Variabilité et incertitudes en géotechnique : de leur estimation à leur prise en compte
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Description

Sous la direction de Alain Denis, Denys Breysse
Thèse soutenue le 08 juin 2009: Bordeaux 1
L’évolution actuelle de l’ingénierie géotechnique place la maîtrise des risques d’origine géotechnique au cœur de ses objectifs. On constate aussi que la complexité des projets d’aménagement (à travers les objectifs coûts/délais/performances qui sont recherchés) est croissante et que les terrains choisis pour les recevoir présentent, quant à eux, des conditions géotechniques de plus en plus souvent « difficiles ». Ces conditions défavorables se traduisent par une variabilité forte des propriétés des sols, rendant leur reconnaissance et leur analyse plus complexe. Ce travail de thèse traite de la caractérisation de la variabilité naturelle des sols et des incertitudes liées aux reconnaissances géotechniques dans le but de mieux les prendre en compte dans les dimensionnements des ouvrages. Il se positionne dans le contexte de la maîtrise des risques de projet d’origine géotechnique. Les principaux outils statistiques servant à décrire la dispersion des données et leur structuration spatiale (géostatistique), ainsi que des méthodes probabilistes permettant d’utiliser leur résultats dans des calculs, sont présentés sous l’angle de leur application en géotechnique. La démarche est appliquée à un projet de plate-forme ferroviaire. Cette infrastructure a été implantée sur un site géologiquement et géotechniquement complexe, et présente aujourd’hui des déformations importantes dues aux tassements des sols. Une nouvelle analyse des données géotechniques a donc été entreprise. Elles ont, au préalable, été regroupées dans une base de données qui a facilité leur traitement statistique et géostatistique. Leur variabilité statistique et spatiale a été caractérisée permettant une meilleure compréhension du site. Le modèle géologique et géotechnique ainsi établi a ensuite été utilisé pour calculer les tassements. Une démarche en trois temps est proposée : globale, locale et spatialisée permettant une estimation des tassements et de leur incertitude, respectivement, à l’échelle du site, aux points de sondages, et spatialisée sur la zone d’étude. Les résultats montrent clairement l’intérêt des méthodes statistiques et géostatistiques pour la caractérisation des sites complexes et l’élaboration d’un modèle géologique et géotechnique du site adapté. La démarche d’analyse des tassements proposée met en avant le fait que les incertitudes des paramètres se répercutent sur les résultats des calculs de dimensionnement et expliquent le comportement global de l’infrastructure. Ces résultats peuvent se traduire sous forme d’une probabilité de ruine qui peut ensuite être utilisée dans un processus de prise de décision et de management des risques. D’une manière plus large, ce travail de thèse constitue une contribution à l’élaboration et l’analyse des campagnes de reconnaissances géotechniques, en ayant le souci d’identifier, d’évaluer et de prendre en compte la variabilité et les incertitudes des données lors des différentes phases du projet pour permettre une meilleure maîtrise du risque d’origine géotechnique.
-Géotechnique
-Reconnaissance des sols
-Tassement
-Variabilité
-Risque
-Méthodes statistiques
-Géostatistique
-Incertitude géotechnique
-Méthodes probabilistes
-Méthode des éléments finis
The current evolution of the geotechnical engineering places the risk management of geotechnical origin in the heart of its objectives. We also notice that the complexity of the projects of development (through the objectives costs/deadline/performances which are sought) is increasing and that soil chosen to receive them present unusual geotechnical conditions. These unfavourable conditions usually mean a strong variability of the soil properties, which induces soil investigation and data analysis more difficult. This work of thesis deals with the characterization of the natural variability of soils and with the uncertainties dues to geotechnical investigations, with the aim to better take them into account in geotechnical engineering project. This work takes place in the context of the management of the risk of project with geotechnical origin. The main statistical tools used for describe the scattering of the data and their spatial variability (geostatistic), as well as the probabilistic methods enabling to use their results in calculations, are presented under the view of their application in geotechnical design. The approach is applied to a project of railway platform. This infrastructure was located on a site where the geology and the geotechnical conditions are complex, and which present important deformations due to the soil settlements. A new analysis of geotechnical data was started again. First, geotechnical data were included in a database in order to ease their statistical and geostatistical treatment. Their statistical and spatial variability were characterized allowing a better understanding of the site. The geologic and geotechnical model so established was then used to assess the settlement effects. An analysis in three levels is proposed: global, local and spatial, which give means to estimate the settlement values and its uncertainty, respectively, on the scale of the site, on the boring points, and on zone of study according to the spatial connectivity of soil properties. The results clearly show the interest of statistical and geostatiscal methods in characterizing complex sites and in the elaboration of a relevant geologic and geotechnical model. The settlement analysis proposed highlight that the parameter uncertainties are of first importance on the design calculations and explain the global behaviour of the infrastructure. These results can be translated in the form of a reliabilitry analysis which can be then used in a process of decision-making and risk management. In a wider way, this work of thesis contributes toward the elaboration and the analysis of the geotechnical investigations, with the aim to identify, to estimate and to take into account the variability and the uncertainties of the data during the various stages of the project. It leads to better control of the risk of geotechnical origin.
-Geotechnical engineering
-Soil investigation
-Settlement effects
-Variability
-Statistical method
-Geotatistical method
-Probabilistic method
-Finite element method (FEM)
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13808/document

