Soutenance mémoire
Konno et al. (1997)
Konno (1997) a réalisé la première campagne d’essais d’impacts à haute énergie en vraie grandeur, sur des galeries de protection pare-bloc réelles, fabriquées pour ses essais expérimentaux. L’énergie d’impact était relativement élevée, jusqu’à près de 1500 kJ. La Figure 2.5 montre un schéma du dispositif d’essai utilisé par Konno (1997). Les galeries pare-bloc testées étaient composées de poutres en béton armé de section en forme de « T », avec des murs d’appuis continus ou composés de poteaux. Dans une vue en plan, la couche de sol protectrice, centrée sur le point d’impact, était et de dimensions 4 m x 4 m. Cette couche, composée de sable, était mise en place par passes (sous-couches) compactées successives de 20 cm. L’épaisseur finale de la couche de sable compacté était de 90 cm. Cette protection était positionnée pour réaliser les impacts en différents points du toit de la galerie : à une distance de L/6, L/2 ou 5L/6 des murs porteurs, où L représente la portée des poutres du toit de la galerie.
Approche par modélisation numérique
Les essais d’impacts sur semelle de fondation ont été simulés en utilisant une approche par la méthode des éléments discrets. Dans ce modèle, l’impacteur a été représenté par une sphère élastique de module d’Young pris égal à 30 GPa, la couche de sol protectrice par un ensemble de sphères de diamètre 7.5 cm élastiques de module d’Young 126.6 MPa et la dalle sous-jacente par un autre ensemble de sphères élastiques de module d’Young 30 GPa considérées collées entre elles aux contacts. Pour la couche protectrice de sol, la configuration géométrique initiale du réseau de sphères était de type cubique face centrée. Le compactage du sol avant l’impact a été simulé en retirant progressivement des sphères du réseau, le nombre de sphères à retirer étant obtenu par calage avec les essais d’impacts réels. Le modèle de contact entre les sphères n’a pas été précisé par l’auteur. Après calage des paramètres du modèle par simulation d’un des essais, cette modélisation a été employée pour étudier numériquement l’influence de la masse et du rayon du bloc impacteur. Une étude de sensibilité des résultats numériques aux valeurs du module d’élasticité et de l’angle de frottement interne du remblai a également été effectuée. Par ailleurs, l’auteure proposa une autre approche de modélisation, avec un sol considéré viscoélastique et basée sur la théorie des cônes de Wolf (1994), qui décrit la propagation d’ondes dans une couche de sol reposant sur un substratum élastique, sous l’action d’une semelle de fondation circulaire sollicitée en rotation autour d’un axe horizontal. Cette solution analytique a été considérée comme donnant un ordre de grandeur raisonnable de la pénétration maximale de l’impacteur, de la valeur maximale de l’effort d’impact (i.e. produit de décélération maximale de l’impacteur par sa masse) et de l’effort normal appliqué à la structure, correspondant à l’intégration des pressions à la base de la couche de sol protectrice.
