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

Trompille Virginie

Description

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 99 Chapitre 4 Analyse des résultats expérimentaux Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 100 Table des matières 4.1. Phase de creusement : résultats expérimentaux .............................................................................101 4.1.1 Longueur de pré-voûte et fréquence des chutes locales au front.........................................................101 4.1.2 Évolution des tassements en surface....................................................................................................103 4.1.2.a Tassements dûs aux phases d’enfoncement du tube...................................................................103 4.1.2.b ents dus aux phases de terrassement...............................................................................107 4.1.3 Évolution des déplacements internes devant le front...........................................................................107 4.1.3.a Evolution des déplacements internes au cours de l’enfoncement...............................................107 4.1.3.b Evolution de l’extrusion au cours du terrassement.....................................................................109 4.1.4 Évolution des contraintes internes .......................................................................................................117 4.2. Phase de chargement : résultats expérimentaux........................................ ...

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Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux

                    Chapitre 4

       

 

Analyse des résultats expérimentaux

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Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 100 Table des matières 4.1.    101Phase de creusement : résultats expérimentaux .............................................................................   4.1.1    ......................................................... 101Longueur de pré-voûte et fréquence des chutes locales au front   4.1.2   Évolution des tassements en surface.................................................................................................... 103   4.1.2.a   Tassements dûs aux phases d’enfoncement du tube ................................................................... 103   4.1.2.b    107Tassements dus aux phases de terrassement...............................................................................   4.1.3    107Évolution des déplacements internes devant le front...........................................................................   4.1.3.a   Evolution des déplacements internes au cours de l’enfoncement............................................... 107   4.1.3.b    109Evolution de l’extrusion au cours du terrassement.....................................................................   4.1.4    ....................................................................................................... 117Évolution des contraintes internes   4.2.    117Phase de chargement : résultats expérimentaux.............................................................................   4.2.1    117Durée des paliers de chargement .........................................................................................................   4.2.2    ..................................................................................................................... 118Évolution des tassements   4.2.3   Évolution des déplacements internes et de l’extrusion ........................................................................ 119   4.2.4   Évolution des contraintes internes (essais 6, 7 et 8) ............................................................................ 126   4.2.4.a    126Position des capteurs internes de pression..................................................................................   4.2.4.b    127Exploitation des résultats............................................................................................................   4.2.5   Surcharge de rupture............................................................................................................................ 131   4.3.   Conclusion .......................................................................................................................................... 132      

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 101 4.1. Phase de creusement : résultats expérimentaux 4.1.1 Longueur de pré-voûte et fréquence des chutes locales au front La phase de creusement du tunnel consiste en une succession de phases d’enfoncement du tube puis de terrassement du matériau se trouvant à l’intérieur. La longueur terrassée varie d’une phase à l’autre et d’un essai à l’autre, en fonction de la stabilité observée du front de taille. Les deux tableaux présentés en Annexe B donnent les valeurs de pré-voûte en bas et en haut du front au début et à la fin de chaque phase de terrassement, pour tous les essais. On y indique également la fréquence des chutes locales observées. La phase de creusement de l’essai 1 n’ayant pas été filmé, nous ne disposons que de très peu d’informations concernant les longueurs de pré-voûte et le nombre de chutes locales.   On notera que, d’une manière générale, la phase de creusement des essais avec boulons s’effectue dans de bien meilleures conditions de stabilité que celle des essais sans boulon. En effet, en présence des boulons, les ruptures locales sont quasiment réduites à zéro, comme le montre la Figure 4.1, alors qu’au contraire, dans le cas sans renforcement elles sont beaucoup plus nombreuses, entre 9 et 13.   14 Essais sans boulon 12 Essais avec boulons

10

8

6

4

2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 N° de l'essai     Figure 4.1. Nombre de chutes locales au front au cours de la phase de creusement pour les essais 2 à 8   De plus, dans le cas d’un front boulonné, le terrassement peut facilement être mené jusqu’à une valeur de pré-voûte proche de zéro, ce qui est loin d’être le cas pour les essais sans boulon car la fréquence importante des chutes locales nous oblige à être prudent. Ceci est illustré par la Figure 4.2 qui représente la valeur limite de pré-voûte en haut du front atteinte pour les différentes phases de terrassement de chaque essais. Les marques noires représentent les essais sans boulon alors que les marques grises représentent les essais avec boulons. Les marques entourées correspondent à la pré-voûte minimale atteinte avant qu’une importante chute locale survienne alors que les marques qui ne sont pas entourées correspondent à la pré-voute finale obtenue sans chute prématurée du front.  

