Etude expérimentale et numérique de modèle réduit bidimensionnel du creusement d'un tunnel. Développement

Dolzhenko Nataliya

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• Publié par: Miphig
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Extrait

Conclusions générales

CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES


Trois phases essentielles de creusement d’un tunnel ont été réalisées à l’aide d’un modèle
réduit bidimensionnel dans un sol analogique : deux phases de déconfinement correspondant à
une diminution du diamètre de tunnel (Phase 1 et Phase 3) et une phase de confinement
correspondant à une augmentation du diamètre (Phase 2). Le travail expérimental effectué fait
l’objet d’une analyse détaillée des déplacements et des déformations dans l’ensemble du
massif. La campagne expérimentale a été analysée grâce à une technique de corrélation
d’images. Cette technique permet une bonne estimation de champ de déplacements et de
déformations d’ensemble du massif de sol analogique et apporte des éléments d’information
très importants sur les mouvements induits par la réalisation des ouvrages souterrains.
La variation imposée au tunnel est de 1% du diamètre du tunnel, ce qui oblige à
l’expérimentateur de travailler avec une bonne précision de mesures. L’écart type de la
précision est estimée à : 5% (soit 0.01mm) de la variation imposée du diamètre du tunnel pour
les petits déplacements (hors de la zone de mouvements du sol) et environ 9% (soit 0.18mm)
pour les grands déplacements (dans des zones de mouvements du sol).

Le tassement maximum en surface pour la phase de déconfinement ainsi que le déplacement
vertical maximum pour la phase de confinement diminuent avec la profondeur du tunnel. Par
contre la largeur de cuvette augmente avec la hauteur de couverture dans les deux cas. Lors du
creusement, nous avons constaté un enfoncement du tunnel dans le massif de sol. Plus la
hauteur de couverture est grande et plus l’enfoncement du modèle est important (jusqu’à 0.5%
du diamètre du tunnel), dû au poids du sol au-dessus du tunnel.

Une étude de l’influence du poids du tunnel sur le comportement du sol a été effectuée car le
poids du tunnel réel est variable (tunnelier, tunnel vide, pression hydrostatique). Le poids
initial du modèle réduit équivalent à deux fois poids du sol ( γ =2 γ ) a été allégé ( γ = γ et tun sol tun sol
γ = 0.5 γ ). Les résultats obtenus sont différents pour les phases de creusement. Pour les tun sol
phases de déconfinement l’influence du poids du tunnel équivalent à deux fois le poids du sol
est très nette sur l’amplitude des tassements et sur la perte de volume (V /V ) par rapport au s t
poids du tunnel équivalent ou inférieur au poids du sol. Si le tunnel est plus lourd que le sol la
cuvette de tassement est plus profonde. Par contre pour la phase de confinement, l’influence
du poids du tunnel est peu significative sur le déplacement relatif de surface, car
l’enfoncement de la base du tunnel se produit essentiellement lors de la première phase. La
perte de volume pour la phase de confinement diminue avec la profondeur du tunnel et elle est
peu influencée par le poids du tunnel.
On observe une influence très réduite du poids du tunnel sur la largeur de cuvette pour toutes
les phases. L’évolution de la largeur de cuvette en fonction de la profondeur est bien
représentée par la formule d’Attewell modifiée. Les largeurs des cuvettes en confinement sont
sensiblement doublées par rapport au déconfinement. Ces résultats rejoignent ceux d’Al
Abram [1998] sur le même type d’essais. L’étude des phases résiduelles correspondant à un
retour au diamètre initial a montré que les mouvements les plus importants se produisent au
sein du massif pendant la première phase du creusement.
La variation de l’amplitude du diamètre d’un tunnel (1%D ou 3%D pour le déconfinement et
2%D ou 6%D pour le confinement) est beaucoup plus sensible sur les déplacements de
surface dans la phase de confinement, on observe une forte influence sur le déplacement
relatif maximum et sur la largeur des cuvettes dans le même sens mais cependant non
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proportionnelles. A titre d’exemple pour une profondeur H=2D en surface, la largeur de
cuvette pour la plus grande amplitude est environ 1.5 fois plus importante. Le déplacement
vertical maximum pour la même amplitude (6%D) est de 1.8 fois plus grand que avec 2%D.
Les essais réalisés constituent une base de données expérimentale complète concernant les
phases de creusement d’un tunnel dans un sol analogique avec une bonne connaissance des
champs de déplacements et des conditions aux limites. Il serait intéressant d’effectuer une
étude des phases de creusement dans un milieu analogique avec d’autres types de matériau
(mélanges différents, rouleaux en dural ou en PVC de densité plus faible). Cette
expérimentation peut également être adaptée pour étudier l’influence du creusement sur les
bâtiments existants.

