Prise en compte du gonflement des terrains dans le dimensionnement des revêtements des tunnels

Le gonflement des sols argileux, par décompression et/ou par apport d’eau, est la cause de nombreux dommages : soulèvement de fonds de fouilles, destruction de chaussées, fissuration de bâtiments. Jusque vers les années 1930, seul le tassement était considéré comme une source possible de dégâts pour les fondations superficielles. C’est l’US Bureau of Reclamation qui le premier mit l’accent sur le phénomène de gonflement. Le développement des constructions en béton sur fondations superficielles amena alors de nombreux ingénieurs à s’intéresser au problème du gonflement des sols argileux (Chen, 1975 ; Mouroux et al., 1988).

Dans le domaine des excavations souterraines, le gonflement du terrain peut entraîner aussi de sérieux problèmes, tant pendant la construction, qu’après la mise en service de l’ouvrage. Dans les anciens tunnels creusés en terrain gonflant, il n’est pas rare d’observer un soulèvement de radier atteignant plusieurs dizaines de centimètres. La réparation des revêtements et la réexcavation du radier deviennent ainsi une opération régulière d’entretien ; dans d’autres cas, on est obligé de construire des radiers en voûte inversée de 1 ou 2 mètres d’épaisseur, destinés à limiter les mouvements à une valeur acceptable.

En dépit des nombreuses expériences malheureuses liées à l’apparition du gonflement, l’étude quantitative du phénomène ne débute réellement qu’au début des années 1970 avec la communication de Huder et Amberg (1970) présentant la méthode de mesure du gonflement du même nom, et c’est aussi à partir de cette date que l’observation et l’analyse de cas vécus, ainsi que les travaux en laboratoire, se développent de manière plus rigoureuse. En France, on ne dispose pas à ce jour de méthode reconnue et validée permettant la prise en compte du gonflement dans le dimensionnement des ouvrages souterrains.

Revue bibliographique du phénomène de gonflement autour des tunnels

Etude phénoménologique du gonflement 

Lorsqu’on étudie les problèmes de gonflement rencontrés sur des ouvrages, on s’aperçoit que le gonflement du terrain est étroitement lié aux apports d’eau du milieu extérieur ou environnant et que ce phénomène dépend fortement du type de terrain rencontré. C’est pourquoi une description microscopique du phénomène est indispensable pour bien comprendre quel terrain est susceptible de gonfler et quels sont les processus de développement du gonflement au niveau microscopique. Dans un premier temps, comme les matériaux “gonflants” les plus fréquemment rencontrés sont les argiles, un rappel sur la minéralogie des argiles est d’abord effectué afin de mettre en évidence quelle est la composition des différentes familles d’argile, leur stabilité et leur affinité avec l’eau qui est à l’origine du gonflement. Ensuite, on s’attachera à développer les différents mécanismes de gonflement qui peuvent se développer au niveau microscopique et à mettre en évidence les facteurs influant sur le gonflement. On évoquera aussi une autre forme de gonflement d’origine uniquement chimique pour l’anhydrite. Après avoir décrit le phénomène de gonflement au niveau microscopique, on s’intéressera aux méthodes d’estimation et de caractérisation du potentiel de gonflement d’un terrain. La dernière partie détaillera les différentes manières de caractériser le gonflement au niveau macroscopique ; méthodes indirectes, essais en laboratoire ou essais in situ. Les méthodes indirectes basées sur l’évaluation des paramètres géotechniques classiques (teneur en eau, densité sèche, limites d’Atterberg, valeur de bleu) permettent d’estimer la sensibilité du matériau vis-à-vis du gonflement. Les essais en laboratoire permettent de décrire un comportement de gonflement rencontré autour de l’ouvrage. Les essais in situ permettent d’identifier les sols gonflants en place et de quantifier leur potentiel de gonflement.

Nature et structure des sols argileux

Avant d’analyser le phénomène de gonflement proprement dit, il est essentiel de rappeler certaines notions minéralogiques et physico-chimiques relatives aux interactions entre l’eau et les particules argileuses (Grim, 1962 ; Mitchell, 1976).

Minéralogie des argiles

Les argiles sont les produits de décomposition des roches siliceuses, par désagrégation physique et mécanique, puis par altération chimique. La famille des minéraux argileux regroupe tous les silicates hydratés appartenant au groupe des phyllosillicates. Les minéraux argileux ont une structure ionique telle qu’ils interagissent fortement avec les molécules polaires de l’eau.