 

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9

7 5 3

1

Essai 1 Essai 3 Essai 2 Essai 4 Essai 5 Essai 6 Essai 7 Essai 8 chute prématurée du front

102

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N° de la phase de terrassement   Figure 4.2. Valeur de la pré-voûte limite (en haut du front) due soit à une chute prématurée du front (marque entourée), soit à la fin du terrassement sans qu’aucune chute n’intervienne   La figure ci-dessus met en évidence deux zones distinctes : la plupart des marques noires, c’est-à-dire des essais sans boulon, se situent au-dessus d’une valeur de pré-voûte de 4 cm (trait horizontal en pointillé) alors que la plupart des marques grises, c’est-à-dire des essais avec boulons, se situent en-dessous d’une valeur de pré-voûte de 4 cm. De plus, pour les essais sans boulon, la valeur limite de pré-voûte correspond presque systématiquement à une chute locale importante alors que, pour les essais avec boulons, elle correspond, mises à part quelques exceptions, à la fin du terrassement sans qu’aucune chute ne soit survenue.   Ainsi, un front boulonné demeure vertical et stable alors qu’un front non renforcé reste incliné à cause des chutes locales continues venant du haut lors de son terrassement. Ceci est schématisé sur la Figure 4.3, "PV" signifiant pré-voûte.       PV haut  PV haut = PV bas     Boulons   Tunnel Tunnel           PV bas > PV haut    avec boulon : front vertical Essai Essai sans boulon : front incliné   Figure 4.3. Effet du boulonnage sur l’inclinaison du front de taille durant le terrassement   La présence des boulons semble donc conférer une sorte de cohésion au massif et retient la tendance à un mouvement d’extrusion. Ceci va être confirmé dans les paragraphes suivants par l’analyse des différentes mesures, notamment les déplacements internes.    

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 103 4.1.2 Évolution des tassements en surface Deux sources de tassement sont à distinguer lors de la phase de creusement, comme le montre la Figure 4.4 pour l’essai 2 : l’une est due au terrassement lorsque le tube est fixe (section BC) et l’autre est liée à l’enfoncement du tube (section AB). Des graphiques similaires sont présentés en Annexe C pour les sept autres essais et pour les rangées de capteurs situées dans l’axe ainsi qu’à 20 et 40 cm de l’axe du tunnel.   60 0,8  )a(72 àd oronfrm  c bdu aucev b( at  ( ledl  m du )   a bor) à 37 ctaonfrd a  ldel evuc (c) à 47 cm du bord frontal de la cuve 0 7 (d) à 57 cm du bord frontal de la cuve C 50 , (e) à 67 cm du bord frontal de la cuve B (f) à 77 cm du bord frontal de la cuve (g) à 87 cm du bord frontal de la cuve 0,6 Position du tube dans la cuve 40 0,5 A (b) 30 0,4 0,3 20 0,2 (c) 10 0,1  (g) (f) (e) 0 (d) 0 0 5000 10000 15000 20000  Temps [s]   Figure 4.4. Evolution typique des tassements en surface (dans l’axe du tunnel) au cours de la phase de creusement, exemple de l’essai 2   4.1.2.a Tassements dûs aux phases d’enfoncement du tube On définit x comme étant la distance horizontale séparant l’extrémité du tube (qui avance au cours de l’enfoncement) et un point A fixe situé en surface (Figure 4.5) : x est compté négativement tant que le tube n’est pas passé au niveau du point fixe A et, inversement, x est compté positivement lorsque qu’il a dépassé le point fixe A.  

 

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 104 A   (point fixe)     Massif x < 0 Tunnel Sens d’enfoncement x > 0     Figure 4.5. Vue latérale de la cuve – Définition de x, distance entre l’extrémité du tube (qui avance) et un point A fixe situé à la surface du massif   La Figure 4.6 représente les sept profils de tassement représentés dans le repère attaché au front, en fonction de la distance x (précédemment définie). On constate que ces sept courbes expérimentales se rassemblent dans un même fuseau, mettant en évidence la qualité des mesures, l’homogénéité du massif ainsi que la stationnarité du phénomène.   -0,1 (f) 0 (d) 0,1 (g) (e)  (c) 0,2 (b) 0,3 0,4  (a) 27 cm du bord, dans l'axe du tunnel(a) capteur situé à (b) capteur situé à 37 cm du bord, dans l'axe du tunnel 0,5 (c) capteur situé à 47 cm du bord, dans l'axe du tunnel 0 (d) capteur situé à 57 cm du bord, dans l'axe du tunnel ,6 67 cm du bord, dans l'axe du tunnel(e) capteur situé à 0,7 (f) capteur situé à 77 cm du bord, dans l'axe du tunnel (g) capteur situé à 87 cm du bord, dans l'axe du tunnel 0,8 0,9 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Distance x (entre l'extrémité du tube et un point fixe en surface) [cm]   Figure 4.6. Essai 2 – Tassements (dans l’axe du tunnel)au cours de l’enfoncement du tube en fonction de la distance x, pour les sept capteurs   La Figure 4.7 correspond à la Figure 4.6 en représentant les sept capteurs sans les dissocier (points gris sur la figure) et en déduisant un profil type de tassement dû à l’enfoncement du tube (courbe noir sur la figure).  

