Analyses déterministes et probabilistes de parois de soutènement

Deterministic and probabilistic analyses of supported excavations

• Auteur / Autrice : Tingting Zhang
• Direction : Daniel Dias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 05/06/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Farimah Masrouri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zhibin Sun, Yann Malécot, Eric Antoinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sidi Mohammed Elachachi, Richard Giot

Mots clés

Mots clés libres

Excavations soutenues

Stabilité du soulèvement de la base

Déviation horizontale de la paroi

Analyse de fiabilité

Analyse de sensibilité

Krigeage du Chaos Polynomial

Supported excavations

Basal heave stability

Horizontal wall deflection

Reliability analysis

Sensitivity analysis

Polynomial Chaos Kriging

Résumé

L'excavation soutenue est principalement concernée par l'instabilité de la base, les déplacements horizontaux des parois et les déformations du sol dans la conception géotechnique. L'évaluation de la stabilité correspondante est essentielle pour prévenir les dommages aux infrastructures adjacentes et à la vie des personnes. Les incertitudes dans les propriétés du sol sont également largement rencontrées dans le domaine de l'ingénierie géotechnique et il est nécessaire de mettre en œuvre une analyse probabiliste pour fournir des résultats plus rationnels et complémentaires.Ce travail tente d'évaluer la stabilité des excavations dans des cadres déterministes et probabilistes. Deux types d'excavations soutenues, comprenant des sections rectangulaires et circulaires, sont considérés. Pour la partie déterministe, plusieurs modèles basés sur l'analyse de la limite supérieure et des simulations numériques sont proposés pour évaluer la stabilité des excavations soutenues dans des conditions (non)drainées. Pour la partie probabiliste, les approches de variables aléatoires et de champs aléatoires sont utilisées pour modéliser les incertitudes des paramètres. Un cadre d'analyse complet et efficace basé sur les modèles de substitution est ensuite proposé, ce qui permet d'estimer avec précision la probabilité de défaillance de l'excavation et les moments statistiques dans un temps de calcul considérablement réduit. Le krigeage du chaos polynomial et les expansions du chaos polynomial éparses sont principalement utilisés pour la construction du modèle de substitution. En outre, une méthode probabiliste polyvalente et flexible basée sur le réseau neuronal artificiel est développée pour améliorer l'efficacité des évaluations probabilistes. En outre, certaines questions encore inconnues ou peu claires dans le domaine de l'analyse de la stabilité des excavations soutenues sont discutées, notamment: l'interface sol-paroi et ses incertitudes sur la stabilité des excavations; l'analyse de la stabilité d'un cas réel d'excavation à grande profondeur (32 m); la non-homogénéité du sol et les effets hydrauliques sur la stabilité des puits circulaires; l'anisotropie du coefficient de perméabilité hydraulique sur la stabilité des puits circulaires; l'analyse de sensibilité globale pour la détermination de l'importance des paramètres.Ce travail peut constituer un bon complément aux études existantes sur l'évaluation de la stabilité des excavations soutenues. Les résultats obtenus devraient permettre de mieux résoudre les problèmes géotechniques pratiques.

Supported excavations are mainly concerned with base instability, horizontal wall displacements and ground deformations in geotechnical design. Their stability assessment is essential to prevent damages to adjacent infrastructures and people’s lives. Uncertainties in soil properties are also widely encountered in the field of geotechnical engineering and it is necessary to implement a probabilistic analysis to provide more rational and supplementary results.This work attempts to assess the excavations stability in deterministic and probabilistic frameworks. Two kinds of supported excavations, including rectangular- and circular-shaped cross-sections, are considered. For the deterministic part, several models based on the upper bound limit analysis and numerical simulations are proposed to evaluate the supported excavations stability under (un)drained conditions. For the probabilistic part, the random variable and random field approaches are used to model parameter uncertainties. A comprehensive and efficient analysis framework based on the surrogate models is then proposed, which allows to accurately estimate the excavation failure probability and statistical moments within a significantly reduced computational time. Polynomial Chaos Kriging and Sparse Polynomial Chaos Expansions are mainly used for the surrogate model construction. Besides, a versatile and flexible sample-wised probabilistic method based on the Artificial Neural Network is developed to further improve the probabilistic assessments efficiency. In addition, some issues that are still unknown or unclear in the field of the supported excavations stability analysis, are discussed, mainly including: the soil-wall interface and its uncertainties on the excavations stability; the stability analysis of a real great-depth (32 m) excavation case; the soil non-homogeneity and hydraulic effects on the circular shafts stability; the anisotropy of the hydraulic permeability coefficient on the circular shafts stability and a global sensitivity analysis for the parameter importance determination.This work presents a good supplement to the existing studies on the stability assessment of supported excavations. It allows to better understand and design practical geotechnical problems.