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

Dolzhenko Nataliya

Description

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............................................................................ ...

Informations

• Publié par: Anjyo
• Nombre de lectures: 79
• Langue: Slovak

Extrait

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. I NTRODUCTION ........................................................................................................................................ 22 I.2. C LASSIFICATION DES OUVRAGES SOUTERRAINS ...................................................................................... 22 I.3. T ECHNIQUES DE CONSTRUCTIONS DES OUVRAGES SOUTERRAINS ............................................................ 23 I.4. T ECHNIQUES DE CREUSEMENT ................................................................................................................. 23 I.5. T UNNELIERS ET BOUCLIERS . ....................................................................................................................24 I.5.1. Etudehistorique ............................................................................................................................ 24 I.5.2. Descriptiongénérale .....................................................................................................................25 I.6. C ONCLUSIONS ......................................................................................................................................... 28 II. MOUVEMENTSDE SOL LORS DU CREUSEMENT D’UN TUNNEL ............................................ 29 II.1. I NTRODUCTION ................................................................................................................................... 29 II.2. M OUVEMENTS DE SOL DUS AU CREUSEMENT ...................................................................................... 29 III. PHASESDE CREUSEMENT.................................................................................................................. 30 III.1. T ASSEMENT EN SURFACE .................................................................................................................... 33 III.2. M OUVEMENT HORIZONTAL ................................................................................................................. 34 IV. MÉTHODESDE PRÉDICTIONS DU TASSEMENT........................................................................... 37 IV.1. M ÉTHODES EMPIRIQUES ET SEMI  EMPIRIQUES .................................................................................... 37 IV.1.1. Estimationde « i »......................................................................................................................... 38 IV.1.2. Estimationde S max ......................................................................................................................... 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. M ÉTHODE ANALYTIQUE ...................................................................................................................... 44 IV.3. M ÉTHODES 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. C LASSIFICATION DES MODÈLES RÉDUITS ............................................................................................ 51 II.2. F ONCTIONS PRINCIPALES D ’ UN MODÈLE RÉDUIT ................................................................................. 51 II.3. L ES AVANTAGES ET LES INCONVÉNIENTS ............................................................................................ 52 III. LESMODÈLES RÉDUITS EXISTANTS DE TUNNEL. ..................................................................... 52 III.1. D ESCRIPTION DES MATÉRIAUX UTILISÉS ............................................................................................. 54 III.2. M ISE EN PLACE DES MATÉRIAUX ......................................................................................................... 54

9

III.3. M ÉTHODES 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. C HOIX DU MATÉRIAU DES EXPÉRIMENTATIONS INSA ............................................................................. 68 I.2. D ESCRIPTION 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. E TUDE DE L ’ INFLUENCE DU POIDS DU TUNNEL ........................................................................................ 72 I.3.1. Introduction...................................................................................................................................72 I.3.2.expérimentale avec poids variable...................................................................................... 72 Etude I.4. C ONCLUSIONS ......................................................................................................................................... 73 II. TRAITEMENTNUMÉRIQUE D’IMAGES .......................................................................................... 74 II.1. I NTRODUCTION ................................................................................................................................... 74 II.2. M ÉTHODES 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. C OMPARAISON ENTRE DIFFÉRENTES MÉTHODES DE MESURES ............................................................. 75 II.4. P RÉSENTATION DE LA MÉTHODE UTILISÉE .......................................................................................... 76 II.5. P RINCIPE DE LA MÉTHODE DE CORRÉLATION ( LOGICIEL S IFASOFT ) .................................................... 76 II.6. E TAPES DE TRAITEMENT D ’ IMAGES PAR S IFASOFT .............................................................................. 79 II.7. C HOIX 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. P RÉCISION 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. C ONCLUSIONS ..................................................................................................................................... 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. M OUVEMENTS VERTICAUX DU TUNNEL .............................................................................................. 93 III.2. M OUVEMENTS HORIZONTAUX DU TUNNEL ......................................................................................... 95 IV. ETUDEDE LA PHASE DE DÉCONFINEMENT DU DIAMÈTRE DU TUNNEL........................... 97 IV.1. I NTRODUCTION ................................................................................................................................... 97 IV.2. M OUVEMENTS DANS LE MASSIF DE SOL . P HASE 1............................................................................... 97 IV.3. D ÉFORMATIONS PRINCIPALES ........................................................................................................... 100

