Modélisations numériques des ouvrages géotechniques

Interaction sols-structures (ISS) 

En génie civil tous les ouvrages ont en attouché avec les sols ou les roches, cette interaction peut être limitée par exemple des bâtiments ou ouvrages d’art et il est très complexe dans les soutènements, ou illimité dans le cas des tunnels.
Au-delà des propriétés des sols telles qu’on put étudier, il conviendra d’étudier les interactions qui existent entre le sol et les structures qui sont à son contact. Les structures sont très diverses, elles peuvent être souples ou rigides, fixes ou mobiles, perméables ou imperméables. Les actions qu’elles imposeront au sol seront permanentes ou variables provisoires ou définitives ou encore statiques ou dynamiques.
Les interactions sont dépendantes ou non du déplacement relatif sol-structure. Le contact peut se faire à déformation imposée. Au bout d’un temps plus ou moins long va s’établir un équilibre entre le sol et la structure qui va se caractériser par stabilité des déformations.
Cet équilibre sera acceptable ou non au regard de l’utilisation des ouvrages. L’estimation des interactions va permettre de faire des calculs de déformation du sol et de stabilité des ouvrages. On partira en général d’hypothèses sur le comportement du complexe sol-structure.

Les règles de justification des ouvrages 

Exigence de sécurité et exigence de service

Dans tous les calculs de mécanique des sols comprennent l’un l’autre des deux objectifs suivants : Assurer la stabilité des massifs de sols et des ouvrages ;
Estimer les déformations (et les écoulements d’eau), afin de s’assurer qu’elles sont compatibles avec l’utilisation prévue de l’ouvrage.
Selon le type d’ouvrages et la nature des sols les calculs sont prises des formes différentes. Dans certains cas, les vérifications théoriques sont généralement réalisées en se basant sur l’expérience qui montre certains ruptures ne peuvent se produire, mais le principe reste toujours d’assurer, avec prendre des précautions (coefficient ou facteur de sécurité), la stabilité de l’ouvrage ou du massif de sol, la géométrie joue un rôle très important, pour déterminer la déformations ou le déplacement de l’ouvrage ou d’un massif de sol et prendre les mesures nécessaires pour que celles-ci soient admissibles après la mise en service de l’ouvrage.

Situations et schémas de calcul 

La construction d’un ouvrage ou l’exécution de travaux a pour effet de faire progressivement passer d’un état initial de la nature à un état différent. Ce processus continu mobilise le comportement mécanique du terrain et de la structure, qui doit rester en permanence admissible. Les vérifications de stabilité et de déformations devraient donc être continues, il se trouve heureusement que chacune des phases successives du chantier sollicite le système «sol-structure» dans un sens unique par exemple creuse une fouille devant un soutènement, et l’on sait que l’état final de chaque phase sera défavorable (on plus favorable) que les états intermédiaires du système lors de cette phase des travaux. On peut donc se contenter de repérer pendant le déroulement du chantier et la période d’exploitation de l’ouvrage les situations qui seront critiques pour la stabilité ou pour les déformations. Ces situations sont appelées «situation de calcul». Nous verrons ensuite comment ces situations sont schématisées et quelles vérifications sont effectuées de façon systématique pour tous les ouvrages.

Schémas de calcul pour les études de déformations 

Les calculs de déformations sont beaucoup moins développés que les calculs de stabilité en géotechnique. Les méthodes de calcul s’appliquent directement pour le calcul des tassements des massifs de sols chargés en surface (fondations superficielles, remblais, barrages) par la méthode oédométrique et par les méthodes fondées sur la théorie de l’élasticité. Pour les fondations profondes et superficielles, la méthode pressiométrique fournit une estimation du tassement d’une fondation isolée. Les déformations des massifs de sols peuvent aussi être calculées par des méthodes numériques, qui permettent de décrire plus précisément les conditions géométriques de l’ouvrage analysé, en conditions bidimensionnelles ou tridimensionnelles. Pour les déformations des soutènements et fondations, l’utilisation de la méthode des coefficients de réaction est répondue. Mais la détermination de caractéristiques mécaniques représentatives des différentes couches de sols reste un problème difficile, mal résolu par les méthodes de reconnaissance géotechnique courantes.
Dans beaucoup de cas, d’ailleurs, l’estimation des tassements ou mouvements horizontaux des terrains sollicités par les travaux n’est pas effectué par l’expérience montre que les conditions de chargement imposées par les règles de justification de stabilité maintiennent les déformations en dessous des valeurs des déformations admissibles des ouvrages courants.

Prouver la sécurité 

La sécurité des constructions est une préoccupation permanente des ingénieurs. C’est une exigence très ancienne puisque l’on trouve des règles relatives aux défauts de construction des bâtiments dans les codes juridiques des civilisations du passé, comme le code d’Hammourabi, roi de Babylone de 1728 à 1686 avant notre ère, avec un principe de responsabilité de type «loi du talion».
Il est naturel que ces règles aient marqué profondément la tradition des métiers de la construction (architectes, entrepreneurs, ingénieurs modernes) : la sécurité y est ressentie comme une exigence fondamentale, comprise comme l’obligation d’éliminer tout risque de rupture. Comme personne n’est à l’abri d’un cataclysme ou d’une anomalie dont il n’est pas responsable, «éliminer tout risque de rupture» a été adouci en «éliminer tout risque de rupture dans le cadre des hypothèses imposées par les règlements, les règles de l’art et la commande reçue du client et hors phénomènes naturels imprévisibles».
Concrètement, l’ingénieur dimensionne des ouvrages stables, c’est-à-dire résistant à tous les modes de rupture connus pour certaines valeurs maximales des sollicitations extérieurs: hauteur maximale des crues intensité maximale des séismes, charges maximales du trafic sur les ponts, etc.
Dans cette conception traditionnelle du dimensionnement des ouvrages géotechniques, il n’y a pas de notions de risque de ruine au sens probabiliste du terme : toutes les incertitudes «internes» au sol et à la structure sont couvertes par les règles de justification et le concepteur est totalement responsable de leur application, tant que les bornes fixées pour les crues, les séismes, la circulation, etc. Ne sont pas dépassées. La sécurité est donc assurée par ces règles de justification, qui s’appuient sur l’expérience collective pour définir comment on peut passer des charges de rupture calculées aux charges admissibles, dont on peut garantir qu’elles ne provoqueront pas de rupture de l’ouvrage.

