Soutenance mémoire
Objectifs du développement du modèle physique
Le dispositif a été conçu, en collaboration avec la section Modélisation et Conception de Systèmes d’Instrumentation du LCPC (Division Métrologie et Instrumentation), de manière à réaliser une expérimentation représentative du mécanisme de transfert de charge vers le sol à travers le matelas de répartition. C’est un modèle physique, différent des modèles réduits développés par ailleurs en centrifugeuse dans le cadre du projet national, l’accent étant mis ici sur les mécanismes de fonctionnement du matelas de répartition. L’idée est d’étudier le comportement d’une « cellule élémentaire » prise au sein du maillage d’inclusions rigides. La cellule de référence est constituée d’une seule inclusion, prise au sein du maillage, une autre configuration possible étant celle d’une cellule de 5 inclusions (configuration « domino »). Les dimensions de base du modèle ont été choisies de manière à avoir, pour la configuration de référence à une seule inclusion, un rapport de réduction de 5 par rapport à l’essai de référence sur le site expérimental de Saint-Ouen-l’Aumône.
Les tassomètres
Les tassomètres ont pour objectif de mesurer, en certains points représentatifs, le tassement de l’interface entre le sol mou analogique et le matelas de répartition. Le principe retenu pour la mesure est présenté sur la Figure 2. 10. a. Il s’agit d’une tige équipée en tête d’un petit disque de 20 mm de diamètre, pouvant coulisser dans un tube de guidage qui traverse la couche de sol analogique et qui est fixé sur le fond du réservoir. La surface du disque est suffisante pour que celui-ci se déplace avec l’interface, le déplacement mesuré donnant le tassement de l’interface. En partie supérieure, la partie de la tige sortant du tube de guidage est protégée par une membrane en latex afin d’éviter que le sable entre dans le tube. Un ressort de faible raideur disposé au-dessous du disque permet de garder la position initiale de la tige, à l’interface sol/matelas, pendant la phase de mise en place du sol analogique. Le déplacement de la tige est mesuré au-dessous du fond du réservoir grâce à un capteur de déplacement du type LVDT (modèle DX20 EL-50) (Figure 2. 11)
CONFRONTATION AVEC LES METHODES ANALYTIQUES
Dans le premier chapitre, on a présenté les modèles analytiques développés par différents auteurs, qui contribuent à mieux comprendre les mécanismes de transfert de charge au sein du matelas, et de proposer des méthodes de dimensionnement, des formules pour évaluer le coefficient d’efficacité. Dans cette partie, on confronte les résultats expérimentaux obtenus avec le modèle physique 1g en terme de coefficient d’efficacité aux résultats obtenus par les différentes méthodes analytiques applicables à notre configuration. Chevalier (2008) a regroupé les modèles analytiques existants de la littérature en trois groupes :
– modèles présupposant une zone d’influence pour les inclusions rigides (Carlsson, 1987 ; Svanø et al., 2000 ; Van Eekelen et al., 2003) ;
– modèles de transfert de charge basés sur l’équilibre d’un volume de sol en mouvement (Marston & Anderson, 1913 ; Terzaghi, 1943 ; Combarieu, 1974 ; Combarieu, 1988 ; Russell & Pierpoint, 1997 ; Cao et al., 2006) ;
– modèles présupposant la formation de voûtes dans le matelas granulaire (Hewlett & Randolph, 1988 ; Low et al., 1994 ; Kempfert et al., 1997 ; Abusharar et al., 2008).
Le modèle physique 1g simule un maillage élémentaire et ne permet pas de développer l’effet de voûte au sein du matelas. Pour cette raison, on ne compare pas les résultats expérimentaux avec les méthodes analytiques du troisième groupe. Pour les deux premiers groupes, on a choisi deux méthodes pour chacun à confronter aux résultats expérimentaux dans la mesure où les paramètres du modèle physique 1g satisfont aux hypothèses et aux conditions d’application des méthodes analytiques choisies. On résume les méthodes analytiques qui seront utilisées dans cette partie :
– méthode de Svanø et al. (2000) ;
– méthode de Chevalier (2008) ;
– méthode de McKelvey III (1994) ;
– méthode du frottement négatif de Combarieu (2008) ;
L’application des méthodes analytiques à la configuration du modèle physique 1g nécessite d’avoir les caractéristiques mécaniques des matériaux constitutifs du matelas et du sol analogique.
