Session de formation théorie à la pratique Comportement et ... · Comportement et dimensionnement...

IREX Comité Scientifique et Technique 1

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Comportement et dimensionnement des fondations renforcées

par inclusions rigides verticales

Présentation par Alain GUILLOUX

à partir d’une conférence préparée parBruno SIMON et François SCHLOSSER

Session de formation« techniques de renforcement et amélioration des sols : de la

théorie à la pratique «

Tunis – 15 et 16 décembre 2006

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• Principes de fonctionnement• Quelques réalisations exemplaires• Conception et mise en oeuvre• Projet de recherche ASIRI


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4

Un système de fondation composite

� Inclusions rigides� Dallettes

� Matelas granulaire� Dallage (souvent)

� Renforcement (parfois)

… plateforme de transfert de charge

… remblai sur pieux


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Mécanisme de cisaillement

• Remblai sur pieux

Plan supérieur d’égal tassement

Plan inférieur d’égal tassement

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Mécanisme de cisaillement• Remblai sur pieux


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Mécanisme de cisaillement• Plateforme de transfert de charge sur pieux

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Plan d’(in)égal tassement

• Sol analogique 2D – rouleaux de Schneebeli (Jenck, 2005)

s

H


9

Plan d’(in)égal tassement

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Interaction sol/pieu latérale

• Règle du multicritère pour les inclusions (Schlosser)• Théorie du calcul à la rupture (Salençon)


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Mur de soutènement - Clichy (1975)

� Minipieux Ménard (φ 0.22 m, d 1.4 m)


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Digues de rétention - Bontang (1982)

� Tubes métalliques ouverts� Matelas renforcé par armatures Terre Armée

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Mur en Terre Armée – Le Lamentin (1990)

� Pieux bétonnés dans un tubage provisoire fermé

� Dallettes et dalle béton armée par treillis métallique


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Remblai d’accès à PS - Chambéry (1991)

� Colonnes Colmix

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Adaptations en cours de travaux (1995)

� Colonnes Jet Grouting

• Palais de Justice de Grasse


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Remblai derrière quai - Montoir (2001)

� Pieux tarières continue (Starsol®)

� Dallettes 1.4 m et renforcement par treillis métallique

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Plot d’essai d’un dallage (2001)

� Colonnes à module contrôlé (CMC®)


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Dallage industriel fortement chargé (2000)

� Colonnes à module contrôlé (CMC®)

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Ouvrages et environnement exceptionnels (2004)

� Tubes métalliques ouverts 2 m

� maille carrée 7 m x 7 m

• Pont de Rion Antirion


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Ouvrages et environnement exceptionnels (2004)

• Pont de Rion Antirion

� Tubes métalliques ouverts 2 m

� maille carrée 7 m x 7 m

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Validation d’un concept novateurPecker A. : dimensionnement en capacité• Modélisation numérique

– Evaluation des charges limites par calcul à la rupture– Modèles EF pour vérifier charges limites et estimer les

déplacements


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Validation d’un concept novateurPecker A. : dimensionnement en capacité• Modélisation numérique• Modélisation physique

– Essais en centrifuge 100 g (LCPC Nantes)– Sol reconstitué

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Développement des techniques de mise en oeuvre

• Beaucoup de procédés brevetés (VCC, Starsol, CMC)

Starsol

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Colonnes de sol - liants

Introduction de liants hydrauliques(chaux + ciment) au sein d’un solpar mélange mécanique pour créer des colonnes « cohérentes »


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Colonnes de sol - liants

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Colonnes de jet-grouting

Introduction de coulis « bentonite-ciment » au sein d’un sol par injection sous très haute pression pour créer des colonnes de sol-ciment « cohérentes »


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Différents types de jet : coulis – air - eau

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Performances variables selon le type de sol et le type de jet

Diamètres

Résistance


Ne modifie pas les propriétés du sol environnant


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« Compactage statique horizontal »

Technique d’amélioration de sol par densification (compactage par « refoulement ») qui crée aussi des « colonnes »

