Étude des lois de comportement des sols à l’aide d’un essai d’expansion en forage réalisé avec une sonde à coquilles de déformation rigides

Study of soil behaviour using a probe with rigid plates in an in-situ expansion test

• Auteur / Autrice : Théo Besson
• Direction : Philippe Reiffsteck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 14/11/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques - Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques
• Jury : Président / Présidente : Jean Benoît
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Reiffsteck, Anne Pantet, Marcos Arroyo, Catherine Jacquard, Jean-Claude Dupla
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Pantet, Marcos Arroyo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique des sols

Contraintes (mécanique)

Pression -- Mesure

Géotechnique de l'environnement

Terre -- Expansion

Mots clés libres

Essais d'expansion

Module

Géotechnique

État limite

In situ

Pressiomètre

Modulus

Expansion tests

Soil mechanics

Limite state

In situ

Pressuremeter

Résumé

L’essai pressiométrique (PMT) était jusqu’à présent le seul essai in situ en mécanique des sols permettant d’accéder à une courbe contrainte-déformation complète du sol. Cette spécificité en a fait un essai privilégié pour le dimensionnement des fondations superficielles, permettant à l’ingénieur d’estimer à la fois la charge limite supportable par le sol et le tassement induit sous l’ouvrage en état de service.Ce mémoire présente les travaux portant sur le développement d’un nouvel appareil de mesure des déformations en forage, baptisé Dilatosol. L’essai au dilatomètre Fondasol (DFT)consiste à écarter à vitesse constante deux coquilles rigides et semi-cylindriques contre laparoi d’un forage réalisé au préalable. La mesure simultanée de la contrainte appliquée sur la paroi et du déplacement des coquilles permet d’accéder à une courbe contrainte-déformation complète du sol. Cet essai de chargement unidirectionnel est une extension de l’essai audilatomètre rigide pour l’étude des sols alors qu’il était jusque-là uniquement pratiqué en mécanique des roches.Ces travaux de thèse ont débuté dès la fin de conception du premier appareil. Notre méthode de validation du matériel de mesure s’est basée, à l’issue d’une confirmation métrologique en atelier, sur une étude comparative avec le pressiomètre Ménard. Cette approche a permis de faire évoluer le concept de la sonde Dilatosol qui s’est finalement déclinée en quatre prototypes. Le dernier en date permet d’appliquer sur le sol une contrainte de 4 MPa et unenfoncement relatif de la paroi du forage d’environ 40 % au moyen de pistons hydrauliques.La conception successive de ces appareils a été intégralement prise en charge par le service matériel, recherche et développement de Fondasol avec le concours de l’université Gustave Eiffel.Au travers des nombreux essais menés sur des sites présentant des contextes géotechniques variés, le dernier prototype a permis d’extraire de la courbe de chargement deux paramètres mécaniques des sols : un paramètre de déformabilité de type module pseudo-élastique défini à partir de la théorie de l’élasticité, et un paramètre de rupture défini par analogie avec la contrainte limite du sol soumis au chargement d’une fondation. Les résultats montrent que les différents modèles analytiques proposés donnent des résultats comparables en termes de module. De plus, le module au Dilatosol est proche du module pressiométrique ce qui est confirmé par des simulations numériques aux éléments finis. Quant au paramètre de rupture,les divers critères proposés donnent des résultats variables étant donné les multiples manières dont on peut définir la rupture. Nous montrons qu’un critère de type initiation de la propagation de déformations plastiques à partir de la paroi du forage donne une contrainte limite proche de la pression limite conventionnelle pressiométrique, et nous proposons donc de conserver ce paramètre en première approche.Enfin, grâce à une campagne d’essais croisés de chargement de fondation, d’essais pressiométriques et d’essais au Dilatosol, nous proposons une application directe de ces paramètres pour le dimensionnement d’une fondation superficielle circulaire. Les résultats montrent que l’on peut estimer les tassements à l’état limite de service et une contrainte limite à l’état ultime en adéquation avec les méthodes pressiométriques.Les résultats de ces recherches montrent que le Dilatosol peut se présenter comme une alternative fiable au pressiomètre pour la conception des fondations superficielles

The Ménard pressuremeter test (PMT) was so far the only in situ test in soil mechanics thatprovided a full stress-strain curve through the radial dilatation of a flexible cylindricalmembrane. Thus, this test is particularly suited to shallow foundations design: it enables toestimate both the maximal admissible load of the soil under foundations and the settlementsthat occur during the structure’s commissioning.This thesis dissertation presents a new soil investigation apparatus called the Dilatosol. TheDilatosol test (DFT) is a prebored expansion test during which two rigid semi-cylindricalshells are pushed against the borehole wall at a constant displacement rate. The measurementof the shells’ displacement and the hydraulic pressure applied provides access to a full stress-strain curve. Such unidirectional loading test is comparable to the borehole jack test that isperformed in rocks mechanics studies but never in soft soils.The thesis started after the conception of the first prototype. The validation of the apparatus isbased on a metrological control on a bench as well as on a comparative study with the Ménardpressuremeter test by means of crossover tests in various materials. This allowed us todevelop further the concept of the probe with a total of four prototypes developed. The lastone can apply a maximal stress of 4 MPa and a relative displacement of the borehole walls of40 % thanks to hydraulic cylinders. The whole conception process has been taken over by theresearch and development department of Fondasol with the support of the University GustaveEiffel (UGE).By means of studies on various geotechnical materials (dry Hostun sand reconstituted in acalibration chamber, in situ clay, etc.), we show that the two main soil’s mechanicalparameters can be derived from a load-displacement curve: a deformability parameter definedas a pseudo-elastic modulus derived from the theory of elasticity, and a failure parameterdefined by analogy with the limit pressure of the soil under failing under a shallowfoundation. The last prototype is the only one able to access these two parameterssimultaneously.Results show that the various analytical models proposed give similar results in terms ofpseudo-elastic moduli. Furthermore, the Dilatosol modulus is close to the pressuremetermodulus which is confirmed by finite elements analyses. The few failure criteria suggestedgive varying results given the different ways failure can be defined. We show that thedefinition of failure as the starting of failure propagation from the borehole walls gives accessto a limit stress close to the conventional Ménard limit pressure. It is then advised to keep thisdefinition as a first approach.Finally, thanks to a crossover tests campaign with foundation loading test, pressuremeter testsand Dilatosol tests, we carry out a direct application of the Dilatosol parameter to the designof a circular foundation. Results show that settlements at the service state and the ultimatelimit load can be successfully estimated and compared with the pressuremeter predictions.This research shows that the Dilatosol is a good alternative to the Ménard pressuremeter testto shallow foundation design