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

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TABLE DES MATIÈRES RÉSUMÉ ............................................................................................................................................................... 7 ABSTRACT........................................................................................................................................................... 8 NOTATIONS ET ABRÉVIATIONS................................................................................................................. 15 INTRODUCTION GÉNÉRALE ....................................................................................................................... 17 PARTIE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE Chapitre I : Constructions souterraines I. ASPECT GÉNÉRAL SUR LA CONSTRUCTION SOUTERRAINE.................................................. 22 I.1. INTRODUCTION........................................................................................................................................ 22 I.2. CLASSIFICATION DES OUVRAGES SOUTERRAINS ...................................................................................... 22 I.3. TECHNIQUES DE CONSTRUCTIONS DES OUVRAGES SOUTERRAINS ............................................................ 23 I.4. TUES DE CREUSEMENT................................................................................................................. 23 I.5. TUNNELIERS ET BOUCLIERS............................................................................ ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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TABLE DES MATIÈRES
RÉSUMÉ ............................................................................................................................................................... 7
ABSTRACT........................................................................................................................................................... 8
NOTATIONS ET ABRÉVIATIONS................................................................................................................. 15
INTRODUCTION GÉNÉRALE ....................................................................................................................... 17 PARTIE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE Chapitre I : Constructions souterraines I. ASPECTGÉNÉRAL SUR LA CONSTRUCTION SOUTERRAINE.................................................. 22 I.1. INTRODUCTION........................................................................................................................................ 22 I.2. CLASSIFICATION DES OUVRAGES SOUTERRAINS...................................................................................... 22 I.3. TECHNIQUES DE CONSTRUCTIONS DES OUVRAGES SOUTERRAINS............................................................ 23 I.4. TECHNIQUES DE CREUSEMENT................................................................................................................. 23 I.5. TUNNELIERS ET BOUCLIERS. ....................................................................................................................24 I.5.1. Etudehistorique ............................................................................................................................ 24 I.5.2. Descriptiongénérale .....................................................................................................................25 I.6. CONCLUSIONS......................................................................................................................................... 28 II. MOUVEMENTSDE SOL LORS DU CREUSEMENT D’UN TUNNEL ............................................ 29 II.1. INTRODUCTION................................................................................................................................... 29 II.2. MOUVEMENTS DE SOL DUS AU CREUSEMENT...................................................................................... 29 III. PHASESDE CREUSEMENT.................................................................................................................. 30 III.1. TASSEMENT EN SURFACE.................................................................................................................... 33 III.2. MOUVEMENT HORIZONTAL................................................................................................................. 34 IV. MÉTHODESDE PRÉDICTIONS DU TASSEMENT........................................................................... 37 IV.1. MÉTHODES EMPIRIQUES ET SEMIEMPIRIQUES.................................................................................... 37 IV.1.1. Estimationde « i »......................................................................................................................... 38 IV.1.2. Estimationde Smax......................................................................................................................... 39 IV.1.3. Relationentre le déplacement en clef de tunnel et le tassement en surface .................................. 40 IV.1.4. Déterminationempirique des volumes de sol en mouvement........................................................ 40 IV.2. MÉTHODE ANALYTIQUE...................................................................................................................... 44 IV.3. MÉTHODES NUMÉRIQUES NON EMPIRIQUES........................................................................................ 44 IV.3.1. Modélisationnumérique du creusement........................................................................................ 45 V. CONCLUSIONS........................................................................................................................................48 Chapitre II : Modèles réduits existants de tunnel I. INTRODUCTION..................................................................................................................................... 51