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« Compactage statique horizontal »

Injection du mortier par phasessuccessives :Pas de pénétration dans le sol,mais refoulement


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Compactage statique horizontal »

Amélioration duterrain encaissant

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Caractéristiques des inclusions utilisées en renforcement de fondation


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Conception des projets : comparaison des pratiques

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0 5 10 15 20 25 30

area ratio (%)

HR/S

Références étrangères (publiées)

HR = 1.1 à 2.2 m

Renforcement par géosynthétique

Remblais sur pieux principalement : remblais routiers et ferroviaires

Pratique française (Briançon, 2002)

HR = 0.4 à 0.9 m

Pas de géosynthétique; parfois un treillis soudé

Dallages (entrepôts, magasins, réservoirs)

HR

S0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0 5 10 15 20 25 30

area ratio (%)

HR/S

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Conception d’un renforcement par inclusions

• Inclusions– Type et méthode de mise en oeuvre – Matériau constitutif : résistance et raideur – Mise en place ou non d’une dallette

• Géométrie– Forme et taille de la maille– Fiche dans l’horizon porteur

• Couche de transfert– Constitution et épaisseur– Avec ou sans éléments de renforcement


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Etapes du dimensionnement • Taux de couverture

– α = a2/s2

qo

Qp+

Qmax

qs+

as

Qlim

• Charge axiale maximale Qmax

– Qmax < Qlim / γ

• Taux de réduction des contraintes– SRR = qs+/q0

• Efficacité– E = Qp+ /Q*

• Profondeur critique Hc

• Tassement en surface– yp(0), ys(0)

active

passive

Hc

(Q*)

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Revue des méthodes de dimensionnement

Etat de la pratique (Briançon, 2002)• Approche globale du comportement du système

– Méthodes dérivées de la théorie du frottement négatif (Combarieu) (pas à pas)

– Méthodes numériques EF et DF• Méthodes d’homogénéisation

– Accent mis sur tassement moyen


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Frottement négatifCombarieu (1974)• Distribution des contraintes verticales entre les

pieux supposée connue– Paramètres Ktanδ, λ

Contraintes verticales entre inclusions

Tassements entre inclusions

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Une approche simple intégrée(Foxta, 2001)

Q• Calculs parallèles et itératifs

– Frottement négatif (Combarieu)– Courbes empiriques t-z (Frank & Zhao)


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Charge Tassement

q1 →→→→ y1(z)

• Calculs parallèles et itératifs– Frottement négatif (Combarieu)– Courbes empiriques t-z (Frank & Zhao)

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Charge Tassement

q1 →→→→ y1(z)Q2 →→→→ y2(0)

y1(z) imposé


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Charge Tassement

q1 →→→→ y1(z)Q2 →→→→ y2(0)

y1(z) imposé

Q

Qmax

Contrôle Q = q1s1 + Q2 y1(0) = y2

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Plot d’essai Villeneuve d’Agen


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Méthodes numériques globales

Méthodes des éléments finis ou des différences finies

Modèle plan 2D Cellule élémentaire(axisymétrique)

Plaxis 2D

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Limitations des modèles 2D• Modèles plans

– Difficulté à estimer les propriétés du « mur »équivalent

• Facteurs d’échelle contradictoires sur section et périmètre

• Comment caler les paramètres d’interface ?– Rotation limitée des contraintes au dessus des

têtes – Peuvent cependant traiter les chargements non

uniformes• Modèles axisymétriques

– Applicables seulement à une cellule centrale chargée de manière axisymétrique

– Maille carrée approchée par un domaine cylindrique


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Modèles numériques 3D

FLAC 3D (différences finies explicites)

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• Avantages– Géométrie quelconque– Tout type de chargement– Toutes interactions prises en compte

• Si interfaces et maillage affiné contre les inclusions

• Limitations– Entrée données et exploitation des résultats fastidieuses– Temps de calcul et volume mémoire importants– Complexité accrue si chargement non uniforme ou pour

