Simulation numérique du comportement des sols cloués. Interaction sol-renforcement et comportement de l'ouvrage

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Domaine: Informatique, Sciences de l'ingénieur
Le clouage est une technique de renforcement des sols en place par des inclusions passives. Dans la première partie de ce rapport, on présente les résultats expérimentaux et théoriques d'une recherche approfondie sur le mécanisme d'interaction sol-renforcement rigide et la mobilisation de la résistance au cisaillement du sol lors du cisaillement direct de la masse du sol cloué. La méthode des éléments finis a été utilisée pour la simulation numérique des essais de cisaillement direct effectués au CERMES en 1980-1981 sur des éprouvettes de grandes dimensions (40 x 60 x 40 cm) de limon argileux renforcé par des inclusions perpendiculaires à la surface de cisaillement. Cette étude a permis de mettre en évidence la mobilisation d'une cohésion apparente et une diminution de l'angle de frottement interne de la masse du sol renforcé et d'étudier l'effet de certains paramètres (contrainte normale appliquée ; rigidité et nombre de renforcements) sur l’effet des inclusions, le comportement de la masse du sol renforcé et la mobilisation de sa résistance globale au cisaillement. La deuxième partie de ce rapport présente une analyse du comportement des ouvrages de soutènement en sol renforcé. On étudie, d'une part, les remblais en Terre Armée, et d'autre part, les soutènements in-situ par clouage. Si la technique de la Terre Armée a fait l'objet de plusieurs recherches et observations sur ouvrages en vraie grandeur, peu d'expérimentations ont été effectuées jusqu'à présent sur des soutènements par clouage. Ces quelques expérimentations montrent une certaine analogie entre le comportement de ces deux types d'ouvrages. Cependant, il existe des différences fondamentales qui concernent en particulier : - Les modes de constructions, - La rigidité des renforcements, - L'inclinaison des renforcements, - La technique de mise en place des renforcements, - La nature du sol. Notre travail a essentiellement pour objectif d'étudier l'influence de ces paramètres sur le comportement global de l'ouvrage sur les efforts mobilisés dans les inclusions ainsi que sur le déplacement de la paroi. On a utilisé une simulation numérique à l'aide d'un programme de calcul en éléments finis, permettant une modélisation phase par phase de ces deux techniques. Pour vérifier cette modélisation on compare les résultats de calculs, d'une part, avec les mesures sur ouvrages réels, et d'autre part, avec observations sur modèles réduits.

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A L'ECOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSEES
pour obtenir lé titre de
DOCTEUR-INGENIEUR EN GENIE CIVIL
par
Monsieur Sasan SHAFIEE
SUJET DE LA THESE
SIMULATION NUMERIQUE DU COMPORTEMENT DES SOLS
CLOUES ; INTERACTION SOL-RENFORCEMENT ET COM­
PORTEMENT DE L'OUVRAGE
soutenue le 28 Avril 1986
devant le jury composé de
Président M. SCHLOSSER
Rapporteur : M. MAGNAN
M. BIAREZ
M. JURAN
Examinateurs •
E.N.P.C. M. HUMBERT
M. PLUMELLE
DOC05151
Invites M. PANET
M. JEWELL
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010REMERCIEMENTS
Au terme de ce travail de recherche, je tiens à remercier :
- Monsieur SCHLOSSER, Directeur du CERMES, pour avoir accepté d'être
le tuteur de cette thèse et présider le jury ;
- Monsieur JURAN, Directeur-Adjoint du CERMES, pour la direction
et le suivi quotidien de mes travaux de recherche et son soutien moral
tout au long de ces années de recherche ;
- Monsieur HUMBERT, Chef de la Section Modèles Numériques au LCPC,
qui a joué un rôle de première importance dans le développement de ce
travail ;
- Monsieur MAGNAN, Professeur-Adjoint à 1'ENPC, Chef de la Division
Géotechnique du LCPC, qui a aimablement accepté d'examiner en détail ce
travail en tant que rapporteur de thèse ;
- Monsieur BIAREZ, Professeur à l'Ecole Centrale de Paris, pour sa
participation au jury ;
- Monsieur PLUMELLÈ du CEBTP, pour l'intérêt qu'il a montré vis-à-vis
de ce travail et pour sa participation au jury ;
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010- Monsieur PANET, Président Directeur Général de la Société SIMECSOL,
pour sa participation au jury ;
- Monsieur JEWELL de l'Université d'OXFORD pour l'intérêt qu'il a
montré vis-à-vis de ce travail et pour sa participation au jury ;
- Monsieur PINGEON, Directeur, et tous les membres du Centre Péda­
gogique de Calcul à l'ENPC ; MM. OCZKOWSKI et DEBOUCHE!", et toute l'équipe
technique de sa section des Modèles Numériques du LCPC pour leur aide ma­
térielle et technique concernant la réalisation des calculs ;
- Monsieur GUERMAZI, Elève-Chercheur au CERMES, pour son concours
quotidien dans les différents problèmes qui se posent au cours de la re­
cherche ;
- Monsieur DE LAURE du CERMES, pour son aide technique ;
- Tout le personnel scientifique et technique du CERMES ;
- Mesdemoiselles BARRIERE et LONDRES, secrétaires au CERMES,dont
les services et l'aide permettent de disposer d'un texte agréablement
lisible -,
- La Direction de l'ENPC, en particulier la Direction de la Recherche,
pour avoir assuré les conditions matérielles et financières de cette re­
cherche ;
- Monsieur HALPHEN, Responsable de la Formation à l'ENPC, qui m'a
permis d'effectuer cette étude ;
- Mes parents, mon frère,M. SAMADI, M. SARSHAR et M. MOGHADAS pour
leur patience et le soutien moral qu'ils m'ont apporté au cours de ces
années de recherche.