10

1 IV.4. D ÉFORMATION DE CISAILLEMENT MAXIMUM ( γ ) ..................................................................... 101 m 2 IV.5. D ÉFORMATIONS VOLUMIQUES .......................................................................................................... 101 IV.6. D ÉPLACEMENTS 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. D ÉPLACEMENTS HORIZONTAUX . P HASE 1......................................................................................... 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. I NFLUENCE 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. C ONCLUSIONS SUR LA PHASE DE DÉCONFINEMENT ........................................................................... 122 V. ETUDEDE LA PHASE DE CONFINEMENT DU DIAMÈTRE DU TUNNEL .............................. 123 V.1. I NTRODUCTION ................................................................................................................................. 123 V.2. M OUVEMENTS DANS LE MASSIF DU SOL . P HASE 2 ............................................................................ 123 V.3. D ÉFORMATIONS PRINCIPALES ........................................................................................................... 125 1 V.4. D ÉFORMATIONS DE CISAILLEMENT MAXIMUM ( γ ).................................................................... 126 m 2 V.5. D ÉFORMATIONS VOLUMIQUES .......................................................................................................... 127 V.6. D ÉPLACEMENTS 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. D ÉPLACEMENTS HORIZONTAUX . P HASE 2......................................................................................... 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. I NFLUENCE 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. T ASSEMENT RÉSIDUEL ...................................................................................................................... 141 V.10. T ASSEMENT EN SURFACE EN FONCTION DES ÉTATS RÉALISÉS ........................................................... 143 V.11. C ONCLUSIONS SUR LA PHASE DE CONFINEMENT ............................................................................... 143 Chapitre V : Essais sous chargement simple I. INTRODUCTION................................................................................................................................... 147

II. ETUDEBIBLIOGRAPHIQUE SUR LE COMPORTEMENT BIAXIAL ........................................ 147 II.1. P RINCIPE DE L ’ ESSAI BIAXIAL ........................................................................................................... 147 II.2. E SSAIS BIAXIAUX EXISTANTS SUR LE MATÉRIAU ANALOGIQUE ......................................................... 148 III. L’ESSAIBIAXIAL RÉALISÉ À L’INSA............................................................................................. 153 III.1. D ESCRIPTION DE L ’ APPAREIL BIAXIAL .............................................................................................. 153 III.2. R ÉSULTATS 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. D ÉTERMINATION 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. C ONCLUSIONS SUR L ’ ESSAI BIAXIAL ................................................................................................. 165 IV. ESSAIOEDOMÉTRIQUE..................................................................................................................... 165

11

IV.1. D ESCRIPTION DES ESSAIS .................................................................................................................. 165 IV.2. R ÉSULTATS DES ESSAIS ..................................................................................................................... 167 IV.2.1.............................................................................................................................. 170 Déchargement IV.2.2. Rechargement..............................................................................................................................172 IV.3. C ONCLUSIONS SUR L ’ ESSAI OEDOMÉTRIQUE ..................................................................................... 173 V. COEFFICIENTDES TERRES AU REPOS......................................................................................... 173 V.1. P RÉSENTATION DU MONTAGE ........................................................................................................... 173 V.2. D ÉTERMINATION DE K O COEFFICIENT 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. C OMPORTEMENT ÉLASTIQUE LINÉAIRE ISOTROPE ( LOI DE H OOKE )................................................... 181 III.2. M ODULE D ’Y OUNG ET COEFFICIENT DE P OISSON DES MATÉRIAUX ISOTROPES ................................. 182 III.3. L OIS 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. C ONCLUSIONS SUR LES LOIS SANS PLASTICITÉ .................................................................................. 186 IV. LOISDE COMPORTEMENT ÉLASTOPLASTIQUES .................................................................... 186 IV.1. N OTION DE SURFACE DE CHARGE ...................................................................................................... 187 IV.2. N OTION D ’ ÉCROUISSAGE . ................................................................................................................. 187 IV.3. N OTION DE LOI D ’ ÉCOULEMENT ........................................................................................................ 190 V. LOIDE COMPORTEMENT ÉLASTIQUE PARFAITEMENT PLASTIQUE................................ 191 VI. LOIÉLASTOPLASTIQUE AVEC ÉCROUISSAGE ......................................................................... 194 VI.1. M ODÈLES AVEC UN DOMAINE ÉLASTIQUE FERMÉ ............................................................................. 194 VI.2. M ODÈLE À DEUX MÉCANISMES ......................................................................................................... 195 VI.3. M ODÈLES 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. C OMPORTEMENT ÉLASTIQUE INCRÉMENTAL ..................................................................................... 204 III.2. C RITÈRE DE RUPTURE ....................................................................................................................... 205 III.3. R ÈGLE D ’ ÉCOULEMENT ..................................................................................................................... 205 III.4. D ÉFINITION DE LA SURFACE DE CHARGE ........................................................................................... 206 III.5. L A SURFACE DE CHARGE DE LA LOI 207MMC ........................................................................................ III.6. C ALCUL DE LA DÉFORMATION EN CHARGEMENT PRIMAIRE .............................................................. 211 III.7. C ALCUL DU MULTIPLICATEUR PLASTIQUE ........................................................................................ 211