Conclusion générale
Une partie importante de ce travail a concerné le développement d’un modèle physique 1g afin d’étudier le comportement d’une cellule élémentaire prise au sein d’un maillage d’inclusions rigides. Ce modèle physique, proche du problème réel, permet d’observer qualitativement et quantitativement les mécanismes qui se développent au sein du matelas grâce à :
La variation des dimensions de la configuration de base (taux de recouvrement, épaisseur de matelas). Celles-ci sont liées à celles de l’essai en vraie grandeur réalisée sur le site de SaintOuen – l’Aumône (échelle 1/5) ;
L’instrumentation de l’inclusion rigide en tête, qui permet de mesurer la force reprise par l’inclusion rigide ;
La mise en place de sept tassomètres, qui permet de mesurer le déplacement de l’interface sol/matelas ;
L’application du chargement à pression contrôlée (baudruche), qui permet de simuler la charge uniforme due au poids d’un remblai ;
L’utilisation de différents matériaux pour modéliser du matelas de transfert de charge. On a, en particulier, utilisé un matériau uniforme de référence dont le diamètre moyen est à l’échelle 1/5ème par rapport à celui du matériau constitutif du matelas utilisé sur le site de Saint-Ouenl’Aumône ;
La modélisation du sol compressible par un mélange de sable et de billes de polystyrène, qui permet de faire varier sa compressibilité en modifiant la fraction volumique des billes de polystyrène et son épaisseur ;
La minimisation des effets de bord à l’aide du système anti – frettage, disposé sur la surface latérale interne de la cellule.
L’étude menée sur ce modèle physique a permis de mettre en évidence de manière claire les mécanismes de transfert de charge vers l’inclusion rigide et la réduction des tassements de l’interface sol/matelas. Cette étude s’est focalisée sur l’influence des paramètres significatifs suivants :
Paramètres géométriques :
– épaisseur du matelas, mh ;
– taux de recouvrement, α .
Paramètres liés au matelas :
– diamètre moyen du matériau constitutif du matelas, 50 d ;
– granulométrie du matériau constitutif du matelas ;
– compacité du matériau constitutif du matelas.
Paramètres liés au sol analogique :
– compressibilité du sol analogique ;
– épaisseur du sol analogique.
Concernant l’influence des paramètres géométriques, on a observé que l’augmentation de l’épaisseur du matelas et du taux de recouvrement favorise la concentration de charge vers l’inclusion rigide, ce qui est quantifié par le coefficient d’efficacité maximal obtenu au cours du chargement. De plus, elle permet de diminuer le tassement moyen de l’interface sol/matelas ainsi que le tassement différentiel à l’interface sol/matelas. En terme de coefficient d’efficacité maximal, l’augmentation du taux de recouvrement est prépondérante par rapport à l’augmentation de l’épaisseur du matelas, mais l’influence de l’épaisseur du matelas sur le coefficient d’efficacité est plus importante lorsque le taux de recouvrement est important. En revanche, en terme d’homogénéité des tassements de l’interface sol/matelas, l’augmentation de l’épaisseur du matelas a une influence prépondérante par rapport au taux de recouvrement. Lorsque le rapport /( ) mh s a − est supérieur à 0,50, on observe une uniformisation du tassement de l’interface sol/matelas. Quant à l’influence des paramètres liés aux matelas, on a montré que plus le diamètre moyen du matériau constitutif du matelas est important, plus le coefficient d’efficacité est élevé. En comparant les résultats obtenus sur deux types de matériaux ayant le même diamètre