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Langue Français
Poids de l'ouvrage 17 Mo

Exrait

N° d’ordre : 3808

THÈSE

PRÉSENTÉE À

L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1

ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR

Par Julien DUBOST

POUR OBTENIR LE GRADE DE

DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Mécanique et Ingénierie

VARIABILITÉ ET INCERTITUDES EN GÉOTECHNIQUE :
DE LEUR ESTIMATION À LEUR PRISE EN COMPTE.


Directeurs de recherche : Pr. Alain DENIS et Pr. Denys BREYSSE



Soutenue le lundi 08 juin 2009

Devant la commission d’examen formée de :

M. KASTNER, Richard Professeur, INSA de Lyon Rapporteur
M. LA BORDERIE, Christian Professeur, Université de Pau et des Pays de l’Adour Rapporteur
M. CHANSON, Marc Adjoint au chef de pôle chargé du pilotage du Génie Examinateur
Civil, SNCF, Pôle Régional Ingénierie de Bordeaux
M. LANDES, Bruno Chef de Division Géotechnique et Terrassements, Examinateur
SNCF, Direction de l’Ingénierie
M. MARACHE, Antoine Maître de conférence, Université Bordeaux 1 Examinateur
M. BREYSSE, Denys Professeur, Université Bordeaux 1 Codirecteur de thèse
M. DENIS, Alain Professeur, Université Bordeaux 1 Directeur de thèse

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Les Sciences et les Technologies au service de l’Homme et de l’environnement










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Cette thèse est l’aboutissement de trois années de travail qui se sont déroulées au sein
laboratoire GHYMAC de l’Université Bordeaux 1 et du Pôle Régional Ingénierie SNCF de
Bordeaux, grâce au financement de l’ANRT (convention CIFRE).

Ces trois années ont été exceptionnelles, et je le dois à tous ceux et celles qui m’ont
accompagnés et soutenus au quotidien durant cette période. Je remercie donc du fond du cœur
tous mes collègues doctorants, enseignants-chercheurs et personnels du laboratoire
GHYMAC, et de la même manière ceux du Pôle Ingénierie de Bordeaux (et plus
particulièrement ceux du groupe Études Générales) avec qui l’aventure va se poursuivre le
plus longtemps possible j’espère.


Si ces années ont été si agréables et fructueuses, c’est aussi, et surtout, grâce à mes
encadrants. Ils seront pour moi un modèle dans ma vie professionnelle future.
J’adresse donc mes plus sincères remerciements à
Denys BREYSSE, qui le premier a eu l’idée de cette thèse et qui a ensuite
partagé son entrain et son expérience,
Marc CHANSON, qui a porté ce projet au sein de la SNCF et pour sa
contribution inestimable à mon intégration dans l’entreprise,
Alain DENIS, qui m’a soutenu, inspiré et encouragé au quotidien. Il m’a guidé,
accompagné au bout du monde, sans lui ce travail ne serait pas ce qu’il est.

Je tiens à remercier Michel SEBERT, qui en 2005 était chef du PRI de Bordeaux : il a cru en ce
projet et l’a soutenu ; son successeur, Philippe COUSINET a confirmé ce soutien sans faille.
Tous deux ont contribué à me procurer le meilleur environnement de travail qu’un doctorant
puisse souhaiter.
Je remercie également les membres de la Direction de l’Ingénierie (groupe IG-LG), qui lors
de chacun de mes passages m’ont accueilli, écouté et conseillé.

J’adresse aussi chaleureux remerciement à Richard KASTNER, Christian LA BORDERIE, Bruno
LANDES et Antoine MARACHE qui ont accepté de participer au jury de la thèse. L’intérêt qu’ils
ont témoigné pour mon travail m’est des plus précieux.


Enfin, un grand merci à tous mes amis et à ma famille (et belle famille) qui ont été mes plus
fervents supporters.

