes d'excavation en mettant en avant deux principaux axes : le premier basé sur le concept de l'élasticité anisotrope et le second basé sur celui de l'écrouissage cinématique non linéaire; •La calibration de cette loi de comportement à partir d'essais pressiométriques et d'essais de laboratoires notamment ceux réalisés dans le cadre des travaux du Grand Paris; •Le développement d'une méthode alternative de réduction des propriétés de cisaillement des sols basé sur une prise en compte de l'état des contraintes dans le terrain ; • L'implémentation en Fortran dans le code CESAR-LCPC de tous les développements produits précédemment ; • La validation de la loi de comportement développée à partir de mesures réalisés sur des excavations (station de métro de Fort d'Issy – Vanves – Clamart).

  • Titre traduit

    Modeling the behaviour of deep excavations using the pressuremeter


  • Résumé

    The design of the tunnels and the subway stations of Grand Paris largely make call with simulations bringing into play the finite element method. In spite of its broad use for about fifteen years, this method has still presented a certain number of limits when it is a question of modelling excavations. Indeed, the unloading of the ground, which simulates the realization of the tunnels or the subway stations, lead to calculate displacements in the vertical and horizontal directions which are not always coherent with the observations on the real works, and sometimes even not very realistic. The forecast of these movements is nevertheless essential to control the deformations undergone by the constructions located near the excavations and to guarantee the absence of any significant structural disorder. The problem of the modeling of the excavations by the finite element method remains delicate because many parameters intervene and interact in a complex way. By analyzing the observations made during various building sites and experiments, it often appears that part of the differences between measurements and calculations can be explained by an erroneous choice of the coefficient of earth pressure at rest and by a law of behavior unsuited to the description of the deformations of the ground in the field of the weak deformations. Other parameters are likely to intervene like the conditions of contact between the screen and the ground, which to some extent make it possible to dissociate the behavior of this one in the zones of active and passive earth pressure. The objective of the thesis suggested is thus to develop a better strategy of modeling the excavations by analyzing at the same time the displacements of the ground induced by the excavation and the mechanisms of rupture which can affect it. For the calculation of displacements of the ground induced by excavations, during thirty last years, different classes from laws of behavior were developed in soil mechanics among which it is possible to quote: nonlinear isotropic elasticity, linear anisotropic elasticity, plasticity with isotropic or kinematic work hardening possibly nonlinear, etc. Currently, there do not exist systematic studies on the advantages and the disadvantages of these various classes of laws of behavior for the modeling of the excavations, in particular the possibility of giving an account of a basin behind the screen of supporting, so that it is difficult to know which must be the characteristics of a law of behavior really adapted to the modeling of the excavations. The comprehension of the behavior of the ground in unloading state and the identification in the law of behavior of the parameters making it possible to give an account of this basin are a major stake of the thesis. The calibration of a law of behaviour from tests is an essential and complex task which it is a question of approaching in this thesis while combining in an original way of the laboratory tests and in situ tests of pressure measuring type. The study of the mechanisms of rupture constitutes the second shutter of this thesis and comes to satisfy the necessary justification to the ultimate limiting states with the works according to the format suggested by Eurocodes.Ce problem concerns also the project superintendents who are obliged in most case using techniques of reduction of the properties of shearing of the grounds. These methods ask questions about the reliability of the mechanisms of rupture concerned which are obtained by a reduction of the properties of shearing of the grounds independent of the state of stress. It acts, within the framework of this thesis, to develop an alternative method based on taking into account of the state of stresses. The program suggested can be organized around the following tasks: •The development of a law of behavior adapted to the modeling of the problems of excavation by proposing two main axes: the first based on the concept of anisotropic elasticity and the second based on that of nonlinear kinematic work hardening; •The calibration of this law of behaviour starting from pressure measuring tests and laboratory tests in particular those carried out within the framework of work of Grand Paris; •The development of an alternative method of reduction of the properties of shearing of the grounds based on a taking into account of the state of the constraints in the ground; • Implementation in FORTRAN in code CESAR-LCPC of all the developments produced previously; • Validation of the law of behavior developed starting from measurements realized on excavations (subway station of Fort of Issy – Vanves – Clamart).