ooOoo
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010RESUME
Le clouage est une technique de renforcement des sols en place par
des inclusions passives.
Dans la première partie de ce rapport, on présente les résultats ex­
périmentaux et théoriques d'une recherche approfondie sur le mécanisme
d'interaction sol-renforcement rigide et la mobilisation de la résistance
au cisaillement du sol lors du cisaillement direct de la masse du sol cloué.
La méthode des éléments finis a été utilisée pour la simulation numé­
rique des essais de cisaillement direct effectués au GERMES en 1980-1981
sur des éprouvettes de grandes dimensions (40 x 60 x 40 cm) de limon argi­
leux renforcé par des inclusions perpendiculaires à la surface de cisail­
lement.
Cette étude a permis de mettre en évidence la mobilisation d'une co­
hésion apparente et une diminution de l'angle de frottement interne de la
masse du sol renforcé et d'étudier l'effet de certains paramètres (con­
trainte normale appliquée ; rigidité et nombre de renforcements) sur l'ef­
fet des inclusions, le comportement de la masse du sol renforcé et la mo­
bilisation de sa résistance globale au cisaillement.
La deuxième partie de ce rapport présente une analyse du comportement
des ouvrages de soutènement en sol renforcé. On étudie, d'une part, les
remblais en Terre Armée, et d'autre part, les soutènements in-situ par
clouage. Si la technique de la Terre Armée a fait l'objet de plusieurs
recherches et observations sur ouvrages en vraie grandeur, peu d'expéri­
mentations ont été effectuées jusqu'à présent sur des soutènements par
clouage. Ces quelques expérimentations montrent une certaine analogie en­
tre le comportement de ces deux types d'ouvrages. Cependant, il existe
des différences fondamentales qui concernent en particulier :
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010- Les modes de constructions,
- La rigidité des renforcements,
- L'inclinaison des,
- La technique de mise en place des renforcements,
- La nature du sol.
Notre travail a essentiellement pour objectif d'étudier l'influence
de ces paramètres sur le comportement global de l'ouvrage sur les efforts
mobilisés dans les inclusions ainsi que sur le déplacement de la paroi.
On a utilisé une simulation numérique à l'aide d'un programme de cal­
cul en éléments finis, permettant une modélisation phase par phase de ces
deux techniques.
Pour vérifier cette modélisation on compare les résultats de calculs,
d'une part, avec les mesures sur ouvrages réels, et d'autre part, avec ob­
servations sur modèles réduits.