Nous nous sommes ensuite intéressés à la rhéologie du matériau utilisé. Les essais sous
chargement simple ont été réalisés afin de déterminer les caractéristiques mécaniques du
matériau analogique : essais biaxiaux avec un cycle de chargement-déchargement, essais
oedométriques avec une série de cycles de chargement-déchargement et mesures du
coefficient des terres au repos. Les essais réalisés mettent en évidence les caractéristiques
suivantes de notre matériau :
Le comportement du matériau étudié est non-linéaire et irréversible.
La dilatance est présente dès le début de chargement.
La pente des courbes en déchargement est au moins 10 fois plus grand que le module en
chargement primaire, en chargement primaire la pente varie avec la contrainte de
confinement.
L’angle de frottement interne diminue avec l’augmentation de la contrainte de
confinement pour une large plage de contrainte.
Les cycles de déchargement –rechargement sont du type «rocher ».

Vu la rhéologie spécifique du matériau utilisé une loi de comportement bidimensionnelle a été
développée. La loi développée (loi MMC) est élastoplastique à écrouissage isotrope en
chargement primaire, en chargement-déchargement elle est basée sur l’élasticité incrémentale
non réversible et en rupture le critère de Mohr-Coulomb est utilisé. La loi MMC décrit les
principales caractéristiques de notre matériau : plasticité avant rupture, écrouissage positif,
distinction du comportement entre le déchargement et le rechargement : « effet de rochet »
traité incrémentalement. Le même jeu de paramètres permet de simuler parfaitement les essais
biaxiaux et oedométriques avec cycles de décharge-recharge. D’après l’étude numérique
présentée, ce jeu de paramètres est capable de simuler correctement les différentes phases de
creusement d’un tunnel. Cette loi permet de prévoir le tassement en surface et les
mouvements dans le massif en se basant principalement sur la connaissance de la réduction du
diamètre du tunnel.
L’identification des paramètres est un point très important dans le cadre de la modélisation du
comportement. Une stratégie claire d’identification en définissant le sens physique de chacun
des paramètres est nécessaire. Nous avons déterminé une technique d’identification des
paramètres de la loi pour avoir une première estimation. L’étude de sensibilité des paramètres
est également présentée pour les différents types de sollicitations, les deux paramètres les plus
sensibles sont : le coefficient de Poisson ν et le paramètre décrivant le niveau de plasticité dès
le début du chargement C . Le modèle a été validé sur deux chemins de contraintes : 0
oedométrique et biaxial, il serait intéressant de valider le modèle développé sur d’autre
chemin de contraintes. Il serait intéressant d’envisager de valider la loi MMC sur un sol
granulaire avec une écriture tridimensionnelle et prise en compte de la cohésion. La prise en
compte d’un écrouissage négatif pourrait être facilement rajoutée dans ce modèle.

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Les confrontations entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques permettent
d’obtenir des simulations en bon accord avec les phénomènes observés lors du creusement de
tunnels dans un sol analogique. Les déplacements verticaux sont légèrement sous-estimés
avec la loi MMC par rapport aux valeurs expérimentales pour les deux types de sollicitations.
En termes de la