moyen, mais avec un étalement différent, on observe que le matériau uniforme permet de mieux concentrer la force vers l’inclusion rigide que le matériau étalé. De plus, pour le cas du matériau étalé, à faible densité, le coefficient d’efficacité obtenu est faible et diminue lorsqu’on augmente l’épaisseur du matelas. En augmentant la densité de la couche de matelas, on augmente la concentration de force vers l’inclusion rigide. Sur le côté de l’influence des paramètres étudiés sur le tassement de l’interface sol/matelas, plus le coefficient d’efficacité est plus important, et plus le tassement de l’interface sol/matelas diminue. En ce qui concerne l’influence du sol analogique, on observe que l’augmentation de la compressibilité ainsi que de l’épaisseur du sol analogique n’ont pas d’influence significative sur la valeur du coefficient d’efficacité maximal, mais entraînent un passage plus rapide à la phase stabilisée correspondant à cette valeur, en fonction de la pression à la surface du matelas. D’un autre côté, on a observé une réduction, en terme du coefficient d’efficacité, lorsqu’on réalise des phases de charge et décharge successives. En terme d’application au dimensionnement, sachant que l’évaluation de l’efficacité de cette technique est caractérisée par la réduction du tassement absolu et du tassement différentiel, cette étude paramétrique permet de tirer quelques indications concernant le dimensionnement de ce type de renforcement :
– l’augmentation de l’épaisseur de matelas permet de diminuer et d’homogénéiser le tassement de l’interface sol/matelas ainsi que celui à la surface du matelas ;
– pour une épaisseur de matelas, l’augmentation du diamètre de l’inclusion rigide où la diminution de la distance entre les inclusions rigides pour que le rapport ( /( ) m h s a − > 0,50), permet d’assurer un tassement uniforme à la surface du matelas ;
– l’efficacité de cette technique peut être améliorée si on utilise un matelas bien compacté, constitué d’un matériau uniforme avec un diamètre moyen important.
Finalement, la confrontation des résultats expérimentaux obtenus avec les méthodes analytiques, adaptées à notre modèle, montre que la méthode de Combarieu (2007) donne les résultats les plus proches en terme de tendance ainsi que d’amplitude. Une formule de correction de la méthode de Chevalier (2008) a également été proposée et permet de mieux prévoir le coefficient d’efficacité, en particulier pour le matelas du type M1. Concernant la confrontation des résultats expérimentaux des trois types de modèles développés dans le cadre du projet national A.S.I.RI. (modèle physique 1g, modèle physique en centrifugeuse, modèle en vraie grandeur), on peut dire que, pour un taux de recouvrement et un m h s relativement faible, le coefficient d’efficacité varie de 10% à 20% ; l’effet de « boite à œuf » à la surface du matelas n’est plus observé lorsque le rapport m h s est supérieur à 0,5. Cependant, les résultats expérimentaux, en terme du coefficient d’efficacité, obtenus sur le modèle physique 1g sont plus faibles que ceux obtenus sur le modèle physique en centrifugeuse lorsque le rapport m h s augmente, car l’effet de voûte ne peut pas se développer au sein du matelas dans le modèle physique 1g, ce qui n’est pas le cas pour le modèle physique en centrifugeuse. La modélisation numérique en 2D-asymétrique, par le logiciel Plaxis V8.6, l’essai sur le modèle physique 1g pour le matelas du type M1, permet de reproduire les observations relevées à partir des essais expérimentaux, telles que l’effet de la concentration des