Définition du programme d’essai
La revue de littérature conduit à considérer des paramètres géométriques et des paramètres mécaniques qui caractérisent un impact sur une couche de sol protectrice. Concernant la couche de sol, les paramètres ayant une influence significative sont la nature du sol (caractérisée par sa granulométrie), ses propriétés mécaniques (usuellement reliées à la densité sèche ou à la densité relative) et l’épaisseur de la couche. Concernant l’impact, les paramètres identifiés concernent l’impacteur et l’énergie de translation à l’impact. Pour le bloc impacteur, sa géométrie (dimension et forme côté pénétration dans le sol) et sa masse (ou, connaissant sa géométrie, sa densité) ; pour l’énergie, connaissant la masse de l’impacteur, la vitesse d’impact (ou la hauteur de chute). Selon la littérature, l’angle d’incidence de l’impacteur ne semble pas avoir une influence majeure sur les efforts normaux transmis à la structure sous la couche de sol, même si les efforts transversaux seront à considérer pour le dimensionnement des structures de protection. De même pour l’énergie rotationnelle de l’impacteur qui, bien qu’ayant une influence forte sur la trajectoire du bloc lors d’un impact, ne semble pas produire d’effort significatif dans le massif, par frottement au contact entre le bloc impacteur et le sol purement frottant constituant la couche protectrice. Dans cette étude, un seul type de sol a été considéré, un sable fin relativement propre, pour garantir l’absence de cohésion et maximiser la dissipation d’énergie par frottement entre les grains. Pour chaque essai, ce sable a été mis en œuvre par couches successives compactées, de manière à obtenir une densité sèche la plus homogène possible sur toute l’épaisseur de la couche. Tous les essais ont donc été réalisés avec une couche de sable protectrice de densité homogène identique. La Dimensionnement des couches de sol de protection des structures aux impacts nature du sol et sa densité étant fixés, l’épaisseur de la couche de sable est le seul paramètre variable de l’étude paramétrique caractérisant la protection de la structure. Concernant l’impacteur, dans l’objectif de traiter de manière approfondie la question de la protection contre les chutes de blocs rocheux, leur densité a été choisie de l’ordre de 2.5 (poids volumique voisin de 25 kN/m3). Concernant leur géométrie, la forme de l’impacteur a une influence sur la pénétration dans la couche de sol. Néanmoins, en première approximation, l’impacteur a été considéré quasi-sphérique, défini par un diamètre équivalent. Cette caractéristique dimensionnelle de l’impacteur a une influence significative sur la mobilisation des mécanismes de dissipation de l’énergie dans la couche de sol, par compression ou par cisaillement. Une définition plus précise de la géométrie d’un bloc rocheux introduirait un grand nombre de paramètres supplémentaires, y compris angulaires. En pratique, dans la plupart des cas, la taille équivalente d’un bloc rocheux peut être estimée. Dans le cas contraire, où la dimension dans une direction devient prépondérante par rapport aux autres directions, le géotechnicien est en mesure d’estimer que le bloc n’est plus assimilable à une sphère pour l’application considérée. L’étude paramétrique réalisée ici devra alors être étendue pour traiter des conditions d’impact a priori plus défavorables, par exemple lorsque le diamètre équivalent de la section d’impact est significativement plus petit que la dimension du bloc dans la direction d’impact au moyen de nouveaux essais. Les caractéristiques de l’impacteur étant fixées (densité et diamètre équivalent, donc masse), la sollicitation d’impact dépend alors de la vitesse à l’impact (Vi), ou d’une hauteur de chute libre (H). Dans cette étude paramétrique expérimentale, la hauteur de chute est préférée car imposée de manière directe dans le dispositif d’essai. Bien entendu, la vitesse d’impact, souvent donnée par les études trajectographiques de chutes de blocs rocheux, est en relation bijective avec la hauteur de chute libre des essais (Vi=√2gH, où g représente l’accélération de la pesanteur terrestre). L’énergie d’impact est également déterminée connaissant la masse du bloc et sa vitesse à l’impact. Toutefois, il est important de souligner qu’une énergie ne peut pas à elle seule caractériser un impact, car elle combine deux grandeurs de dimensions différentes, a priori indépendantes, une masse et une vitesse (longueur et temps). Vitesse et dimension (ou masse) du bloc sont nécessaires. En résumé, les facteurs qui caractérisent l’impact d’un bloc sur une couche de sol protégeant une structure sont rappelés dans le Tableau 3.1. Pour chaque facteur, la seconde colonne indique si ce facteur a été choisi fixe ou variable dans cette étude paramétrique expérimentale. Pour une nature de sol donnée, il a été considéré que trois paramètres avaient une influence majeure sur les efforts transmis au sommet de la structure, au travers de la couche de sol : l’épaisseur de la couche protectrice (D), le diamètre équivalent de l’impacteur (B) et la hauteur de chute (H). Il a été noté que la densité sèche de la couche de sol avait également une influence significative sur la transmission des efforts. Ce paramètre sera néanmoins pris constant dans l’étude paramétrique expérimentale. Cependant, lors de la mise au point du protocole d’essai, fixant notamment les modalités de mise en œuvre contrôlée de la couche de sol protectrice par passes compactées, quelques essais seront réalisés pour différentes énergies de compactage, conduisant à différentes densités sèches du sol. Ces essais permettront d’estimer l’importance de ce paramètre. Dimensionnement des couches de sol de protection des structures aux impacts Dans l’étude paramétrique expérimentale réalisée, le choix a donc été fait de faire varier systématiquement trois facteurs : épaisseur de la couche protectrice (D), diamètre équivalent de l’impacteur (B) et hauteur de chute (H). Au vu de la littérature, il est important de souligner que les expressions trouvées sur la base de ces essais auront été établies pour une nature de sol protecteur compacté à une densité sèche donnée. Des conclusions générales ne pourront donc pas être tirées de l’analyse des résultats d’essais, notamment concernant la distribution de pression en surface de la structure transmise au cours du temps pendant l’impact. Toutefois, pour un autre matériau ou une autre densité sèche, les expressions quantitatives dont la forme aura été établie sur la base des phénomènes observés devront être calées par quelques essais complémentaires.