II. PRÉSENTATIONDES MODÈLES RÉDUITS ..................................................................................... 51 II.1. CLASSIFICATION DES MODÈLES RÉDUITS............................................................................................ 51 II.2. FONCTIONS PRINCIPALES DUN MODÈLE RÉDUIT................................................................................. 51 II.3. LES AVANTAGES ET LES INCONVÉNIENTS............................................................................................ 52 III. LESMODÈLES RÉDUITS EXISTANTS DE TUNNEL. ..................................................................... 52 III.1. DESCRIPTION DES MATÉRIAUX UTILISÉS............................................................................................. 54 III.2. MISE EN PLACE DES MATÉRIAUX......................................................................................................... 54
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III.3. MÉTHODES DE SIMULATION DES PHASES DE CREUSEMENT................................................................. 55 III.3.1. Simulationd’un front de taille pressurisé ..................................................................................... 55 III.3.2. Simulationde la technique du boulonnage ................................................................................... 56 III.3.3. Simulationà l’aide d’un sol analogique ....................................................................................... 57 III.3.4. Lacentrifugeuse ............................................................................................................................59 IV. CONCLUSIONSSUR LES MODÈLES RÉDUITS EXISTANTS DE TUNNEL ............................... 63 PARTIE II : ETUDES EXPÉRIMENTALES Chapitre III : Outils expérimentaux utilisés I. MODÈLERÉDUIT DU TUNNEL DE L’INSA...................................................................................... 68 I.1. CHOIX DU MATÉRIAU DES EXPÉRIMENTATIONSINSA ............................................................................. 68 I.2. DESCRIPTION DU MODÈLE RÉDUIT DE L’INSA......................................................................................... 68 I.2.1. Le................................................................................................................................. 69bâti rigide I.2.2. Lematériau analogique ................................................................................................................ 70 I.2.3.modèle réduit du tunnelier ....................................................................................................... 70 Le I.3. ETUDE DE LINFLUENCE DU POIDS DU TUNNEL........................................................................................ 72 I.3.1. Introduction...................................................................................................................................72 I.3.2.expérimentale avec poids variable...................................................................................... 72 Etude I.4. CONCLUSIONS......................................................................................................................................... 73 II. TRAITEMENTNUMÉRIQUE D’IMAGES .......................................................................................... 74 II.1. INTRODUCTION................................................................................................................................... 74 II.2. MÉTHODES DE MESURE DE DÉFORMATIONS........................................................................................ 74 II.2.1......................................................................................................................... 74par moiré Méthode II.2.2........................................................................................................................ 74 Photoélasticimétrie II.2.3. Stéréophotogrammétrie................................................................................................................. 74 II.2.4.de corrélation d’images numériques.............................................................................. 75 Méthode II.3. COMPARAISON ENTRE DIFFÉRENTES MÉTHODES DE MESURES............................................................. 75 II.4. PRÉSENTATION DE LA MÉTHODE UTILISÉE.......................................................................................... 76 II.5. PRINCIPE DE LA MÉTHODE DE CORRÉLATION(LOGICIELSIFASOFT) .................................................... 76 II.6. ETAPES DE TRAITEMENT DIMAGES PARSIFASOFT.............................................................................. 79 II.7. CHOIX DES PARAMÈTRES.................................................................................................................... 80 II.7.1. Coefficientde corrélation.............................................................................................................. 80 II.7.2................................................................................................... 80des niveaux de gris Interpolation II.7.3. Taillede grille et de pas entre des motifs...................................................................................... 81 II.8. PRÉCISION DE LA MÉTHODE................................................................................................................ 82 II.8.1. Précisionsur les photos doublées ................................................................................................. 83 II.8.2. Précisionsur les photos intermédiaires ........................................................................................ 84 II.8.3.de la taille et du pas du motif ........................................................................................ 85 Influence II.8.4.sur la mesure d’un déplacement ................................................................................... 