Etude expérimentale et théorique du comportement d un tunnel renforcé par boulonnage frontal
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Etude expérimentale et théorique du comportement d'un tunnel renforcé par boulonnage frontal

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Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats 175 Annexe A Modèle analytique : résolution détaillée et résultats A.1. Solution détaillée pour le scénario A Phase A1 – Matériaux élastiques Dans cette phase, le sol et les boulons ont un comportement élastique en tout point. Dès l’instant initial, une zone de descellement EL’ apparaît en paroi, où on a rupture de scellement, et se propage à partir du front sur une distance x. Au-delà, les deux constituants adhèrent parfaitement ensemble. Dans la zone élastique extérieure EL, en substituant l’équation (II.27) dans la relation (II.24) avec ζ=0 et en éliminant σ grâce à l’équation d’équilibre (II.17), on obtient l’équation différentielle suivante selon la θseule variable σ : r34BR E βR²⎛ ⎞s(A.1) ∂ σ + 1 + = 0 ⎜ ⎟r r 4r r²⎝ ⎠D’où, d’après la prise en compte des conditions aux limites en r →∞ : 5 3⎛ ⎞βR R(A.2) σ = −P + 4BE ⎜ + ⎟ r ∞ s 5 3⎜ ⎟5r 3r⎝ ⎠- +Pour déterminer la constante B, on écrit la continuité de T (r) au rayon x, c’est-à-dire T (x )=T (x ) où le b b bmembre de gauche provient de l’expression (II.16) et celui de droite de l’expression (II.13) : 2B(A.3) T (x) = pq (x − R) = S E b s b b 3xOn obtient aisément, en fonction du rayon adimensionnel X = x/R : 3KC(X −1)X(A.4) B = 2 βEsDans la zone élastique intérieure EL’, la relation liant la déformation radiale du sol et les contraintes de ce dernier s’écrit : 1 s s(A.5) ∂ u = ε = ( σ − σ ) r r r θEsEn combinant cette ...

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Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
Annexe A
175
Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
A.1. Solution détaillée pour le scénario A Phase A1 – Matériaux élastiques
Dans cette phase, le sol et les boulons ont un comportement élastique en tout point. Dès l’instant initial, une zone de descellement EL’ apparaît en paroi, où on a rupture de scellement, et se propage à partir du front sur une distance x. Audelà, les deux constituants adhèrent parfaitement ensemble. Dans la zone élastique extérieure EL, en substituant l’équation (II.27) dans la relation (II.24) avecζ=0 et en éliminantσθgrâce à l’équation d’équilibre (II.17), on obtient l’équation différentielle suivante selon la seule variableσr: 3 B E 4RsβR²(A.1)rσr+ ⎜1+ ⎟ =04 rr²D’où, d’après la prise en compte des conditions aux limites en r→∞: 5 3 βR R(A.2)σ= −P+4BE5+3r s 5r3r ⎝ ⎠  + Pour déterminer la constante B, on écrit la continuité de Tb(r) au rayon x, c’estàdire Tb(x )=Tb(x ) où le membre de gauche provient de l’expression (II.16) et celui de droite de l’expression (II.13) : 2B (A.3)T(x)=pq(xR)=S Eb s b b 3 x On obtient aisément, en fonction du rayon adimensionnel X = x/R : 3 KC(X1)X (A.4)B=2βE s Dans la zone élastique intérieure EL’, la relation liant la déformation radiale du sol et les contraintes de ce dernier s’écrit : 1s s (A.5)u=ε=(σσ)r r rθ E s En combinant cette relation avec l’équation d’équilibre (II.18) du sol et l’expression (II.27) deεron , obtient : 3 s4EsBR R² (A.6)∂ σ+ +d pq=0r r b s 4 r² s D’où, en tenant compte de la condition en paroiσ(R)= −P: r i 3 s4EsBRR(A.7)σ= −P+1+KC⎜ −1r i 3 3rr⎝ ⎠ De plus, compte tenu des relations (II.16) et (II.5), la contrainte homogénéiséeσ0(r) due aux boulons vaut : 2 2 R⎞ ⎛R(A.8)σ(r)d pqd T (r R) 0= ⎜ ⎟ =s⎜ ⎟ b b b r⎠ ⎝r
Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