Dispositif de mise en évidence des déplacements dans la couche de sable
Cherchant d’éventuels mécanismes de rupture, similaires à ceux observables à la rupture des fondations superficielles, trois techniques pour mettre en évidence les déplacements finaux dans le sable furent testées au cours de la campagne d’essais préliminaires. La Figure 3.8 montre la mise en œuvre, entre deux passes de construction de la couche protectrice, des trois dispositifs envisagés :
(a) Une fine couche de sable coloré aux pigments d’oxyde de fer, (b) Un filet avertisseur ou (c) De la peinture de chantier passée en surface de passe.
La technique d’observation basée sur l’intercalation d’une fine couche de sable coloré fut retenue pour la campagne d’essais principale. En effet, cette technique perturbe faiblement les conditions d’essai et met nettement en évidence les déplacements de la fine couche de matériau coloré. La Figure 3.9 montre la coupe d’un remblai impacté dont les déplacements au voisinage de l’impacteur sont mis en évidence par deux fines couches de sable coloré placées à deux hauteurs différentes pendant la construction. Il est intéressant de noter qu’aucun mécanisme de rupture par cisaillement localisée, faisant apparaitre des surfaces de rupture ne peut être distingué. Les importants déplacements dans le sable lâche pendant la pénétration de l’impacteur modifient les zones de rupture et de plastification, empêchant des mécanismes de rupture localisée de se développer et donc l’apparition de surfaces de glissement.
Conclusion
L’objectif de l’étude paramétrique expérimentale a été précisé en début de chapitre : lors d’un impact par un bloc rocheux sur une couche de sable protégeant une structure, étudier l’influence sur la sollicitation de la structure des caractéristiques de dimensionnement majeures suivantes : épaisseur de sable (D), diamètre du bloc rocheux (B) et hauteur de chute libre (H) (ou vitesse d’impact). Pour limiter l’ampleur de l’étude, une seule nature de sol de protection, compacté à une densité constante, a été considérée. Les expressions quantitatives dont la forme a été établie sur la base des phénomènes observés seront probablement valables pour d’autres sols et densités, mais leurs paramètres devront être calés par des essais complémentaires. Le programme expérimental a comporté 43 essais d’impact correspondant à des situations rencontrées en pratique. Les blocs impacteurs utilisés sont de diamètre équivalent compris entre 0.42 m et 1.79 m, correspondant à des masses comprises entre 117 et 7399 kg. Cinq hauteurs de chute libre ont été utilisées, jusqu’à 33 m, soit des vitesses d’impact jusqu’à 25 m/s (90 km/h). Trois épaisseurs de couche de sable protectrice ont été considérées : 1 m, 1.5 m et 2 m. Deux essais différents ont été réalisés en double afin d’avoir une idée de la reproductibilité des essais et du degré d’incertitude auquel on peut s’attendre. Par ailleurs, quatre essais ont été réalisés dans des conditions identiques en termes de hauteur de chute, d’épaisseur de remblai, d’énergie de compactage et de masse d’impacteur, mais avec une forme différente. Les conditions d’essais, les capteurs et dispositifs d’observation et la mise en œuvre de la campagne d’essais ont alors été présentés en détail. La suite du chapitre a été focalisée sur le dépouillement des mesures. La procédure a été décrite en détail et illustrée étape par étape par application aux mesures de l’essai