86 Précision II.9. CONCLUSIONS..................................................................................................................................... 87 Chapitre IV : Etude expérimentale des phases de creusement d’un tunnel I. INTRODUCTION..................................................................................................................................... 91 II. DESCRIPTIONDU PROGRAMME D’ESSAI...................................................................................... 91 III. ETUDEDU MOUVEMENT DU TUNNEL ............................................................................................ 93 III.1. MOUVEMENTS VERTICAUX DU TUNNEL.............................................................................................. 93 III.2. MOUVEMENTS HORIZONTAUX DU TUNNEL......................................................................................... 95 IV. ETUDEDE LA PHASE DE DÉCONFINEMENT DU DIAMÈTRE DU TUNNEL........................... 97 IV.1. INTRODUCTION................................................................................................................................... 97 IV.2. MOUVEMENTS DANS LE MASSIF DE SOL. PHASE1............................................................................... 97 IV.3. DÉFORMATIONS PRINCIPALES........................................................................................................... 100
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1 IV.4. DÉFORMATION DE CISAILLEMENT MAXIMUM(γ) ..................................................................... 101 m 2 IV.5. DÉFORMATIONS VOLUMIQUES.......................................................................................................... 101 IV.6. DÉPLACEMENTS VERTICAUX............................................................................................................. 102 IV.6.1.en surface................................................................................................................. 102 Tassements IV.6.2..................................................... 104en surface pour les différents états. Phase 1 et 3. Tassements IV.6.3.verticaux dans le massif de sol. Phase 1.............................................................. 106 Déplacements IV.7. DÉPLACEMENTS HORIZONTAUX. PHASE1......................................................................................... 108 IV.7.1. Déplacements......................................................... 109horizontaux le long d’une section verticale IV.7.2. Déplacementshorizontaux le long d’une section horizontale..................................................... 111 IV.8. INFLUENCE DE DIFFÉRENTS PARAMÈTRES SUR LES MOUVEMENTS DU SOL EN DÉCONFINEMENT....... 113 IV.8.1................................................................................... 113du poids du tunnel. Phase 1 et 3 Influence IV.8.2.de volume ......................................................................................................................... 118 Pertes IV.8.3.de l’amplitude des variations de diamètre du tunnel................................................... 119 Influence IV.9. CONCLUSIONS SUR LA PHASE DE DÉCONFINEMENT........................................................................... 122 V. ETUDEDE LA PHASE DE CONFINEMENT DU DIAMÈTRE DU TUNNEL .............................. 123 V.1. INTRODUCTION................................................................................................................................. 123 V.2. MOUVEMENTS DANS LE MASSIF DU SOL. PHASE2 ............................................................................ 123 V.3. DÉFORMATIONS PRINCIPALES........................................................................................................... 125 1 V.4. DÉFORMATIONS DE CISAILLEMENT MAXIMUM(γ).................................................................... 126 m 2 V.5. DÉFORMATIONS VOLUMIQUES.......................................................................................................... 127 V.6. DÉPLACEMENTS VERTICAUX............................................................................................................. 128 V.6.1.en surface pour les différents états........................................................................... 128 Tassements V.6.2. Déplacementsverticaux dans le massif de sol ............................................................................ 130 V.7. DÉPLACEMENTS HORIZONTAUX. PHASE2......................................................................................... 132 V.7.1. Déplacements......................................................... 133horizontaux le long d’une section verticale V.7.2...................................................... 134horizontaux le long d’une section horizontale Déplacements V.8. INFLUENCE DE DIFFÉRENTS PARAMÈTRES SUR LES MOUVEMENTS DU SOL EN CONFINEMENT............ 136 V.8.1. Influencedu poids du tunnel ....................................................................................................... 136 V.8.2. Pertesde volume ......................................................................................................................... 138 V.8.3.de l’amplitude de la variation du diamètre du tunnel.................................................. 139 Influence V.9. TASSEMENT RÉSIDUEL...................................................................................................................... 141 V.10. TASSEMENT EN SURFACE EN FONCTION DES ÉTATS RÉALISÉS........................................................... 143 V.11. CONCLUSIONS SUR LA PHASE DE CONFINEMENT............................................................................... 143 Chapitre V : Essais sous chargement simple I. INTRODUCTION................................................................................................................................... 147