contraintes vers l’inclusion rigide, l’effet de l’accrochage du sol compressible, l’effet du bord, la trace de l’inclusion rigide à la surface du matelas. La modélisation du matelas de transfert de charge par le « Hardening Soil Model » et du sol compressible par le « Soft Soil Model » permet de simuler le comportement de ces types de matériaux après une validation des résultats numériques avec ceux obtenus à partir du programme d’essais mécaniques (essai triaxial pour le matelas de transfert et essai œdométrique pour le sol analogique). Cette première approche donne des résultats satisfaisants par rapport à ceux obtenus sur les deux cas de référence : non renforcé et renforcé par inclusion rigide. L’influence des paramètres épaisseur de matelas et taux de recouvrement a, elle aussi, été correctement reproduire par la modélisation numérique, par rapport aux résultats expérimentaux. L’ensemble des résultats expérimentaux obtenus constitue une base de données importante qui servira de référence pour les travaux de modélisation numérique (thème 4 du projet national A.S.I.RI.). Il reste cependant différents points qu’il serait important de développer :
– la configuration à cinq inclusions rigides, configuration du type « domino ». Cette configuration permet, a priori, d’éviter l’influence du bord et de développer l’effet de voûte qui se développe dans le cas réel lorsque l’épaisseur de matelas est importante ;
– la réalisation d’essais à déplacement contrôlé qui permettent de simuler le cas du matelas sous dallage ;
– la poursuite du travail sur les méthodes analytiques, en particulier en tenant compte du diamètre moyen et de la granulométrie du matériau constitutif du matelas ;
– l’approfondissement de la modélisation numérique en complétant, en particulier, l’étude paramétrique réalisée.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 – Eléments bibliographiques
1.1. PRESENTATION DE LA TECHNIQUE DE RENFORCEMENT DES SOLS PAR INCLUSIONS RIGIDES
1.1.1. Principe
1.1.2. Applications
1.2. METHODES DE CALCUL ET DE DIMENSIONNEMENT ACTUELLES
1.2.1. Méthodes analytiques
1.2.1.1. Le concept de Marston & Anderson (1913)
1.2.1.2. Méthode de Terzaghi (1943)
1.2.1.3. Approche de Carlsson (1987)
1.2.1.4. Méthode de Combarieu (1974, 1988, 2007)
1.2.1.5. Méthode d’analytique des voûtes
1.2.1.6. Modèle basé sur la méthode de Guido et al. (1987)
1.2.1.7. Modèle analytique de Cao et al. (2006)
1.2.1.8. Méthode de Naughton (2007)
1.2.1.9. Synthèse des approches analytiques
1.2.2. Méthodes numériques
1.2.3. Confrontation des méthodes analytiques et des méthodes numériques
1.3. PRESENTATION DES TRAVAUX DE RECHERCHE EXPERIMENTAUX
1.3.1. Modèles physiques bidimensionnels
1.3.1.1. Modèle de Hewlett & Randolph (1988)
1.3.1.2. Modèle de Low et al. (1994)
1.3.1.3. Modèle de Horgan & Sarsby (2002)
1.3.1.4. Modèle de Van Eekelen et al. (2003)
1.3.1.5. Modèle de Jenck (2005)
1.3.1.6. Modèle de Chen et al. (2008)
1.3.2. Modèles physiques tridimensionnels
1.3.2.1. Modèle de Bergdahl et al. (1979)
1.3.2.2. Modèle de Demerdash (1996)
1.3.2.3. Modèle de Kempfert et al. (1997)
1.3.3. Récapitulation des travaux expérimentaux
1.4. LE PROJET NATIONAL ASIRI
1.5. OBJECTIFS DE LA THESE
Chapitre 2 – Présentation du dispositif expérimental
2.1. CONCEPTION DU MODELE PHYSIQUE 1 G
2.1.1. Objectifs du développement du modèle physique
2.1.2. Règles de similitude
2.1.2.1. Classification des modèles physiques
2.1.2.2. Règles de similitude
2.1.3. Choix de la géométrie du modèle physique. Configuration à une seule inclusion
2.1.3.1. Description le site expérimental St-Ouen-l’Aumône