12

III.8. D ÉTERMINATION DE L ’ ÉTAT DE DÉCHARGEMENT  RECHARGEMENT ................................................. 213 III.8.1. Moduleen déchargement ............................................................................................................ 214 III.8.2. Moduleen rechargement............................................................................................................. 215 IV. IDENTIFICATIONDES PARAMÈTRES DE LA LOI MMC........................................................... 216 IV.1. D ÉTERMINATION DES PARAMÈTRES D ’ ÉLASTICITÉ ............................................................................ 216 IV.1.1.K Paramètre c et n........................................................................................................................ 216 IV.1.2.K Paramètre d ............................................................................................................................... 218 IV.1.3. Paramètreν................................................................................................................................. 219 IV.2. D ÉTERMINATION DES PARAMÈTRES DE PLASTICITÉ .......................................................................... 220 IV.2.1. Paramètreϕ. ............................................................................................................................... 220 IV.2.2. Paramètresψ 1 ,ψ r ....................................................................................................................... 221 IV.2.3. ParamètreSLψ............................................................................................................................ 222 IV.2.4.C Paramètre 0 ............................................................................................................................... 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. I NTRODUCTION ...................................................................................................................................... 228 I.2. D ESCRIPTION DU CODE DE CALCUL FLAC............................................................................................. 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. E SSAI 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. E SSAIS OEDOMÉTRIQUES .................................................................................................................. 238 II.3. V ALIDATION DU MODÈLE SUR DES ESSAIS RÉALISÉS SUR LE MATÉRIAU ANALOGIQUE PAR D ’ AUTRES CHERCHEURS ................................................................................................................................................... 239 III. INFLUENCEDES PARAMÈTRES DU MODÈLE MMC SUR LA SIMULATION DES ESSAIS D’IDENTIFICATION ...................................................................................................................................... 241 III.1. P ARAMÈTRES ÉLASTIQUES ................................................................................................................ 242 III.2. P ARAMÈTRES À LA RUPTURE ............................................................................................................. 243 III.3. S YNTHÈSE 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. C ONDITIONS AUX LIMITES ................................................................................................................ 249 II.2. M AILLAGE UTILISÉ ........................................................................................................................... 249

13

II.3. E TAT 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 K 0 ........................... 255 V.1. E TUDE DE LA SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES LORS DU DÉCONFINEMENT DU TUNNEL (P HASE 1) ...... 256 V.2. S YNTHÈSE DES RÉSULTATS SUR LA PHASE DE DÉCONFINEMENT (P HASE 1)....................................... 258 V.3. E TUDE DE LA SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES LORS DU CONFINEMENT DU TUNNEL (P HASE 2)........... 259 V.4. S YNTHÈSE DES RÉSULTATS DE LA PHASE DE CONFINEMENT (P HASE 2602) ............................................. VI. CONCLUSIONSSUR LA SENSIBILITÉ DES PARAMÈTRES....................................................... 261

VII. SIMULATIONNUMÉRIQUE DU DÉCONFINEMENT (PHASE 1)........................................... 262 VII.1. I NTRODUCTION ................................................................................................................................. 262 VII.2. M OUVEMENTS DANS LE MASSIF DE SOL ............................................................................................ 262 VII.3. D ÉFORMATIONS DE CISAILLEMENT ................................................................................................... 264 VII.4. D ÉFORMATIONS VOLUMIQUES .......................................................................................................... 265 VII.5. D ÉPLACEMENTS VERTICAUX ............................................................................................................. 266 VII.5.1. Tassementsen surface............................................................................................................ 266 VII.5.2.verticaux à différentes profondeurs ................................................................ 267 Déplacements VII.6. D ÉPLACEMENTS HORIZONTAUX ........................................................................................................ 267 VII.7. E TAT DE CONTRAINTES ET DE DÉFORMATIONS DANS LE MASSIF ....................................................... 269 VII.8. C HEMINS 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. I NTRODUCTION ................................................................................................................................. 276 VIII.2. M OUVEMENTS DANS LE MASSIF DE SOL ............................................................................................ 276 VIII.3. D ÉPLACEMENTS VERTICAUX ............................................................................................................. 278 VIII.3.1......................................................................................................... 278en surface Déplacements VIII.3.2.verticaux à différentes profondeurs ................................................................ 279 Déplacements VIII.4. D ÉPLACEMENTS HORIZONTAUX ........................................................................................................ 280 VIII.5. C HEMINS 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. C ONCLUSIONS ................................................................................................................................... 283 CONCLUSIONS GÉNÉRALES...................................................................................................................... 285

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES........................................................................................................ 289

14