L’approche nouvelle des facteurs partiels 

L’utilisation de facteurs partiels au lieu d’un facteur de sécurité global traduit l’idée que l’on doit rattacher les mesures de sécurité aux sources d’incertitude dans le projet. Le passage de l’approche traditionnelle à cette nouvelle approche demande une clarification du rôle traditionnel des coefficients de sécurité et un calage des valeurs des facteurs partiels pour que les ouvrages ne soient pas sensiblement modifiés par le changement de système. Nous avons vu dans le paragraphe précédent que les coefficients de sécurité «traditionnel» servent en général à garantir les conditions de service des ouvrages, ce qui implique que l’on n’atteindra pas les états limites ultimes. Cette constatation n’a pas simplifié le travail de montage du système des facteurs partiels.
Pour en montrer l’application pratique à la justification des ouvrages géotechniques, nous allons décrit les grandes lignes du système de justification défini par l’EC 7 (Norme CEN EN 1997-1).

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I FONDAMENTAUX DU DIMENSIONNEMENTS DES OUVRAGES GEOTECHNIQUES
I.1 Introduction 
I.2 Interaction sols-structures (ISS) 
I.3 Les règles de justification des ouvrages 
I.3.1 Exigence de sécurité et exigence de service
I.3.2 Situations et schémas de calcul
I.3.2.1 Généralités
I.3.2.2 Situation de calcul
I.3.2.3 Schémas de calcul : actions, propriétés des matériaux et conditions aux limites
I.3.2.4 Principaux schémas de calcul de la mécanique des sols et des roches
I.3.3 Prouver la sécurité
I.3.3.1 L’approche classique des coefficients de sécurité globaux
I.3.3.2 L’approche nouvelle des facteurs partiels
I.3.4 Prouver l’application au service
I.3.4.1 L’approche classique
I.3.4.2 L’approche nouvelle des facteurs partiels
I.3.4.3 Durabilité des ouvrages
I.4 Conclusion 
CHAPITRE II MODELISATIONS NUMERIQUES DES OUVRAGES GEOTECHNIQUES
II.1 Introduction 
II.2 Présentation de logiciel Géostudio 
II.2.1 SEEP/W
II.2.2 SIGMA/W
II.2.3 SLOPE/W
II.3 L’apport de la modélisation numérique dans la justification des ouvrages géotechnique 
II.4 Cas d’un barrage en terre 
II.4.1 Présentation et localisation de cas étudié
II.4.2 Géologie du site
II.4.3 Caractéristiques de la digue
II.4.4 Géométrie de model étudié
II.4.5 Géométrie de maillage
II.4.6 Données géotechniques
II.4.7 Analyse de comportement mécanique
II.4.7.1 Niveau 270,75 NGA
II.4.7.2 Niveau 280 NGA
II.4.7.3 Niveau 311.5 NGA
II.4.8 Analyse de comportement hydraulique
II.4.8.1 Niveau plan d’eau 280 NGA
A) Analyse de la pression interstitielle dans la fondation
B) Analyse de la pression interstitielle dans le noyau
II.4.8.2 Niveau du plan d’eau 291 NGA
II.4.8.3 Niveau du plan d’eau 305 NGA.
A) Analyse de la pression interstitielle dans le noyau
B) Analyse de la pression interstitielle dans le noyau
C) Analyse de la pression interstitielle dans la fondation, sous la recharge
II.4.9 Conclusion
II.5 Etude de cas d’un ouvrage de soutènement
II.5.1 Ouvrage modélisé
II.5.1.1 Caractéristiques mécaniques et géométriques
II.5.1.2 Hypothèses générales de modélisation
II.5.1.3 Choix particulier de modélisation
II.5.1.4 Résultats et commentaires
A) Maillage déformé
II.5.2 Conclusion
II.6 Etude de cas d’un glissement de terrain
II.6.1 Talus de pente 3,5 H
II.6.2 Talus de pente 2 H avec nappe
II.6.3 Conclusion
II.7 Cas d’une fondation superficielle 
II.7.1 Géométrie, maillage et conditions aux limites
II.7.1.1 Stratégie de la modélisation
II.7.1.2 Cas de la distance latérale D = 5 R = 15 m
II.7.1.3 Effet de la distance latérale des frontières bloquées
II.7.2 Conclusion
II.8 Etude d’une fondation profonde (Said, 2006)
II.8.1 Recueil des données expérimentales et géométriques
II.8.2 Conditions initiales
II.8.3 Modélisation du chargement statique du pieu
II.8.4 Résultats et commentaires
II.8.4.1 Le frottement latéral dans la couche d’interface
II.8.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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