rennes martinez juan detail - Site CSC en Construction 2013/Rennes/rennes_martinez_juan_detail.pdf · Programme de cotutelles de thèses ... (micro-pieux, jet ... Des essais en place

Programme de cotutelles de thèses Université libanaise et réseau UT-INSA Propositions 2013 _ Juan Martinez, INSA de Rennes

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Projet de thèse ___________

Intitulé du sujet Etude du comportement hydro-mécanique des sols fins

renforcés par colonnes ballastées 1. Introduction

L’urbanisation rapide des pays développés ou en voie de développement comporte la densification des constructions telles que bâtiments, ouvrages d’art, voies de communication… Cette urbanisation implique l’utilisation croissante des surfaces de sols disponibles, parfois de faibles caractéristiques mécaniques tels que les sols fins ou argileux, déformables et de faible portance. Cette problématique pose un défi réel pour les géotechniciens dans la plupart des grandes villes au Liban telles que celles côtières comme Beyrouth, Tripoli, Saida ou bien à l’intérieur du Pays comme les villes localisées dans la vallée de la Bekaa. De même, cette difficulté est souvent rencontrée dans la majorité des grandes villes françaises. Pour pallier à ces défauts, différentes techniques de renforcement des sols par inclusions ont été développées et appliquées au cours de ces dernières années : inclusions rigides (micro-pieux, jet grouting…) ou inclusions souples (géotextiles, colonnes ballastées…).

La technique de renforcement des sols de faible portance à l’aide des colonnes ballastées est appliquée dans de nombreux pays depuis plusieurs décennies et a connu un large succès, preuve de son efficacité. Cette technique consiste à incorporer et à compacter dans un maillage régulier de puits verticaux réalisés dans le sol mou, des couches successives de matériaux granulaires (sable, gravier, ballast) de caractéristiques géotechniques supérieures à celles du sol initial en place (Figure 1). Une fois les colonnes verticales réalisées on dispose une couche horizontale granulaire entre la surface du sol traité et l’ouvrage à construire (remblai, bâtiment…) jouant un rôle de répartition des charges (Dhouib et Blondeau 2005).


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Sol mou

Substratum

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Colonne ballastée

ballast, 0,5 < Φ (m) < 1,2

Matelas de répartition ballast, 0,5 < H (m) < 1

Remblai

Figure 1. Principe des colonnes ballastées (Phan 2010)

Selon le savoir-faire des entreprises et le type de sol en place, la mise en place pratique des colonnes ballastées fait l’objet de différentes variantes : voie sèche ou humide, battage, fonçage, vibration…

L’efficacité des colonnes ballastées se traduit par le fait qu’elles confèrent au sol en place des caractéristiques hydro-mécaniques améliorées en termes de drainage, de rigidité et de résistance, conduisant en particulier à :

� l’amélioration de la portance,

� la réduction des tassements,

� l’augmentation de la vitesse de consolidation,

� la contribution à la stabilité générale des remblais,

� la réduction du risque de liquéfaction dans les zones sismiques…

Ce dernier point est fort intéressant pour le Liban. En effet, ce pays est à fort risque sismique. D’un point de vue géologique, le territoire libanais est traversé du sud au nord par la fameuse faille majeure appelée "Faille du Levant" et qui continue son chemin vers les pays voisins. En plus, il existe aussi un réseau de quelques failles secondaires qui sont distribués partout et dont certaines ont été découvertes récemment, notamment celle qui relie Beyrouth et Tripoli à travers la mer. A ce sujet, le Liban, au cours de son histoire, a déjà été secoué par plusieurs tremblements de terre violents et destructeurs. On peut citer à titre indicatif ceux recensés dans les années 551, 1202, 1759 et 1837, et plus récemment ceux des années 1956 et 2008. Certains de ses séismes ont conduit à la destruction de Beyrouth avec des secousses et des répliques qui ont duré plusieurs mois. La zone est classée par une accélération maximale du sol (Peak Ground Acceleration-PGA) qui pourrait dépasser 0,2g. Le niveau de la nappe phréatique à Beyrouth ou dans la plaine de la Bekaa se trouve à faible profondeur. Donc, pour certains types de sol dans ces zones les risques de liquéfaction sont forts probables. Ainsi, les conséquences en cas des secousses sismiques peuvent avoir des conséquences dramatiques au niveau des pertes humaines et des dégâts matériels. Il convient alors de trouver le moyen le plus efficace pour les minimiser ou les éviter.