numéro 22, D2B2H3C2 : épaisseur de sable 1.5 m, diamètre d’impacteur 0.73 m (553 kg) et hauteur de chute 10 m (vitesse d’impact 14 m/s, 50 km/h). L’observation des grandeurs usuelles dans les études de pénétration des projectiles, profondeur de pénétration, force d’impact et durée d’impact, a tout d’abord été exposée. Les mesures réalisées au cours de l’essai ont ensuite été dépouillées pour caractériser la propagation des efforts dans la couche de sable et la distribution spatio-temporelle de pression induite par l’impact à l’interface entre la couche de sable protectrice et la structure. Naturellement, même si la procédure de dépouillement s’applique essai par essai, et de fait a été illustrée sur un exemple dans ce chapitre, cette procédure en réalité résulte de l’analyse des résultats de l’ensemble des essais. Pour faire sens, un phénomène, que le dépouillement des mesures doit permettre de quantifier, doit être observé sur l’ensemble des essais. A ce stade, l’analyse des mesures d’un essai d’impact sur une couche de sable protégeant une structure relativement rigide conduit à conclure sur l’observation des phénomènes suivants :
(1) Propagation dans la couche de sable des efforts induits par l’impact : Lors d’un impact sur une couche de sable, le temps d’arrivée de la sollicitation en un point du massif augmente linéairement avec sa distance au point d’impact. Dimensionnement des couches de sol de protection des structures aux impacts
(2) Cette « vitesse de propagation » est bien inférieure à la vitesse des ondes sismiques de compression dans le sable. Elle semble davantage correspondre à une sollicitation progressive du massif de sable qui plastifie pendant l’impact, plutôt qu’à la propagation d’une onde de compression dans un milieu élastique.
(3) Accroissement de pression à l’interface sable-structure : Hormis le décalage temporel initial, l’accroissement de pression à différentes distances de la trajectoire d’impact est simultané, proportionnel à la valeur maximale de la pression qui sera atteinte à cette distance au cours de l’impact.
(4) Durée du pic de pression à l’interface sable-structure : La durée du pic de pression au-dessus de 50 % de sa valeur maximale diminue linéairement avec la distance à la trajectoire d’impact.
Enfin, les difficultés rencontrées dans la définition de la procédure de dépouillement méritent d’être soulignées. Suivant les conditions de sollicitation, caractérisée par le diamètre de l’impacteur, sa hauteur de chute (sa vitesse) et l’épaisseur de sable protecteur, les capteurs de pression peuvent entrer en résonnance et la dalle en vibration. La mise en résonnance des capteurs produit des oscillations à haute fréquence dans les mesures de pression. La pression induite par l’impact et la pression provenant de l’interaction entre la couche de sable sous son poids propre et la dalle en vibration deviennent difficiles à distinguer lorsqu’elles sont du même ordre de grandeur (voisines du poids des terres), à distance plus importante de la trajectoire d’impact. Ces difficultés ont conduit à s’intéresser à deux paramètres dont l’observation est plus fiable : (1) Pour déterminer l’instant correspondant à la pression maximale en un point, la vitesse d’accroissement initial de pression lorsque la pression atteint 50 % de la valeur maximale et (2) Pour déterminer la durée du pic de pression, le temps pendant lequel la pression est supérieure à 50 % de la valeur maximale.