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En superposant les expressions (A.7) et (A.8), on obtient l’expression de la contrainte homogénéisée : 2 3 ⎛ ⎞ s4RR(A.9)σ=σ+σ(r)= −P+BE1KC⎜ −1r r0i s 3 3rr⎝ ⎠ Le rayon x se détermine en écrivant la continuité deσr en x ; soitσr (x) =σroù le membre de (x+), gauche provient de l’expression (A.9) deσrdans la zone EL’ et celui de droite de l’expression (A.2) de σrla zone EL. Ce qui s’écrit, en simplifiant par les valeurs adimensionnelles K, dans β, X et P= ∆P C:
5 KC(X1)2X3(A.10)Σ(X,P)=+X− ∆P=0A1 2 X3β5 ⎝ ⎠ On démontre facilement qu’on aΣA1(1) = P*<0 ,ΣA1() etΣA1’(X>1)>0 , l’équation cidessus admet donc une et une racine unique dans l’intervalle (1,). La détermination de X ne nécessite qu’un simple calcul numérique. La fin de la phase élastique se produit lorsqu’il y a début de plastification du sol c’estàdire lorsque le critère de Tresca est tout juste atteint. Soit : 3 2BR E s s s s s s s σ σ σ avec− =Eε= (A.11)f( )=rθ2C=0σrσθs r3
Ce dernier terme étant monotone décroissant en r, cette condition est d’abord atteinte en paroi pour r=R, ce qui s’écrit, après avoir substitué la valeur (A.4) de B et après avoir simplifié : 2β 4 3 (A.12)XX− =0
Cette équation est d’ordre 4 et peut donc être résolue analytiquement ; elle possède une seule racine (A1) réelle positive dépendant de 2β, dont l’expression (assez complexe) se détermine par un/K, notée X simple calcul formel. La figure 5 cidessous donne l’évolution de la valeur de cette racine en fonction de /K. (A1)2β On peut démontrer aisément que1<X<1+pourβetpositifs. K 2,6 1 + 2β/K
2,4
2,2
2
1,8
1,6
1,4
1,2
(A1) X
1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 2β/K (A1) Figure A.1. Evolution du rayon X caractérisant la fin de la phase élastique en fonction de/K (A1) La fin de la phase 1 se produit lorsque le chargementP atteint le seuilvérifie l’équationP qui (A1) (A1) Σ(X,P)=0. Soit : A1 (A1) ( )5(A1)KC X1 2(A1) (A1)3 (A.13)P=X+X2⎢ ⎥ (A1) 3β5 X⎣ ⎦
Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
Phase A2 – Massif plastifié en paroi et boulons élastiques
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Dans la zone élastique extérieure EL,σradmet la même expression (A.2) qu’en phase A1. La continuité de Tben x donne, de plus, la même expression (A.4) de B. s s Dans la zone plastique PL’s, en remplaçant le critère de Trescaσσ2C=0 pour le sol, dans rθ s l’équation d’équilibre (II.18) du sol et en tenant compte de la condition en paroiσ(R)= −P , on r i obtient après résolution : r R s⎛ ⎞ (A.14)σ= −P4CLn+KC⎜ −1r i RrD’où la contrainte radiale macroscopique : 2 srR(A.15)σ=σ+σ(r)= −P4CLnKC⎜ −1r r0i Rrs Dans la zone élastique EL’, l’équation différentielle (A.6) surσrest toujours valable. On obtient, après résolution : 3 E s4sBR KCR (A.16)σ= + +DCr 3 3r où D est une constante d’intégration sans dimension. D’où : 2 3 4E BR sr⎞⎛RsKCRR= + ⎜ 1⎟ ⎜2+ (A.17)σrσrKC⎜ ⎟ =3+ − DCR⎠⎝r3r rrs s s La continuité deσren w,σr(w) =σr(w+), où le membre de gauche provient de l’expression (A.14) de s s σrla zone PL dans s’ et celui de droite de l’expression (A.16) deσrla zone EL’, donne, après dans simplification : 3 ⎡ ⎤ Pi2XD+ +LnW+K+X− ⎜(A.18)41(1)⎟ ⎥ =0 C3βW ⎢ ⎝ ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ La continuité deσren x,σr(x) =σr(x+), où le membre de gauche provient de l’expression (A.17) deσrdans la zone EL’ et celui de droite de l’expression (A.2) deσrla zone EL. Ce qui donne, après dans simplification : P38X (A.19)D= − +KC5X² La détermination des rayons inconnus w et x se déroule comme suit. La première équation vient du fait s s que le critère de plasticité du sol est tout juste atteint en w+. Les contraintesσretσθdans la zone EL obéissant à la loi de comportement élastique linéaire, on a donc, en introduisant le rayon adimensionnel W = w/R : s s s2B (A.20)σσθ=Eε(w)=E=2Cr s r s 3 W En remplaçant par la valeur (A.4) de B, on obtient l’expression de W : 1 3 3 (A.21)W=K(X1)X2β La deuxième équation se déduit en combinant les équations (A.18) et (A.19) et en remplaçant W par la valeur cidessus ; il en résulte l’équation suivante sur X :
Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
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3 P4KX(X1)⎤ ⎛38X4 (A.22)Σ(X,P)= −LnK1+ ⎟ − =0A2⎢ ⎥ C3 2β5X²3 ⎣ ⎦ De même que précédemment, cette équation possède une et une seule racine qui se détermine facilement par un simple calcul numérique du fait de la décroissance monotone de la fonction. Elle définit une fonction implicitement monotone croissante X(P). La fin de la phase A2 a lieu lorsque le rayon w de plasticité du sol rattrape le rayon x de déchaussement, (A2) soit mathématiquement W = X ; d’après l’équation (A.21), ceci a lieu pour la valeur particulière X , vérifiant : (A2)2β (A.23)X=1+K ce qui correspond, d’après (A.22), à une valeur de chargement égale à : ( 24C2β4βC1+5βK A)⎡ ⎤ (A.24)P= +4CLn1+ +⎢ ⎥ 2 3K5(1+2βK) Phase A3 – Le rayon plastique du sol w dépasse le rayon de descellement x
(A2) Lorsque w dépasse x, c’estàdire lorsqueP devient supérieur àP , la configuration évolue par rapport à la précédente : on a deux zones de plasticité du sol, une avec descellement à l’interface sol/boulon et l’autre avec adhérence parfaite. Tous calculs faits, on montre que, pour cette phase A3, les équations liant les différents paramètres X, W etP sont exactement les mêmes que celles de la phase A2. La fin de cette troisième phase a lieu lorsque la limite élastique des boulons est atteinte, c’estàdire lorsque : KC(r R1) si R<r<x σ b ybβE b s (A.25)ε=ε=r ybavecε=3r3 EKC(X1)XRb ⎜ ⎟si r>x βErs b Commeεrest monotone croissante en r sur l’intervalle [R, x] et décroissante sur l’intervalle [x,], cette condition est d’abord atteinte en son maximum c’estàdire en x. On a alors : KC(X1) (A.26)ε=yb βE s (A3) D’où la valeur particulière de X , notée X , marquant l’entrée en plasticité des boulons : (A3) (A.27)X=1+K (A3) Cette valeur particulière correspond au seuil de chargementP qui vérifie l’équation (A.22). Tous calculs faits, on obtient : 3⎡ Ω 8 ⎡ ⎤ +5 (A3)4C4Ω ⎞Ω ⎛ K+ + − (A.28)P= +CLn⎢ ⎜1⎟ ⎥KC12 ⎢ ⎥ 3 3 2βK⎢ ⎝ ⎠ ⎥ ⎣ ⎦5(1+) K
Phase A4 – Plastification des boulons
Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
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Le début de la plastification des boulons marque l’arrêt de la propagation de la zone de déchaussement entre le sol et le boulon. Le rayon de déchaussement x atteint alors sa valeur maximale et ne varie plus. Il (A3) reste par la suite égal àX=1+. K Le déplacement est toujours donné par l’expression (II.27). La continuité de la traction Tben z s’écrit : 2B (A.29)T=Sσ=E Syb b yb b b 3 Zz+ Z On en déduit la constante B : C3 (A.30)B=Z2βE s Dans la zone élastique EL,σrtoujours la même expression (A.2) et la continuité de T admet bx en conduit toujours à la même expression (A.4) de B. Dans la zone plastique PLs’, l’expression (A.15) deσrest toujours valable. Dans la zone plastique PLs, le critère de plasticité du composite et l’équation d’équilibre (II.17) permettent de déduire : 2 Rrσ r (A.31)σσ=2C+σ(r)=2C+d⎜ ⎟T= −rθ0b b r2r En remplaçant par l’expression (4) de Tb(dans le casεr<εyb) et en résolvant cette équation différentielle, on obtient : 5 r4R (A.32)σ= −4CLn+βE B+DCr s 5 R5r où Dest une constante d’intégration sans dimension. Dans la zone PLs/PLb, l’équation différentielle (A.31) est toujours valable mais l’expression (II.13) de Tbest celle du casεr>εyb(ie. boulon plastifié). On obtient finalement : 2 rRσ= −4CLn′′(A.33)r+ ΩC⎜ ⎟ +D C Rroù D′′est une autre constante d’intégration sans dimension. (A2) (A2) (A2) La continuité