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En outre le procédé industriel adopté pour réaliser l’amélioration des sols est particulièrement intéressant sur le plan environnemental en termes d’économie d’énergie et de bilan-carbone, dans la mesure où il utilise des produits naturels sans phases complexes de transformation et dégagement des effets nocifs à la fois pour le sol et l’atmosphère.

Des essais en place ont montré l’importance des effets de groupe et la génération de pression interstitielle dans le sol fin lors de la mise ne place des colonnes due à l’expansion latérale de celles-ci (Corneille 2007).

Les modélisations courantes sont basées sur différents schémas de rupture (Datye 1982, Brauns 1978) pour la détermination des charges limites ou sur l’homogénéisation du complexe sol-colonne pour le calcul des déplacements des ouvrages (Priebe 1995). Des solutions analytiques ont également été proposées prenant en compte les déformations élasto-plastiques du sol et des colonnes (Six 2006) ou la consolidation radiale autour de celles-ci (Castro et Sagaseta 2008).

Malgré l’efficacité attestée du procédé, les méthodes de calcul et de dimensionnement des colonnes ballastées laissent encore une très large place à l’empirisme, en particulier quant à la distribution dans le complexe sol mou/colonne ballastée des efforts induits par la superstructure, et quant aux modifications induites par le mode de mise en place de la colonne ballastée sur la couronne de sol entourant celle-ci.

Des modifications significatives du sol compressible (rigidification, augmentation de la cohésion…) autour de la colonne ont été constatées expérimentalement sur site (Six 2006) ou mises en évidence au moyen de simulations par éléments finis (Guetif et al 2007 ; Nguyen et al 2007) mais n’ont pas fait l’objet d’études systématiques susceptibles de se traduire par des règles pratiques permettant d’optimiser le dimensionnement.

2. Travaux antérieurs réalisés à l’INSA de Rennes

C’est à la modification des propriétés du sol environnant la colonne que nous nous sommes intéressés dans le cadre d’une thèse de doctorat (Phan 2010 ; Phan et al 2010), préparée au Laboratoire GCGM de l’INSA en adoptant une approche expérimentale de laboratoire, laquelle a consisté à reproduire à petite échelle (environ 1/25è) différents modes de mise en place des colonnes. Celles-ci ont été constituées avec du sable fin de granularité assez homogène introduit dans un massif cylindrique d’argile (kaolinite) saturée et pré-consolidée. Les colonnes ont été réalisées à l’aide de différentes techniques représentatives des procédés utilisés sur le terrain : sans refoulement et sans compactage (SR-SC), sans refoulement et avec compactage (SR-AC), avec refoulement et avec compactage (AR-AC).

Les résultats principaux de ce travail ont été la mise en évidence de la densification du sol jusqu’à une distance égale environ au rayon de la colonne de sable dans des proportions assez significatives (Figure 2). Cette densification a une incidence sur les paramètres hydro-


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mécaniques des sols (perméabilité, coefficient de consolidation, rigidité, résistance…) qu’il convient d’évaluer et de prendre en compte dans la pratique du dimensionnement.

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Moyenne SR-SC

Moyenne SR-AC

Moyenne AR-AC

r/R déc (mm)

Figure 2. Variation de l’indice des vides au voisinage des colonnes de sable (Phan 2010)

Sur le plan de la simulation numérique, plusieurs travaux ont été menés consistant à reproduire les observations expérimentales en laboratoire à l’aide de modélisations par éléments finis en considérant des chargements simples tels que l’expansion radiale de l’ensemble de la colonne (Y 2011 ; Kan 2012) ou par couches successives (Mekaoussi et al 2012). Bien qu’une densification du sol environnant comparable à celle observée expérimentalement ait été mise en évidence, des calculs nouveaux doivent mieux reproduire les modes de mise en place et les résultats traduits en termes hydro-mécaniques. 3. Objectifs et contenu de la nouvelle thèse proposée

Les travaux antérieurs ont constitués un pas important dans l’étude de renforcement des sols. Mais ils nécessitent des prolongations pour traiter des aspects complémentaires afin d’aboutir à des conclusions pertinentes. Ainsi, le prolongement du travail ci-dessus mené à l’INSA de Rennes portera sur l’étude approfondie des propriétés en service des matériaux mis en jeu (ballast et sol compressible) induites par les procédés de mise en œuvre. Ce travail comporte à la fois des aspects expérimentaux et des aspects de simulation numérique.