II. ETUDEBIBLIOGRAPHIQUE SUR LE COMPORTEMENT BIAXIAL ........................................ 147 II.1. PRINCIPE DE LESSAI BIAXIAL........................................................................................................... 147 II.2. ESSAIS BIAXIAUX EXISTANTS SUR LE MATÉRIAU ANALOGIQUE......................................................... 148 III. L’ESSAIBIAXIAL RÉALISÉ À L’INSA............................................................................................. 153 III.1. DESCRIPTION DE LAPPAREIL BIAXIAL.............................................................................................. 153 III.2. RÉSULTATS OBTENUS. ...................................................................................................................... 155 III.2.1. Présentationd’un essai réalisé ................................................................................................... 155 III.2.2.obtenus pour les deux zones ........................................................................................ 157 Résultats III.2.3............................................. 158entre les deux méthodes de calcul de déformations. Confrontation III.2.4.de DéchargementRechargement...................................................................................... 160 Phase III.3. DÉTERMINATION DES CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES DU MATÉRIAU........................................... 161 III.3.1. Calculde l’angle de frottement interne....................................................................................... 161 III.3.2. Calculdes modules sécants......................................................................................................... 163 III.4. CONCLUSIONS SUR LESSAI BIAXIAL................................................................................................. 165 IV. ESSAIOEDOMÉTRIQUE..................................................................................................................... 165
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IV.1. DESCRIPTION DES ESSAIS.................................................................................................................. 165 IV.2. RÉSULTATS DES ESSAIS..................................................................................................................... 167 IV.2.1.............................................................................................................................. 170 Déchargement IV.2.2. Rechargement..............................................................................................................................172 IV.3. CONCLUSIONS SUR LESSAI OEDOMÉTRIQUE..................................................................................... 173 V. COEFFICIENTDES TERRES AU REPOS......................................................................................... 173 V.1. PRÉSENTATION DU MONTAGE........................................................................................................... 173 V.2. DÉTERMINATION DEKOCOEFFICIENT DE POUSSÉE DES TERRES AU REPOS........................................ 174 VI. CONCLUSIONS......................................................................................................................................176 PARTIE III : LOIS DE COMPORTEMENT DES SOLS Chapitre VI : Etude bibliographique I. INTRODUCTION................................................................................................................................... 180 II. MÉTHODEDE CONSTRUCTION D’UNE LOI DE COMPORTEMENT...................................... 180 III. LOISDE COMPORTEMENT ÉLASTIQUE ...................................................................................... 180 III.1. COMPORTEMENT ÉLASTIQUE LINÉAIRE ISOTROPE(LOI DEHOOKE)................................................... 181 III.2. MODULE D’YOUNG ET COEFFICIENT DEPOISSON DES MATÉRIAUX ISOTROPES................................. 182 III.3. LOIS ÉLASTIQUES NON LINÉAIRES INCRÉMENTALES.......................................................................... 182 III.3.1. Loiélastique non linéaire incrémentale de type hypoélastique................................................... 183 III.3.2. Lemodèle hyperbolique .............................................................................................................. 184 III.3.3. Lemodule variable...................................................................................................................... 185 III.4. CONCLUSIONS SUR LES LOIS SANS PLASTICITÉ.................................................................................. 186 IV. LOISDE COMPORTEMENT ÉLASTOPLASTIQUES .................................................................... 186 IV.1. NOTION DE SURFACE DE CHARGE...................................................................................................... 187 IV.2. NOTION DÉCROUISSAGE. ................................................................................................................. 187 IV.3. NOTION DE LOI DÉCOULEMENT........................................................................................................ 190 V. LOIDE COMPORTEMENT ÉLASTIQUE PARFAITEMENT PLASTIQUE................................ 191 VI. LOIÉLASTOPLASTIQUE AVEC ÉCROUISSAGE ......................................................................... 194 VI.1. MODÈLES AVEC UN DOMAINE ÉLASTIQUE FERMÉ............................................................................. 194 VI.2. MODÈLE À DEUX MÉCANISMES......................................................................................................... 195 VI.3. MODÈLES AVEC UN DOMAINE ÉLASTIQUE OUVERT........................................................................... 197 VII. CONCLUSIONSSUR LA PARTIE BIBLIOGRAPHIQUE.......................................................... 199 Chapitre VII : Loi de comportement développée : loi MMC I. INTRODUCTION................................................................................................................................... 