Merci à Emmanuelle, mon rayon de soleil.
Merci à mes parents, à qui je dois tout…






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L’évolution actuelle de l’ingénierie géotechnique place la maîtrise des risques d’origine
géotechnique au cœur de ses objectifs. On constate aussi que la complexité des projets d’aménagement
(à travers les objectifs coûts/délais/performances qui sont recherchés) est croissante et que les terrains
choisis pour les recevoir présentent, quant à eux, des conditions géotechniques de plus en plus souvent
« difficiles ». Ces conditions défavorables se traduisent par une variabilité forte des propriétés des
sols, rendant leur reconnaissance et leur analyse plus complexe.
Ce travail de thèse traite de la caractérisation de la variabilité naturelle des sols et des incertitudes
liées aux reconnaissances géotechniques dans le but de mieux les prendre en compte dans les
dimensionnements des ouvrages. Il se positionne dans le contexte de la maîtrise des risques de projet
d’origine géotechnique. Les principaux outils statistiques servant à décrire la dispersion des données et
leur structuration spatiale (géostatistique), ainsi que des méthodes probabilistes permettant d’utiliser
leur résultats dans des calculs, sont présentés sous l’angle de leur application en géotechnique.
La démarche est appliquée à un projet de plate-forme ferroviaire. Cette infrastructure a été
implantée sur un site géologiquement et géotechniquement complexe, et présente aujourd’hui des
déformations importantes dues aux tassements des sols. Une nouvelle analyse des données
géotechniques a donc été entreprise. Elles ont, au préalable, été regroupées dans une base de données
qui a facilité leur traitement statistique et géostatistique. Leur variabilité statistique et spatiale a été
caractérisée permettant une meilleure compréhension du site. Le modèle géologique et géotechnique
ainsi établi a ensuite été utilisé pour calculer les tassements. Une démarche en trois temps est
proposée : globale, locale et spatialisée permettant une estimation des tassements et de leur incertitude,
respectivement, à l’échelle du site, aux points de sondages, et spatialisée sur la zone d’étude.
Les résultats montrent clairement l’intérêt des méthodes statistiques et géostatistiques pour la
caractérisation des sites complexes et l’élaboration d’un modèle géologique et géotechnique du site
adapté. La démarche d’analyse des tassements proposée met en avant le fait que les incertitudes des
paramètres se répercutent sur les résultats des calculs de dimensionnement et expliquent le
comportement global de l’infrastructure. Ces résultats peuvent se traduire sous forme d’une probabilité
de ruine qui peut ensuite être utilisée dans un processus de prise de décision et de management des
risques.
D’une manière plus large, ce travail de thèse constitue une contribution à l’élaboration et l’analyse
des campagnes de reconnaissances géotechniques, en ayant le souci d’identifier, d’évaluer et de
prendre en compte la variabilité et les incertitudes des données lors des différentes phases du projet
pour permettre une meilleure maîtrise du risque d’origine géotechnique.
Mots clés : Géotechnique, reconnaissance des sols, tassement, variabilité, incertitudes, risque,
méthodes statistiques, géostatistique, méthodes probabilistes, méthode des éléments finis.
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VARIABILITY AND UNCERTAINTY IN GEOTECHNICAL ENGINEERING:
FROM THEIR ESTIMATION TO THEIR CONSIDERATION

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The current evolution of the geotechnical engineering places the risk management of geotechnical
origin in the heart of its objectives. We also notice that the complexity of the projects of development
(through the objectives costs/deadline/performances which are sought) is increasing and that soil
chosen to receive them present unusual geotechnical conditions. These unfavourable conditions
usually mean a strong variability of the soil properties, which induces soil investigation and data
analysis more difficult.
This work of thesis deals with the characterization of the natural variability of soils and with the
uncertainties dues to geotechnical investigations, with the aim to better take them into account in
geotechnical engineering project. This work takes place in the context of the management of the risk
of project with geotechnical origin. The main statistical tools used for describe the scattering of the
data and their spatial variability (geostatistic), as well as the probabilistic methods enabling to use their
results in calculations, are presented under the view of their application in geotechnical design.
The approach is applied to a project of railway platform. This infrastructure was located on a site
where the geology and the geotechnical conditions are complex, and which present important
deformations due to the soil settlements. A new analysis of geotechnical data was started again. First,
geotechnical data were included in a database in order to ease their statistical and geostatistical
treatment. Their statistical and spatial variability were characterized allowing a better understanding of
the site. The geologic and geotechnical model so established was then used to assess the settlement
effects. An analysis in three levels is proposed: global, local and spatial, which give means to estimate
the settlement values and its uncertainty, respectively, on the scale of the site, on the boring points,
and on zone of study according to the spatial connectivity of soil properties.
The results clearly show the interest of statistical and geostatiscal methods in characterizing
complex sites and in the elaboration of a relevant geologic and geotechnical model. The settlement
analysis proposed highlight that the parameter uncertainties are of first importance on the design
calculations and explain the global behaviour of the infrastructure. These results can be translated in
the form of a reliabilitry analysis which can be then used in a process of decision-making and risk
management.
In a wider way, this work of thesis contributes toward the elaboration and the analysis of the
geotechnical investigations, with the aim to identify, to estimate and to take into account the
variability and the uncertainties of the data during the various stages of the project. It leads to better
control of the risk of geotechnical origin.
Key words: Geotechnical engineering, soil investigation, settlement effects, variability, uncertainty,
risk, statistical method, geotatistical method, probabilistic method, finite element method (FEM).
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