Structure moléculaire microscopique des argiles

Le feuillet élémentaire idéal se compose d’un empilement de 2 ou 3 unités de base. Les liens de covalence et les liaisons ioniques assurent la structure rigide du feuillet élémentaire ; des liaisons moins fortes mais essentielles, assurent l’assemblage des feuillets élémentaires. Les forces de liaison entre feuillets sont principalement :
– les forces d’attraction moléculaires de Van der Waals qui sont des liaisons faibles ;
– les liaisons hydrogène qui apparaissent avec des atomes fortement électronégatifs, comme par exemple l’oxygène dans le cas des argiles ;
– les substitutions isomorphes qui consistent dans le remplacement de certains cations constitutifs du réseau cristallin par d’autres de moindre valence. Ce dernier phénomène crée des déficits de charge qui affaiblissent les forces ioniques de liaison entre les feuillets (remplacement d’un ion Si4+ par un ion Al3+ dans la couche tétraédrique de silice, d’un ion Al3+ par un Mg2+ dans la couche octaédrique d’aluminium …). Les particules acquièrent ainsi une charge négative et peuvent adsorber de façon réversible des cations et des dipôles d’eau pour atteindre l’électroneutralité. La capacité d’échange ionique (C.E.C.) permet de mesurer la charge positive nécessaire pour arriver à l’électroneutralité (milliéquivalents/100 g d’argile sèche).

Les particules sont donc soumises à un ensemble de forces d’attraction et de répulsion qui varient avec la teneur en eau et dépendent des substitutions isomorphes. Malgré la simplicité apparente de la structure des argiles, on en dénombre un très grand nombre d’espèces, qui se distinguent par les défauts liés aux substitutions isomorphes au moment de la formation. L’arrangement des particules des terrains argileux, qui interagissent avec l’eau et les ions qu’elle transporte, dépend beaucoup du milieu de déposition (notamment de sa salinité).

Gonflement interfoliaire et interparticulaire

L’analyse minéralogique précédente montre que certaines argiles, pour lesquelles les liaisons interfeuillets sont très faibles, ont la propriété de fixer les molécules d’eau entre deux feuillets voisins (c’est le cas de smectites telles que la montmorillonite, et de certaines chlorites). L’eau pénètre à l’intérieur des particules et s’organise en couches monomoléculaires, il s’agit alors d’un gonflement intraparticulaire ou interfoliaire (Didier, 1972). Il intervient à l’échelle la plus petite de la structure argileuse mais peut présenter une ampleur très importante.

