Nouvelles approches numériques pour la modélisation des massifs rocheux dégradés. Application au creusement des ouvrages souterrains soutenus.

par Angéline Defay

Projet de thèse en Ingénierie, mécanique et énergétique

Sous la direction de Habibou Maitournam.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris , en partenariat avec IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (laboratoire) et de école nationale supérieure de techniques avancées (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Les massifs rocheux dégradés sont de plus en plus rencontrés dans les projets d'aménagement, car les contraintes (environnementales, foncières…) amènent à conduire des projets dans ces terrains géologiquement défavorables. L'état de l'art très insatisfaisant de l'ingénierie rocheuse pour ce type de terrains induit des surcoûts et des délais conséquents, voire des accidents parfois dramatiques. Le projet est né de la volonté de faire progresser la modélisation des roches dégradées, en utilisant des méthodes numériques pointues bénéficiant des avancées récentes en termes de puissance de calcul. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de mettre au point de nouvelles méthodes opérationnelles appliquées au creusement des tunnels. Dans le domaine des tunnels, la méthode classique (convergence-confinement) donne des résultats irréalistes pour ce type de terrain et n'a plus été actualisée depuis une quinzaine d'années. Cette méthode permet d'intégrer la notion de déconfinement, c'est-à-dire le fait que le massif ait commencé à converger avant la pose du soutènement, réduisant d'autant la pression exercée sur le soutènement. On peut ainsi se ramener à des calculs purement analytiques. Si la méthode est séduisante dans son principe et simple dans son emploi, il n'en demeure pas moins qu'elle dépend entièrement d'un paramètre critique, le taux de déconfinement. Or, ce taux est une inconnue du problème dépendant d'un grand nombre de paramètres liés à la loi de comportement du massif, mais également à la pose du soutènement (raideur et distance de pose par rapport au front de taille). En effet, hormis le cas idéal du massif élastique non soutenu, pour lequel plusieurs formulations analytiques ont été proposées pour relier la convergence à la distance au front de taille, le principe n'a pas été généralisé, hormis une formulation purement observationnelle et une application limitée à des roches de faible qualité à grande profondeur, qui a montré cependant les limites et dangers de l'extrapolation des calculs élastiques dans ces matériaux. Différentes formules ont été proposées pour pallier cette difficulté, comme les principes de similitude et d'interaction. Ces derniers sont largement utilisés au sein de la profession mais atteignent leurs limites, du fait qu'ils n'ont pas été établis pour des roches. Cette thèse vise à développer les outils numériques permettant d'étudier les points suivants : - développements théoriques et numériques permettant de modéliser de manière plus réaliste le comportement des massifs rocheux et des massifs dégradés. - modélisation en 3D : ouvrages non circulaires et creusement en section divisée. - intégrer les effets différés (prise) dans le soutènement, pour le béton projeté et le mortier (vide annulaire à l'extrados des voussoirs lors du creusement par tunnelier). Des avancées fortes pour la connaissance du comportement des tunnels sont attendues, en particulier des contraintes s'exerçant sur le béton projeté et les soutènements posés par tunnelier, ce qui permettra d'améliorer la sécurité et réduire le coût des ouvrages. Sont attendues également de nouveaux principes et formules appliqués pour dimensionner les ouvrages.

  • Titre traduit

    New numerical approaches for the modelisation of damaged rock masses. Application to the excavation of reenforced underground structures.


  • Résumé

    The damaged rock masses are more and more common on land-use planning projects, because the environmental and land-use constraints leads to carry out some projects on these geologically unfavourable lands. The state of the art about rock engineering is very unsatisfying for this type of lands and leads to extra costs and execution times, or even accidents which may be dramatic. This projects come from the ambition to develop the modelisation of damaged rocks with specialized numerical methods using the recent progress in computing power. In this context, the objective of this thesis is to develop new operationnel methods applied to tunnels excavation. In the field of tunnels, the classical method (convergence-confinement) gives non realistic results for this type of ground and was not improved for about 15 years. This method integrate the notion of deconfinement, which represents the fact that the mass has started to merge before the support structure is installed. That reduces the stresses applie on the support structure. Then the maths are only analytical. The principe is attractive, and the execution is simple, but this method depends on a critical parameter : the deconfinement ratio. This ratio is an unknown factor of the problem depending on a lot of parameters from the masse behaviour and the support structure (stiffness and distance from the rock face). Excluding the ideal case of elastic mass with no support structure, for which several analytical expressions were formulated between convergence and distance from the rock face, the principe has not been generalised, except observationnal formulation limited to poor quality rock and low depth, which yet shows the limits and dangers of an extrapolation of elastic formulation in these materials. Differents expressions were formulated to deal with this difficulty, as the similitude and interaction principes. There are widely used but are limited because they vere not developped for rocks. This thesis aspire to develop the numerical tools to study the following points: - theorical and numerical developpements needed to modelise the rock masses and damaged rock masses behaviour more realisticly. - 3D modelisation : non-circular tunnels and divised-section excavation - integration of the delayed effects in the support structure for the sprayed concrete and mortar (annular gap at the extrados of the linings when excavation with tunneling machine) Important progress on the tunnels behaviour knowledge are expected, especially about stresses on the sprayed concrete and support structure posed using tunneling machine, which leads to increase the safety and reduce the costs. Are also expected some new principes and formulations used for the dimensionning of the structures.