Travail expérimental

Le travail expérimental consistera à reproduire les procédés de mise en œuvre dans une chambre de calibration, soit à une échelle de l’ordre de ½ à 1/5, intermédiaire entre l’échelle réduite utilisée précédemment au laboratoire, trop petite pour être représentative d’un ouvrage réel, et l’essai de terrain (échelle 1/1) où le contrôle des différents paramètres s’avère très

1+∆e/e

Colonne de sable Argile


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difficile. Cette étude permettra en particulier de mettre en évidence d’éventuels effets d’échelle.

Les dimensions des colonnes envisagées sont d’environ 20 cm de diamètre dans une cuve cylindrique de sol compressible d’environ 1.5m de diamètre afin de s’affranchir des effets de bord. Le sol compressible sera constitué par une argile homogène, mise en place par couches successives et dont on contrôlera précisément les paramètres d’état (teneur en eau, compacité). Le matériau constitutif des colonnes sera du gravier de granularité serrée et de diamètre équivalent maximal égal à 20 mm et de caractéristiques physiques différentes (minéralogie, angularité).

Les deux matériaux ci-dessus feront l’objet d’essais homogènes de caractérisation, en particulier à l’aide d’essais triaxiaux, destinés à déterminer les paramètres hydro-mécaniques (perméabilité, résistance, rigidité) dans des conditions les plus proches possibles de celles résultant de leur mode de mise en place dans la cuve.

Une originalité majeure du travail expérimental consistera à reproduire différents modes de mise en place, tels que ceux utilisés avec les modèles réduits précédemment testés au laboratoire et à analyser leur influence sur les résultats en termes de caractéristiques hydro-mécaniques de chacun des matériaux et du comportement du complexe sol/colonne : vitesse de consolidation, tassements finaux, charges limites…

Le matériau choisi sera extrait respectivement des sites représentatifs aussi bien au Liban qu’en France.

Simulation numérique

En complémentarité au travail expérimental, des simulations numériques seront menées dans le but de décrire le fonctionnement intime du complexe sol/colonne : déformations internes, transmission et distribution des efforts, zones plastifiées… Les simulations seront menées à la fois par des méthodes traditionnelles aux éléments finis, qui considèrent chaque matériau comme un continuum homogène, mais également par des modèles aux éléments distincts qui considèrent les matériaux comme des ensembles discontinus de grains en contact. On peut utiliser les logiciels disponibles tels que PLAXIS et UDEC. Dans un premier temps et pour des raisons de simplicité, on pourrait adopter des calculs simplifiés en conditions bidimensionnelles. Ensuite, des vrais calculs tridimensionnels seront effectués. Les calculs sous chargements dynamiques peuvent aussi être envisageables pour traiter le comportement d’ensemble en cas des secousses sismiques.

Les modèles basés sur les concepts d’éléments distincts s’avèrent mieux adaptés à l’étude du comportement du ballast, de nature fondamentalement discrète. Dans ce cas, une attention particulière sera portée sur la morphologie des grains, élément primordial mais présentant des difficultés pratiques de représentation. L’identification des paramètres mécaniques de contact intergranulaire seront identifiés par calcul inverse à partir de la simulation d’essais


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homogènes tels que l’essai triaxial. Le couplage entre modèle continu pour représenter le sol fin et modèle discontinu pour représenter le ballast est également à considérer. Des études de sensibilité concernant les paramètres les plus importants seront réalisés pour bien caractériser leurs effets.