deσr en x s’écritσr) = (x σr+), où le membre de gauche provient de (x l’expression (A.15) deσrdans la zone PLs’ et celui de droite de l’expression (A.33) deσrdans la zone PLs/PLb. Ce qui donne, après simplification : P K i (A.34)D′′ = − CΩ +K De la même manière, la continuité deσren z, en utilisant les relations (A.31), (A.33) et (A.34) conduit à : PK3C i (A.35)D′ = − − +CΩ +K5Z² Enfin, la continuité deσr en w, tenant compte de (A.2), (A.31) et (A.35), permet de déduire l’équation suivante : 3 PK32Z (A.36)− −4LnW=+ − 03 CΩ +K5Z² 3βW La détermination des rayons inconnus w et z se déroule comme suit. La première équation vient du fait s s que le critère de plasticité du solσσθ2C=0est tout juste atteint en w+. On retrouve alors r l’expression (A.20) où on introduit la valeur (A.30) de B. D’où :
Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
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3 3 (A.37)W=Z2β La deuxième équation se déduit en remplaçant W dans l’équation (A.36) par la valeur ci dessus ; il en résulte l’équation suivante sur Z : 3 P4⎡ ΩZ3Ω ΩK4 (A.38)Σ(Z,P)= −Ln− =+ − 0A4⎢ ⎥ C3 2β5Z²Ω +K3 ⎣ ⎦ Notons que le début de plastification de cette phase commence avec Z = 1+/K. On démontre facilement qu’on aΣA4(1+/K,P)>0,ΣA4(,P)<0 etΣA4’(Z>1+/K)<0, l’équation ci dessus admet donc une racine unique dans l’intervalle (1+/K,). De plus, l’hypothèse prise au départ (2β≤Ω) fait que z ne rattrape pas w, il n’y a donc pas d’autres phases.
A.2. Solution détaillée pour le scénario B Dans le cas B, les phases B1 et B2 sont respectivement identiques aux phases A1 et A2 du cas A. Phase B2 – Massif plastifié en paroi et boulons élastiques
La fin de cette deuxième phase a lieu lorsque la limite élastique des boulons est atteinte. On retrouve (B2) alors les mêmes conditions que la fin de la phase A3, d’où la valeur particulière de X, notée X , qui a la même expression que (A.27) : (B2)(A3) (A.39)X=X=1+K (B2) (A3) Cette valeur particulière correspond au seuil de chargementP =P . Phase B3 – Plastification des boulons
Le début de la plastification des boulons marque l’arrêt de la propagation de la zone de déchaussement entre le sol et le boulon. Le rayon de déchaussement x atteint alors sa valeur maximale et ne varie plus. Il (B2) reste par la suite égal àX=1+. K
A.3. Solution détaillée pour le scénario C Phase C1 – Matériaux élastiques
Dans le cas C, la phase C1 est identique à la phase A1, seule la fin de la phase élastique est différente b puisqu’elle a lieu lorsque les boulons atteignent leur limite d’élasticité, soit :ε=ε. L’équation r yb (A.25) montre que cette condition apparaît d’abord en x pour la valeur : (C1) (A.40)X=1+K (C1) La fin de la phase C1 se produit donc lorsque le chargementP atteint le seuilvérifieP qui (C1) (C1) l’équationΣ(X,P)=0. Soit : A1 5 Ω ⎡(Ω +)Ω ⎤ (C1)K² 2K2 (A.41)P=C+ +⎢ ⎥ 2 5 (Ω +K)3βK K5 ⎣ ⎦
Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
Phase C2 – Boulons plastifiés en paroi et massif élastique
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Dans la zone élastique externe EL, on a la même expression (A.2) deσrqu’en phase 1. s Dans la zone élastique intérieure EL’, les expressions (A.7) et (A.9) deσretσrsont toujours valables. La continuité de la traction Tben z permet de déduire la même expression (A.29) qu’en phase A3, d’où la C 3 même valeur pour la constante B, soitB=Z. 2βE s Dans la zone de plasticité des boulons PLb, la combinaison de l’équation d’équilibre (II.17) et de la loi de comportement du massif homogénéisé s’écrit : 3 2BR E EβR²rσ s s r (A.42)σσ=Eε+σ(r)= +σ= −rθs r0yb 3 ² 2 r Ebrr En remplaçant par la valeur de B, on arrive à l’expression deσr: 3 ⎛ ⎞ z R² (A.43)σ=2C++B'CB’ est une constante d’intégration où r 3 3βr2r² ⎝ ⎠ adimensionnelle. La continuité deσren x s’écritσr(x) =σr(x+), où le membre de gauche provient de l’expression (A.9) deσr dans la zone EL’ et celui de droite de l’expression (A.43) deσr dans la zone PLb. Ce qui donne, après simplification : 3 P iK2Z (A.44)B′ = − − −CΩ +K3β La continuité deσren z s’écritσr(z) =σr(z+), où le membre de gauche provient de l’expression (A.43) deσrdans la zone PLbet celui de droite de l’expression (A.2) deσrdans la zone EL. Ce qui donne, après avoir remplacer par la valeur de B’ et simplifier : ∆ Ω ⎛ ∆PP23K3 (A.45),= −Z=− + 0ΣC2ZCC3βΩ +K5Z² Elle a lieu lorsque le massif entre en plasticité. En introduisant le critère de plasticité de Tresca s s s s σσ σσ=2C, d’abord atteint en paroi (en r = R) car le déviateurθ est décroissant suivant r, rθr dans l’équation d’équilibre (II.18) du sol, on obtient : s σ r (A.46)4C+R+KC=0r r=R s σrest donné par l’expression (A.7) dans la zone EL’. Il en résulte : 32β (A.47)Z=(B2) Finalement, le seuil de chargementl’entrée en plasticité du sol se détermine enP marquant remplaçant cette valeur particulière de Z dans l’équation (A.45) : 5 / 3 (C2)4CKC3C(A.48)P= + 2 / 3 3Ω +K5(2β) Phase C3 – Massif plastifié en paroi
On a vu dans la phase précédente que le rayon de déchaussement a atteint une valeur maximum et ne varie plus. Il reste égal àX= +1.
Annexe A. Modèle analytique : résolution détaillée et résultats
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Dans la zone élastique externe EL, on a la même expression (A.2) deσrqu’en phase 1. s Dans la zone élastique intérieure EL’, les expressions (A.16) et (A.17) deσretσrsont toujours valables. La continuité de la traction Tben z permet de déduire la même expression (A.29) qu’en phase A3, d’où la C3 même valeur pour la constante B, soitB=Z. 2βE s Dans la zone de plasticité des boulons PLb, on toujours la même expression (A.43) pourσr. Dans la zone de plasticité du sol avec déchaussement PLs’, en introduisant le critère de plasticité de s s Trescaσσ=2Cdans l’équation d’équilibre (II.17) du sol, on obtient : rθ s σR r (A.49)4C+r+KC=0r r s En tenant compte de la condition en paroi qui s’écritσ(R)= −P, on déduit : r i srRσ4KC P(A.50)r= −CLn+ ⎜ 1⎟ −i Rrp p p La continuité deσrx s’écrit en σr (x ) =σr (x +), où le membre de gauche provient de l’expression (A.17) deσrla zone EL’ et celui de droite de l’expression (A.43) de dans σrla zone PL dans b. Ce qui donne, après simplification : K² (A.51)D+= − BΩ + La continuité deσren z s’écritσr(z) =σr(z+), où le membre de gauche provient de l’expression (A.43) deσrdans la zone PLbet celui de droite de l’expression (A.2) deσrdans la zone EL. Ce qui donne : P3 (A.52)B′ = − 5 ² s s s La continuité deσrw s’écrit en σr= (w) σr (w+), où le membre de gauche provient de l’expression s s (A.50) deσrdans la zone PLs’ et celui de droite de l’expression (A.16) deσrdans la zone EL’. Ce qui donne, après simplification : 3 P2Z K² 3(A.53)4LnWK+ =− + 03 C3βWΩ +K5Z² s s Le critère de plasticité du solσσ2C=0est tout juste atteint en w+. On retrouve alors rθ l’expression (A.20) où en remplaçant par la valeur de B, on arrive à : 3 3 (A.54)W=Z2β En remplaçant cette valeur de W dans l’équation (A.51), il en résulte : 3 ⎛ ∆P⎞ ∆P4⎡ ΩZ3Ω ΩK4 (A.55) Σ3Z,⎟ = Ln− =+ − 0C⎢ ⎥ 3 2 5 ²Ω +3 CCβZ K On a vu que le rayon de déchaussement reste constant et égal à 1 +/K . Il arrive donc un moment où le rayon plastique du sol w rejoint celui de déchaussement, soit W = X, ce qui signifie, d’après l’équation (A.54), que ceci a lieu pour la valeur particulière de Z : β (C3)2⎛ Ω 3 (A.56)Z= ⎜1+ ⎟K ⎝ ⎠ En remplaçant cette valeur dans l’équation (57), on obtient également la valeur particulière deP correspondant à la fin de la phase B3.1 :
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