203 II. FONDEMENTSDE LA LOI MMC ...................................................................................................... 203 III. DESCRIPTIONDES COMPOSANTES DU MODÈLE DÉVELOPPÉ ............................................ 203 III.1. COMPORTEMENT ÉLASTIQUE INCRÉMENTAL..................................................................................... 204 III.2. CRITÈRE DE RUPTURE....................................................................................................................... 205 III.3. RÈGLE DÉCOULEMENT..................................................................................................................... 205 III.4. DÉFINITION DE LA SURFACE DE CHARGE........................................................................................... 206 III.5. LA SURFACE DE CHARGE DE LA LOI207MMC ........................................................................................ III.6. CALCUL DE LA DÉFORMATION EN CHARGEMENT PRIMAIRE.............................................................. 211 III.7. CALCUL DU MULTIPLICATEUR PLASTIQUE........................................................................................ 211
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III.8. DÉTERMINATION DE LÉTAT DE DÉCHARGEMENTRECHARGEMENT................................................. 213 III.8.1. Moduleen déchargement ............................................................................................................ 214 III.8.2. Moduleen rechargement............................................................................................................. 215 IV. IDENTIFICATIONDES PARAMÈTRES DE LA LOI MMC........................................................... 216 IV.1. DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES DÉLASTICITÉ............................................................................ 216 IV.1.1.K Paramètrecet n........................................................................................................................ 216 IV.1.2.K Paramètred............................................................................................................................... 218 IV.1.3. Paramètreν................................................................................................................................. 219 IV.2. DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES DE PLASTICITÉ.......................................................................... 220 IV.2.1. Paramètreϕ. ............................................................................................................................... 220 IV.2.2. Paramètresψ1,ψr....................................................................................................................... 221 IV.2.3. ParamètreSLψ............................................................................................................................ 222 IV.2.4.C Paramètre0............................................................................................................................... 222 V. CONCLUSIONSSUR LA LOI MMC................................................................................................... 222 PARTIE IV : SIMULATIONS NUMÉRIQUES Chapitre VIII : Simulations numériques des essais sous chargement simple I. OUTILSNUMÉRIQUES........................................................................................................................ 228 I.1. INTRODUCTION...................................................................................................................................... 228 I.2. DESCRIPTION DU CODE DE CALCULFLAC............................................................................................. 228 I.2.1.différences finies................................................................................................................... 228 Les I.2.2.................................................................................................... 228de résolution explicite. Schéma I.2.3.générales .................................................................................................................... 229 Equations I.2.4.du problème continu à la discrétisation........................................................................ 230 Passage I.2.5.d’interface ..................................................................................................................... 231 Elément II. SIMULATIONNUMÉRIQUE DES ESSAIS SOUS CHARGEMENT SIMPLE ............................. 233 II.1. ESSAI BIAXIAL.................................................................................................................................. 233 II.1.1. Maillageutilisé et Interface ........................................................................................................ 233 II.1.2.du modèle MMC ...................................................................................................... 233 Paramètres II.1.3. Contraintesinitiales .................................................................................................................... 234 II.1.4. Simulationde l’essai de compression isotrope............................................................................ 234 II.1.5.du déviateur............................................................................................................. 234 Application II.1.6. Résultatsdes essais biaxiaux....................................................................................................... 235 II.2. ESSAIS OEDOMÉTRIQUES.................................................................................................................. 238 II.3. VALIDATION DU MODÈLE SUR DES ESSAIS RÉALISÉS SUR LE MATÉRIAU ANALOGIQUE PAR DAUTRES CHERCHEURS................................................................................................................................................... 