En dehors de ce cas particulier, qui définit les argiles dites “gonflantes”, le gonflement est interparticulaire, c’est-à-dire que l’eau ne pénètre pas à l’intérieur des particules d’argiles. Ce gonflement interparticulaire, contrairement au gonflement interfoliaire, a une ampleur assez limitée, mais affecte toutes les argiles.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE DU PHÉNOMÈNE DE GONFLEMENT AUTOUR DES TUNNELS
CHAPITRE 1 : ETUDE PHÉNOMÉNOLOGIQUE DU GONFLEMENT
1.1 – Introduction
1.2 – Nature et structure des sols argileux
1.2.1 – Minéralogie des argiles
1.2.2 – Structure moléculaire microscopique des argiles
1.2.3 – Gonflement interfoliaire et interparticulaire
1.3 – Mécanismes de gonflement
1.3.1 – Gonflement au sens physico-chimique
1.3.2 – Gonflement au sens mécanique
1.3.3 – Relations entre la texture du matériau et le gonflement
1.3.4 – Cas de l’anhydrite
1.3.5 – Conclusion
1.4 – Caractérisation en laboratoire du phénomène de gonflement
1.4.1 – Définition des paramètres de gonflement
1.4.2 – Méthodes indirectes de caractérisation
1.4.3 – Essais de gonflement en laboratoire
1.4.4 – Aspects phénoménologiques du gonflement
1.4.5 – Commentaires et recommandations générales
1.5 – Conclusion
CHAPITRE 2 : RETOURS D’EXPÉRIENCE DE TUNNEL
2.1 – Introduction
2.2 – Définition du gonflement autour d’un tunnel
2.3 – Observations in situ
2.3.1 – Cas A : Tunnel de Bözberg (Suisse)
2.3.2 – Cas B : Tunnel de Belchen (Suisse)
2.3.3 – Cas C : Tunnel San Donato (Italie)
2.3.4 – Cas D : Tunnel sur le barrage de la rivière Saskatchewan (Canada)
2.3.5 – Cas E : Galerie de reconnaissance du tunnel de Chamoise (France)
2.3.6 – Synthèse
2.4 – Techniques de construction en terrain gonflant
2.4.1 – Dimensionnement passif
2.4.2 – Dimensionnement actif
2.4.3 – Dimensionnement intermédiaire
2.5 – Conclusion
CHAPITRE 3 : MÉTHODES DE CALCUL EXISTANTES POUR L’ÉTUDE DES TUNNELS
3.1 – Introduction
3.2 – Modèles basés sur une loi de gonflement
3.2.1 – Méthodes semi-empiriques
3.2.2 – Méthodes de calcul par éléments finis
3.2.3 – Méthode semi-analytique de Gysel (1987)
3.3 – Approches phénoménologiques
3.3.1 – Modèles rhéologiques
3.3.2 – Modèles dérivés
3.4 – Modèles hydromécaniques
3.4.1 – Cadre général
3.4.2 – Présentation des méthodes existantes
3.4.3 – Présentation du modèle d’Anagnostou (1993)
3.5 – Conclusion
PARTIE II : MODELISATION DU GONFLEMENT DANS LES CALCULS DE DIMENSIONNEMENT DE TUNNELS
CHAPITRE 4 : MÉTHODE DE CALCUL ANALYTIQUE DU GONFLEMENT
POUR L’ÉTUDE DES TUNNELS
4.1 – Introduction
4.2 – Présentation de la méthode convergence – confinement
4.3 – Présentation de l’approche analytique
4.3.1 – Définition du problème
4.3.2 – Milieu élastoplastique parfait
4.3.3 – Prise en compte du gonflement
4.4 – Application de la méthode de calcul analytique
4.4.1 – Etude de plusieurs tunnels français
4.4.2 – Etude particulière pour le tunnel du Mont Sion
4.5 – Conclusion
CHAPITRE 5 : PRÉSENTATION D’UN MODÈLE NUMÉRIQUE DE GONFLEMENT
5.1 – Introduction
5.2 – Choix d’un modèle de gonflement
5.3 – Description de la loi de gonflement
5.3.1 – Pression de gonflement
5.3.2 – Indice de gonflement
5.3.3 – Anisotropie de gonflement
5.4 – Simulation analytique d’un essai de gonflement
5.4.1 – Présentation générale du modèle
5.4.2 – Etude de la phase de déchargement
5.5 – Conclusions
CHAPITRE 6 : IMPLANTATION DE LA LOI DE GONFLEMENT DANS LE CODE DE CALCUL CESAR-LCPC
6.1 – Introduction
6.2 – Description du code de calcul CESAR-LCPC
6.2.1 – Pré-processeur MAX
6.2.2 – Programme de calcul CESAR
6.2.3 – Post-processeur PEGGY
6.3 – Programmation de la loi de comportement
6.3.1 – Etude de la loi élastique de gonflement
6.3.2 – Prise en compte de la plasticité
6.3.3 – Intégration de la loi de comportement dans le module MCNL
6.3.4 – Description des méthodes de résolution numérique
6.4 – Etude numérique du déchargement mécanique et comparaison avec la solution
analytique
6.4.1 – Influence du maillage sur les résultats numériques
6.4.2 – Influence de la méthode de résolution
6.4.3 – Comparaison des résultats numériques avec la solution analytique
6.5 – Conclusions
PARTIE III : APPLICATIONS DU MODELE DE GONFLEMENT
CHAPITRE 7 : CALAGE DE LA LOI DE COMPORTEMENT SUR LES ESSAIS DE GONFLEMENT
7.1 – Introduction
7.2 – Description de la procédure expérimentale à l’œdomètre “Ko”
7.2.1 – Présentation de l’œdomètre Ko à haute pression
7.2.2 – Procédure d’essai
7.3 – Calage des paramètres de gonflement sur les essais
7.3.1 – Description de la méthodologie de calage
7.3.2 – Applications de la méthodologie de calage
7.3.3 – Comparaison des résultats
7.4 – Simulation de la phase de déchargement
7.4.1 – Description du modèle numérique
7.4.2 – Analyse des résultats obtenus pour la marne de Chamoise
7.4.3 – Analyse des résultats obtenus pour la molasse du Mont Sion et les marnes de Tartaiguille
7.4.4 – Analyse globale des travaux de calage
7.5 – Etude d’une deuxième méthode de calage
7.5.1 – Modification de la méthodologie de calage
7.5.2 – Application de la nouvelle méthode de calage aux essais de Chamoise
7.5.3 – Application à la molasse du Mont Sion
7.5.4 – Applications au cas de la marne de Tartaiguille
7.5.5 – Etude de la plasticité
7.6 – Conclusion
CHAPITRE 8 : ANALYSE D’UN OUVRAGE INSTRUMENTÉ – LE TUNNEL DE CHAMOISE –
8.1 – Introduction
8.2 – Analyse du comportement à long terme de l’ouvrage
8.2.1 – Contexte général du tunnel de Chamoise
8.2.2 – Analyse des mesures in situ
8.2.3 – Conclusions
8.3 – Modélisation numérique du tube Nord
8.3.1 – Configuration géotechnique et géométrie de l’ouvrage
8.3.2 – Caractéristiques mécaniques des matériaux
8.3.3 – Présentation du calcul numérique
8.4 – Analyse des résultats numériques
8.4.1 – Influence du gonflement
8.4.2 – Etude paramétrique complémentaire
8.5 – Conclusions
CONCLUSIONS GENERALES

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