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux  

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-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 Essai 2 - Points expérimentaux 0 5 Essai 2 - Profil de tassement déduit , 0,6 0,7 0,8 0,9 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Distance x (entre l'extrémité du tube et un point fixe en surface) [cm]   Figure 4.7. Essai 2 – Profil des tassements (dans l’axe du tunnel) au cours de l’enfoncement du tube en fonction de la distance x entre l’extrémité du tube et un point fixe en surface   Le profil type ainsi déduit se décompose en trois parties. Tant que le tube n’a pas atteint le point de mesure donné (i.e x < 0), les tassements restent insignifiants. Par contre, dès que le tube dépasse ce point (i.e x > 0), la pente du profil devient plus forte mettant bien en évidence l’influence prépondérante du frottement sol/tube sur l’origine des tassements du fait du cisaillement du sol situé au-dessus du tube. Puis, lorsque le tube se situe à environ 30 cm au-delà du point considéré (soit environ un diamètre), la pente du profil redevient plus faible : le remaniement du sol se termine. Toutefois, cette partie finale du profil est difficile à déduire avec certitude, puisque seul le capteur situé à 27 cm du bord frontal de la cuve permet d’avoir des informations et, étant donné que l’enfoncement du tube s’arrête à 54 cm de bord frontale de la cuve, cela signifie que les points expérimentaux de la Figure 4.7 s’arrêtent à x = 54 – 27 = 27 cm.   Une analyse similaire est menée pour tous les essais et les résultats sont présentés en Annexe D. Pour certains essais, notamment les essais 1, 4 et 8, de légers refoulement de terrain (tassements négatifs) de l’ordre de 0.05 mm sont enregistrées sur la première partie du profil, c’est-à-dire lorsque l’extrémité du tube n’a pas encore atteint le point fixe de mesure.   La Figure 4.8 donne l’amplitude finale du tassement au niveau des deux capteurs situés à 27 et 37 cm du bord frontal de la cuve. Ces deux capteurs ont enregistrés les tassements les plus importants puisque la distance de frottement sol/tube y est la plus grande.  

 

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Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux -0,1 0 0,1 0,2 0,3 a cuve rus paetudc an lt fiemenTass l ed latnorf dro bdu cm7  2 àuéit 0,4 c paetruifan ludssement Ta tnoed lr oabl  refv udc 7  3 du cmit s àué a 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Distance x (entre l'extrémité du tube et un point fixe en surface) [cm]   Figure 4.8. Essai 2 – Tassement total dû aux phases d’enfoncement du tube et enregistré par les 2 cap- teurs les plus proches du bord frontal de la cuve (dans l’axe du tunnel) en fonction de la vitesse d’enfoncement   On représente ensuite ces deux valeurs de tassement total dû aux phases d’enfoncement en fonction de la vitesse d’enfoncement du tube (Figure 4.9) pour l’essai 2 ainsi que pour tous les autres essais.  

Essai 6

1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Capteur situé à 27 cm du bord frontal de la cuve Capteur situé à 37 cm du bord frontal de la cuve 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Vitesse d'enfoncement [mm/min]   Figure 4.9. Tassement total dû aux phases d’enfoncement du tube et enregistré par les 2 capteurs les plus proches du bord frontal de la cuve (dans l’axe du tunnel) en fonction de la vitesse d’enfoncement   Les deux droites représentées sur la figure ci-dessus sont les régressions linéaires de tous les essais, excepté l’essai 6. La correlation est très bonne, mettant en évidence le lien entre les tassements et la vitesse d’enfoncement : plus la phase d’enfoncement est rapide, plus les tassements engendrés sont  