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Table des matières
1 INTRODUCTION
2 ÉTUDES ANTERIEURES SUR LES COUCHES DE SOLS GRENUS EN PROTECTION D’IMPACTS
2.1 Introduction
2.2 Revue des études expérimentales antérieures
2.2.1 Yoshida et al. (1988)
2.2.2 Konno et al. (1997)
2.2.3 Montani (1998)
2.2.3.1 Approche expérimentale
2.2.3.2 Approche par modélisation numérique
2.2.3.3 Résumé des observations et conclusions
2.2.4 Pichler (2003)
2.2.5 Heidenreich (2004)
2.2.6 Calvetti et al. (2005)
2.2.7 Ho Sy Tam (2013)
2.2.8 Observation des phénomènes
2.2.9 Analyses quantitatives
2.2.10 Conséquences pour la suite de l’étude
3 ÉTUDE EXPERIMENTALE
3.1 Introduction
3.2 Définition du programme d’essai
3.3 Conditions communes à l’ensemble des essais
3.3.1 Dispositif d’essai
3.3.2 Sol de la couche protectrice
3.3.3 Impacteurs
3.4 Capteurs et dispositifs d’observation
3.4.1 Accéléromètres
3.4.2 Capteurs de pression totale
3.4.3 Caméras rapides
3.4.4 Dispositif de mise en évidence des déplacements dans la couche de sable
3.5 Essais préliminaires de calage du protocole d’essai
3.6 Mise en œuvre de la campagne d’essais
3.7 Dépouillement des mesures
3.7.1 Mouvement et pénétration finale du bloc impacteur
3.7.2 Force d’impact
3.7.3 Durée d’impact
3.7.4 Propagation dans la couche de sable
3.7.5 Pression à l’interface remblai-dalle induite par l’impact
3.7.5.1 Distribution spatiale de pression maximale pendant l’impact
3.7.5.2 Evolution temporelle de la pression pendant l’impact
3.7.6 Autres grandeurs déduites du dépouillement d’un essai
3.8 Conclusion
4 PRESSION A L’INTERFACE SOL-STRUCTURE POUR DIFFERENTES CONFIGURATIONS D’IMPACT
4.1 Introduction – Forme de la distribution spatio-temporelle de pression
4.2 Vitesse de propagation de la sollicitation
4.3 Pression maximale au droit de l’impact
4.4 Pression maximale à l’aplomb de la périphérie du bloc
4.5 Vitesse d’accroissement de la pression normalisée
4.6 Durée du pic de pression
4.6.1 Durée du pic de pression au droit de l’impact
4.6.2 Décroissance de la durée du pic de pression avec la distance à la trajectoire
4.7 Conclusion
4.7.1 Synthèse des formules
4.7.2 Synthèse des paramètres
5 PRECISION ET PERFORMANCE DU MODELE
5.1 Introduction
5.2 Répétabilité et incertitude des observations
5.2.1 Incertitude aléatoire
5.2.2 Incertitude liée à l’utilisation d’impacteurs rhombicuboctaèdrique
5.3 Représentation par le modèle des pressions observées
5.4 Représentation des valeurs caractéristiques de la distribution de pression
5.5 Résultante de pression induite au toit de la structure
5.5.1 Comparaison sur la campagne d’essais des valeurs déduites des mesures et obtenues par intégration du modèle
5.5.2 Confrontation aux résultats de la littérature
5.5.2.1 Travaux de Yoshida (1988)
5.5.2.2 Travaux de Montani (1998)
5.6 Pression induite au toit de la structure
5.7 Conclusion et domaine d’application
6 APPROCHE NUMERIQUE DE LA PROTECTION AUX IMPACTS PAR COUCHE DE SOL
6.1 Simulation numérique des essais
6.1.1 Description du modèle
6.1.2 Simulation du premier cas : B/D faible
6.1.3 Simulation du second cas : B/D important
6.1.4 Conclusion
6.2 Etude de l’influence de la rigidité d’une structure
6.3 Conclusion
7 DIMENSIONNEMENT DE COUCHES DE SOL EN PROTECTION AUX IMPACTS DE STRUCTURES
7.1 Définition du problème
7.2 Détermination de la sollicitation
7.2.1 Formulation générale
7.2.2 Distribution spatiale de la pression induite maximale
7.2.3 Distribution temporelle de la pression induite normalisée
7.2.4 Récapitulatif
7.3 Calcul en dynamique de la structure
7.4 Conclusions
8 CONCLUSION ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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