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010SOMMAIRE
Pages
0.0 INTRODUCTION GENERALE 6
- Clouage-Technique et applications- '
- Définition du problème étudié * 9
0.1 PROGRAMME ET METHODOLOGIE DE LA RECHERCHE- 12
I. Etude du mécanisme d'interaction sol-renforcement par butée laté­
rale •3
II. Etude du comportement des soutènements en sol cloué. 15
1ERE PARTIE - ETUDE DU MECANISME D'INTERACTION SOL-RENFORCEMENT PAR BUTEE 17
LATERALE
1.0 Introduction 18
1.1 Effet de l'inclinaison sur le mécanisme d'interaction 21
1.2 Procédure expérimentale des essais de cisaillement direct sur éprou-
vettes de sol renforcé par des inclusions rigides4
1.2.1 Machine de cisaillement 2
1.2.2 Caractéristiques des inclusions
1.2.3s du sol5
1.2.4 Position des barres et réalisation des essais 27
1.3 Les principaux résultats expérimentaux 30
1.3.1 Courbes effort-déformation et mobilisation de la résistance
au cisaillement
1.3.2 Sollicitations dans les barres3
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010- 2 -
Pages
1.4 Interprétation théorique, utilisant la théorie de la réaction liné­
aire du sol 35
1.4.1 Principe général des méthodes utilisant une loi de réaction
du sol
1.4.2 Théorie de WINKLER, sol à réaction linéaire. 3
1.4.3 Equation de la barre et loi de réaction6
1.4.4 Principe et méthode de résolution 39
1.4.5 Construction du système linéaire 40
1.4.6 Comparaison des mesures expérimentales et des résultats obte­
nus en utilisant la théorie de la réaction linéaire du sol 41
1.4.7 Conclusion 44
1.5 Modélisation numérique par la méthode des éléments finis des essais
de cisaillement direct sur sol cloué6
1.5.1 Le sol7
1.5.2 Modélisation des renforcements en déformation plane et hypo­
thèses conduisant aux caractéristiques de la plaque équiva-
1 ente 4
1.5.2.1 Critère de VON MISES appliqué à la plaque équiva­
lente9
1.5.2.2 Modélisation de l'encastrement de la barre. 54
1.5.3 Modélisation de la surface de rupture dans le sol et des inter­
faces sol-renforcement et sol-boîte par des éléments de contact
à deux noeuds 56
1.5.4 Mai 11 age7
1.5.5 Conditions aux limites et chargement 58
1.6 Présentation des résultats des calculs par la méthode des éléments
finis. 60
1.6.1 Courbes effort-déformation .6
1.6.2 Effet du renforcement sur les champs des contraintes et des
déformations dans le sol2
1.6.3 Moment et effort tranchant dans les renforcements.. 69
1.6.3.1 Moment dans les renforcements 7
1.6.3.2 Effort tranchant dans les renforcements4
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010- 3 -
Pages
1.6.4 Comportement global du sol cloué à la rupture 79
1.6.5t avant rupture , 86
1.7 Conclusion 98
2EME PARTIE - ETUDE DU COMPORTEMENT DES SOUTENEMENTS EN SOL CLOUE 99
11.0 Introduction 100
11.1 Modélisation numérique2
II-1 .1 Le sol
II.1.2 Le parement et les armatures 103
II.1 .3 Contact sol-parement4
II .1.4t sol-renforcement
11.1.5 Maillage et conditions au contour6
11.1.6 Prise en compte des phases de construction. 108
11.1 .6.1 Clouage
11.1 .6.2 Terre Armée 110
11.1.7 Inclinaison des armatures ....111
11.2 Analyse du comportement général du sol renforcé ..112
11.2.1 Déplacements du parement3
11.2.2 Champ de déplacement dans le massif de sol 116
11.2.3 Déformées et zones plastiques 119
11.2.4 Distribution des tractions le long des armatures 122
11.2.5 Lieux et valeurs des tractions maximales5
II .3 Comportement en cours de construction 1 29
11.3.1 Comportement d'un ouvrage de soutènement par clouage 132
11.3.1.1 Evolution des valeurs et lieux des tractions maxi­
males 13
11.3.1.2 Contraintes horizontales dans le sol 134 3 Déplacement de la paroi et champ de déplacement dans
le sol7
11.3.2 Comportement d'un mur en Terre Armée 140
11.3.2.1 Lieux et valeurs de la traction maximale 144 2 Effet du compactage8
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010- 4 -
Pages
11.4 Etude paramétrique 151
11.4.1 Effet de l'inclinaison des renforcements 15
11.4.1.1 Déformation du massif et propagation des zones
pi asti ques
11.4.1.2 Effet de l'inclinaison sur le déplacement de la
paroi et la poussée du sol3
11.4.1.3 Effet den sur le champ de déplacement...157 4t de 1'inclinaison sur la contrainte horizon­
tale dans le sol 168
11.4.1.5 Effet de l'inclinaison sur les lieux et les valeurs
des tractions maximales..... 170
11.4.2 Effet de la rigidité à la flexion sur le comportement de l'ou­
vrage .17
11.4.2.1 Effet de la rigidité sur la déformée et le champ
de déplacement du massif8
11.4.2.2 Effet de la rigidité sur la mobilisation de la trac-.186
tion et les efforts tranchants dans les renforcements
11.5 Etude paramétrique (effet des divers paramètres sur le comportement
de 1 'ouvrage) 203
11.5.1 Effet de l'extensibilité des renforcements sur le comportement
de 1 'ouvrage
11.5.2 Effet des caractéristiques du sol sur le comportement de l'ou­
vrage6
11.5.2.1 Effet de la cohésion2t de l'angle de frottement interne 209
11.5.2.3 Effet dee de dilatance 204t du module d'élasticité 213
11.5.3 Effet de la rigidité de la paroi sur le comportement de l'ou­
vrage .218
11.5.4 Effet des conditions aux limites et du sol de fondation........222
II.b.5t de la longueur des renforcements 225
11.6 Simulation d'ouvrages réels 22
11.6.1 Le mur en Terre Armée de ASAHIGAOKA (Japon)
11.6.2 Application au cas d'un soutènement par clouage 230
235 II.7 Conclusion.
tel-00520679, version 1 - 24 Sep 2010

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