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 107 importants (cf. essai 3). Toutefois, on ne peut conclure que ces deux grandeurs soient liés par une relation linéaire. Concernant l’essai 6, les tassements semblent sur-estimés en comparaison avec les essais 5, 7 et 8 qui possèdent pourtant une vitesse d’enfoncement du tube très proche. Aucune explication pour cela ne peut cependant être donnée.   4.1.2.b Tassements dus aux phases de terrassement Concernant les tassements liés aux phases de terrassement, une analyse quantitative similaire n’a pu être menée pour deux raisons : premièrement, parce que les tassements engendrés durant ces phases de terrassement (alors que le tube est fixe) sont très faibles, voire parfois du même ordre de grandeur que la précision des capteurs LVDT en surface et deuxièmement parce que le peu de tassement enregistré ne peut pas toujours être relié à une phase d’excavation du front. Autrement dit, l’interprétation s’avère aléatoire selon les phases et les essais, c’est pourquoi aucun résultat d’évolution des tassements durant les phases de terrassement du front ne peut être déduit de cette approche expérimentale.   4.1.3 Évolution des déplacements internes devant le front Le système de mesure des déplacements internes devant le front n’a été mis en place qu’à partir du quatrième essai. L’exploitation des résultats portera donc sur deux essais sans boulon (essais 5 et 7) et deux avec boulons (essais 6 et 8). Lors de la phase de creusement, deux sources de déplacements internes du massif doivent être distinguées, comme précédemment : l’une est due aux phases d’enfoncement du tube, l’autre aux phases de terrassement.   4.1.3.a Evolution des déplacements internes au cours de l’enfoncement On rappelle que les déplacements internes (aussi appelés extrusions) sont mesurés à l’aide de prolongateurs de capteur (dont l’extrémité constitue le point de mesure) positionnés dans le massif durant sa confection. Ils sont reliés à des capteurs LVDT situés à l’arrière extérieur de la cuve grâce à de petites fentes réalisées sur la paroi arrière de la cuve. Pour l’exploitation qui va suivre, la position de chaque point de mesure est repérée par rapport au bord frontale intérieur de la cuve, comme schématisé sur la Figure 4.10 pour l’essai 6 qui possède trois points de mesure, tous situés très près de l’axe du tunnel.  

 

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux Surface du massif Essai 6 73 cm 66 cm 59 cm Prolongateurs reliés à des capteurs LVDT à Position finale du tube l'arrière de la cuve

3 points de mesure des déplacements internes au-devant du front

Vue latérale de la cuve

à 59 cm du bord à 66 cm du bord à 73 cm du bord

Vue de face du tunnel

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  Figure 4.10. Position des 3 points de mesure des déplacements internes par rapport au bord frontal de la cuve (exemple de l’essai 6)   La variation des déplacements internes au cours des phases d’enfoncement du tube peut se traduire soit par une réduction, soit par une augmentation des valeurs comptées positivement lorsque le sol se décomprime. En effet, comme le montre la Figure 4.11 pour l’essai 6, toutes les phases d’enfoncement, exceptée la dernière, provoquent une compression donc un refoulement du massif à l’avant du front, qui devient très visible lorsque l’extrémité du tube se trouve à proximité du capteur. Par contre, pour la dernière phase, on mesure un déconfinement du terrain puisque les déplacements internes augmentent. Ce phénomène se retrouve également pour les essais 5, 6 et 8 dont les courbes de l’évolution de l’extrusion au cours du temps sont présentées en Annexe E.  

 

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50 40

Essai 6

30 à 59 cm du bord à 66 cm du bord 20 à 73 cm du bord 10

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0,12 frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 59 cm du bord à 66 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnel 0,1 ebut ud noitiso à3  7 dcmob uf drtnord lae la cuve, dans 'lxa eudt nuen P l 0,08 0,06 0,04 0,02 0 -0,02 -0,04 -0,06 0 0 5000 10000 15000 Temps [s]   Figure 4.11. Essai 6 – Evolution des déplacements internes devant le front dans l’axe du tunnel, au cours du creusement   La présence d’une pré-voûte lors des phases d’enfoncement joue le rôle de bouchon à l’extrémité du tube, à cause des frottements existants entre le matériau à l’intérieur du tube et le tube lui-même. Ainsi, en enfonçant le tube, ce bouchon vient en butée contre le massif situé au-devant du front et le comprime, d’où les valeurs négatives d’extrusion mesurées. Mais lorsque le front arrive suffisamment près des capteurs et que le bouchon est détruit par terrassement, alors le massif se décomprime, d’où l’augmentation des valeurs d’extrusion à la fin de la dernière phase d’enfoncement.   4.1.3.b Evolution de l’extrusion au cours du terrassement La variation des déplacements internes au cours des phases de terrassement ne devient pertinente qu’à partir des deux dernières phases, voire de la dernière pour certains essais. Avant celles-ci, quasiment aucun déplacement interne n’est enregistré lorsqu’on terrasse. L’évolution des déplacements internes devant le front est mesurée en 3 ou 4 points, situés au centre ou en haut du front, selon les essais. Les résultats obtenus lors de la dernière phase de terrassement sont présentés Figure 4.12 à Figure 4.15.   Notons que pour l’essai 7, le capteur situé en bas n’a pas fonctionné au cours de cette phase de creusement mais correctement fonctionné lors de la phase de chargement en surface.