étudier effets de bord– Emploi limité à recherche ou ouvrages exceptionnels



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• Une voie prometteuse : éléments noyés («embedded elements »)– Sadek (2004)

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Exigences pour tous les modèles• Choix de modèles de comportement adaptés

– Matelas granulaire• Caractérisation d’un matériau grossier• Comportement non linéaire fortement dépendant du chemin de contraintes e

du niveau de déformation• Aptitude à décrire une rotation de 90° des contraintes principales

– Sol compressible• Pression de surconsolidation, phénomènes de consolidation et fluage

• Propriétés des interfaces– Doivent caractériser la technique de mise en œuvre et le degré de

remaniement– Besoin de lois validées expérimentalement

• Mise en place du matelas– Prise en compte du compactage– Contribution des géogrilles éventuelles


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Homogénéisation - 1

sp

sspp

hom AA

AEβAE

E+

+=

Ehom

Calage cellule élémentaire

Glissement contre le pieu → β = 40

Extension au modèle plan équivalent

� Pas accès aux contraintes dans pieux

� Anisotropie ignorée

� Critère de rupture équivalent ?

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Homogénéisation - 2Modèle biphasique (de Buhan, 2000)

• Toutes interactions prises en compte– Facteur spécifique α

• Conditions aux limites– Fraction appliquée au

renforcement λ


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Revue de la pratique (Briançon, 2002)

• Peu de données sur ouvrages instrumentés• Accent porté sur les transferts de charge dans

matelas granulaire avec ou sans géogrilles• Prééminence des cas concernant des plateformes de

transfert de charge / remblais sur pieux• Pas de consensus sur une méthode simple pour les

projets courants• Dispersion importante de l’efficacité calculée par les

différentes méthodes


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Autres points

• Les cisaillements peuvent-ils être détruits par l’action des vibrations?

• Qualité minimale du matériau constituant le matelas de transfert (coût des graves en site urbain)

• Comment inclure les effets du compactage?• Comportement sismique des ouvrages ordinaires ?

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Projet ASIRI (2005- 2009)

Projet de recherche (2.4 M €) financé par les entreprises avec l’aide de l’Etat

• Coordonné par association sans but lucratif (IREX)– Comité directeur et comité scientifique

• Réseau de Maîtres d’ouvrage, maîtres d’oeuvres, BE entreprises et universités (40 partenaires)

• Projet labellisé par RGCU


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• Essais en vraie grandeur : 2 x 5 plots d’essais• Modèles physiques

– Essais en centrifugeuse (équipement LCPC Nantes 100g) – Essais en chambre d’étalonnage et essais sur sol analogique 2D

• Modèles numériques– Pour développer des modèles de référence 3D EF ou DF– Autres modèles : modèles biphasiques et modèles discrets– Pour étalonner les méthodes simples utilisées actuellement


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• Plots d’essai en vraie grandeur– Dallages (en cours actuellement – St Ouen l’Aumone)

– Remblais sur pieux (prévus 2007, autre site)


15 m


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Projet ASIRI (2005-2009)

• Recommandations sur le dimensionnement et la mise en œuvre du renforcement par inclusions rigides pour la fondation des dallages ou remblais– Methodes de calcul simples et efficaces

• Pour évaluer contraintes, déplacements et sécurité• Pour optimiser ce système de fondation

– Dont la validité aura été contrôlée en référence aux• données expérimentales• resultats des modèles numériques plus sophistiqués

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• Interaction mechanisms• Some landmark applications• Review of design approach• Deux cas d’utilisation en limite• Further research

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Remblai ferroviaire LGV

• Renforcement initial: plots ballastés pilonnés


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• Renforcement initial: plots ballastés pilonnés– Rupture par étalement latéral

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• Renforcement correctif


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Remblai ferroviaire (Allemagne)Heitz (2005)• Renforcement première phase (1995)

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Remblai ferroviaire (Allemagne)Heitz (2005)• Réparations (2003) : plot d’essai


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