239 III. INFLUENCEDES PARAMÈTRES DU MODÈLE MMC SUR LA SIMULATION DES ESSAIS D’IDENTIFICATION ...................................................................................................................................... 241 III.1. PARAMÈTRES ÉLASTIQUES................................................................................................................ 242 III.2. PARAMÈTRES À LA RUPTURE............................................................................................................. 243 III.3. SYNTHÈSE DES RÉSULTATS............................................................................................................... 245 IV. CONCLUSIONS......................................................................................................................................246 Chapitre IX : Simulations numériques des phases de creusement d’un tunnel I. INTRODUCTION................................................................................................................................... 248
II. MODÈLENUMÉRIQUE ....................................................................................................................... 249 II.1. CONDITIONS AUX LIMITES................................................................................................................ 249 II.2. MAILLAGE UTILISÉ........................................................................................................................... 249
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II.3. ETAT INITIAL DU MASSIF................................................................................................................... 251 III. MÉTHODEDE SIMULATION DU CREUSEMENT......................................................................... 251
IV. ETUDEDE L’INFLUENCE DU MAILLAGE..................................................................................... 253
V. ETUDEPARAMÉTRIQUE DES PARAMÈTRES DE LA LOI MMC ET DE K0........................... 255 V.1. ETUDE DE LA SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES LORS DU DÉCONFINEMENT DU TUNNEL(PHASE1) ...... 256 V.2. SYNTHÈSE DES RÉSULTATS SUR LA PHASE DE DÉCONFINEMENT(PHASE1)....................................... 258 V.3. ETUDE DE LA SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES LORS DU CONFINEMENT DU TUNNEL(PHASE2)........... 259 V.4. SYNTHÈSE DES RÉSULTATS DE LA PHASE DE CONFINEMENT(PHASE2602) ............................................. VI. CONCLUSIONSSUR LA SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES....................................................... 261
VII. SIMULATIONNUMÉRIQUE DU DÉCONFINEMENT (PHASE 1)........................................... 262 VII.1. INTRODUCTION................................................................................................................................. 262 VII.2. MOUVEMENTS DANS LE MASSIF DE SOL............................................................................................ 262 VII.3. DÉFORMATIONS DE CISAILLEMENT................................................................................................... 264 VII.4. DÉFORMATIONS VOLUMIQUES.......................................................................................................... 265 VII.5. DÉPLACEMENTS VERTICAUX............................................................................................................. 266 VII.5.1. Tassementsen surface............................................................................................................ 266 VII.5.2.verticaux à différentes profondeurs ................................................................ 267 Déplacements VII.6. DÉPLACEMENTS HORIZONTAUX........................................................................................................ 267 VII.7. ETAT DE CONTRAINTES ET DE DÉFORMATIONS DANS LE MASSIF....................................................... 269 VII.8. CHEMINS DE CONTRAINTES SUIVIS PAR DIFFÉRENTS POINTS LOCALISÉS DANS LE MASSIF................. 271 VII.8.1......................................................................... 274de contraintes audessous du tunnel Chemins VII.8.2.de contraintes audessus du tunnel.......................................................................... 274 Chemins VIII. SIMULATIONNUMÉRIQUE DE LA PHASE DE CONFINEMENT (PHASE 2) ..................... 276 VIII.1. INTRODUCTION................................................................................................................................. 276 VIII.2. MOUVEMENTS DANS LE MASSIF DE SOL............................................................................................ 276 VIII.3. DÉPLACEMENTS VERTICAUX............................................................................................................. 278 VIII.3.1......................................................................................................... 278en surface Déplacements VIII.3.2.verticaux à différentes profondeurs ................................................................ 279 Déplacements VIII.4. DÉPLACEMENTS HORIZONTAUX........................................................................................................ 280 VIII.5. CHEMINS DE CONTRAINTES SUIVIS PAR DIFFÉRENTS POINTS LOCALISÉS DANS LE MASSIF................. 281 VIII.5.1. Chemins........................................................................ 282de contraintes audessous du tunnel VIII.5.2. Cheminsde contraintes audessus du tunnel.......................................................................... 282 VIII.6. CONCLUSIONS................................................................................................................................... 283 CONCLUSIONS GÉNÉRALES...................................................................................................................... 285
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES........................................................................................................ 289
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