2.1.3.2. Choix des dimensions du modèle physique réduit
2.2. DESCRIPTION DU DISPOSITIF
2.2.1. Description d’ensemble
2.2.2. L’inclusion instrumentée
2.2.3. Les tassomètres
2.2.4. Dispositif à mesurer le tassement à la surface du matelas
2.2.5. Dispositif de chargement
2.3. ESSAIS PRELIMINAIRES DE VALIDATION DU DISPOSITIF
2.3.1. Description des essais de validation
2.3.1.1. Principe de l’essai de validation
2.3.1.2. Matériaux et dimensions des paramètres du modèle physique
2.3.1.3. Instrumentation pour l’essai de validation
2.3.2. Programme d’acquisition et le cahier de chargement du modèle physique
2.3.3. Résultats des essais de validation
2.3.3.1. Vérification du fonctionnement du système de chargement et le capteur de force
2.3.3.2. Vérification du fonctionnement du capteur LVDT et du tassomètre
2.3.3.3. Vérification du fonctionnement de l’ensemble du dispositif
2.4. PROCEDURE DE L’ESSAI
Chapitre 3 – Présentation des résultats obtenus
3.1. MATERIAUX CONSTITUTIFS DU MATELAS
3.1.1. Choix du matériau de référence
3.1.2. Choix des trois autres matériaux
3.1.3. Caractéristiques physiques des différents matériaux
3.1.3.1. Matériau de référence M1
3.1.3.2. Matériaux MB5/8 et MB10/16
3.1.3.3. Matériau étalé M2
3.1.4. Caractéristiques mécaniques
3.2. RESULTATS D’ESSAIS TYPIQUES
3.2.1. Cas du massif non renforcé
3.2.2. Massif renforcé par une inclusion rigide : cas de référence
3.2.2.1. Reprise de l’effort par l’inclusion rigide
3.2.2.2. Tassements de l’interface sol/matelas
3.2.2.3. Tassement en surface du matelas
3.2.3. Conclusions et remarques
3.3. ETUDE DES PARAMETRES D’INFLUENCE
3.3.1. Influence des paramètres géométriques
3.3.1.1. Influence de l’épaisseur du matelas, mh
3.3.1.2. Influence du taux de recouvrement, α
3.3.1.3. Conclusions partielles
3.3.2. Influence des paramètres liés au matelas
3.3.2.1. Influence du diamètre des grains du matelas
3.3.2.2. Influence de l’étalement granulométrique du matériau constitutif du matelas
3.3.2.3. Influence de la compacité
3.3.3. Influence du sol analogique
3.3.3.1. Influence de la compressibilité
3.3.3.2. Influence de l’épaisseur du sol analogique,sh
3.3.3.3. Conclusions partielles
3.3.4. Evolution de coefficient d’efficacité lors de phase de décharge – recharge
3.4. CONCLUSIONS
Chapitre 4 – Evaluation des résultats obtenus et modélisation numérique de l’essai
4.1. CONFRONTATION AVEC LES METHODES ANALYTIQUES
4.1.1. Comparaison avec le premier groupe de méthodes analytiques
4.1.1.1. Méthode de Svanø et al. (2000)
4.1.1.2. Méthode de Chevalier (2008)
4.1.2. Comparaison avec le deuxième groupe de méthodes analytiques
4.1.2.1. Méthode de McKelvey III (1994)
4.1.2.2. Méthode de Combarieu (2007)
4.1.3. Conclusions partielles
4.2. CONFRONTATION AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX DU PROJET NATIONAL ASIRI
4.2.1. Essais en vraie grandeur – Site expérimental de Saint-Ouen-l’Aumône
4.2.2. Modèle réduit en centrifugeuse
4.2.3. Conclusions partielles
4.3. MODELISATION NUMERIQUE DE L’ESSAI
4.3.1. Modélisation du modèle physique avec le logiciel Plaxis
4.3.1.1. Modélisation du comportement du matelas de transfert de charge
4.3.1.2. Modélisation du comportement du sol analogique
4.3.1.3. Modélisation de l’inclusion rigide
4.3.2. Modélisation des cas de référence
4.3.2.1. Cas non renforcé
4.3.2.2. Cas renforcé
4.3.3. Conclusions partielles
Conclusion générale
Annexe 1 – Caractéristiques des matériaux utilisés dans le modèle physique
Annexe 2 – Logiciel d’acquisition
Annexe 3 – FIche d’essai
Bibliographie
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