Afin d’analyser d’éventuels effets d’échelle, les simulations porteront d’une part sur les essais déjà réalisés sur les modèles réduits de laboratoire, mais également sur les essais à réaliser en chambre de calibration et sur des expérimentations bien documentées publiées de la littérature (Corneille 2007 ; Six 2006). Les objectifs de cette phase consistent à reproduire les observations expérimentales des travaux réalisés en laboratoire et des applications sur des cas sites réels sélectionnés a la fois au Liban et en France.

Au-delà des analyses fines ci-dessus, le but final des simulations sera de dégager des règles simplifiées facilement applicables dans les calculs courants des praticiens et qui viennent enrichir les méthodes usuelles. Ainsi des recommandations seront données dans le but d’optimiser le processus de dimensionnement. 2. Protocole de recherche et Calendrier de l’alternance

Cette thèse sera réalisée en cotutelle entre l’INSA de Rennes d’une part et l’Ecole Doctorale des Sciences et de Technologie de l’Université Libanaise d’autre part. La séquence des différentes parties du travail de thèse et l’alternance des séjours dans les deux établissements d’inscription prennent en compte un équilibre global des périodes passées dans chaque établissement et les moyens matériels disponibles dans chaque laboratoire (tableau 1).

Du côté libanais, ce travail permet d’initier une collaboration de recherche entre l’Université Libanaise et l’INSA de Rennes dans le domaine de Génie Civil. Certes, ce début se fait par un travail en partenariat pour une thèse en cotutelle. Dans l’avenir, elle sera étendue à la formation doctorale y compris l’échange des étudiants au niveau M2R et l’encadrement continu des thèses en commun. L’échange réciproque des enseignants des chercheurs permet de renforcer davantage la collaboration. Les retombées peuvent avoir des effets positifs sur les trois niveaux suivants :

1- Scientifique Dans ce cas, on peut avoir un apport scientifique important visant une bonne compréhension du phénomène de renforcement ou d’amélioration des sols dans les zones urbaines avec prise en compte des principaux paramètres. Les résultats attendus vont permettre aussi un meilleur usage et une adaptation des règles de calcul et de dimensionnement. Ceci se traduit par un renforcement de la collaboration de recherche entre les équipes de recherche de l’Université Libanaise et françaises à l’INSA de Rennes.

2- Sur la formation Les résultats des études peuvent être utilisés à la fois pour la formation des enseignants et des étudiants. L’explication et l’interprétation des cas traités aux étudiants couvrant les aspects expérimentaux et numériques (informations sur les cas réels, analyse des données


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et des résultats) seront bien appréciées. Le public visé sera au niveau du cycle ingénieurs ou bien au niveau M2R Génie Civil à l’Ecole Doctorale des Sciences et de Technologie. Finalement, on pourrait donner un fort appui aux bureaux d'études dans leur choix ou l’adaptation des méthodes de calcul les plus appropriées.

3- Economiques et sociales

Dans ce contexte, on pourrait identifier des zones les plus vulnérables avec proposition des cartes de risque pour les zones urbaines concernées. Les résultats attendus vont permettre un renforcement de la stabilité des structures dans ces zones et minimisation des pertes matérielles et humaines en particulier en cas des chargements sismiques.

Tableau 1. Séquences de travail et alternance de séjour

Semestre de à Lieu Travail

S1 Sept. 2013 Fév. 2014 Liban Etude bibliographique : Etat de l’art des travaux réalisés, recherche des cas réels documentés publiés dans la littérature

Simulations des essais existants.

S2 Mars 2014 Août 2014 France Préparation des matériaux et du matériel..

S3 Sept 2014 Fév 2015 Liban Essais homogènes sur les matériaux

S4 Mars 2015 Août 2015 France Expérimentation en chambre de calibration

S5 Sept 2015 Fév. 2016 Liban Simulation des essais en chambre calibration

S6 Mars 2016 Août 2016 France Rédaction du mémoire de thèse et soutenance

Les essais simples (essais homogènes) et les simulations numériques pourront être réalisés dans l’un ou l’autre des laboratoires d’accueil, ce qui offre une certaine souplesse. Les essais plus lourds (chambre de calibration) seront réalisés à l’INSA de Rennes qui dispose d’un hall d’essais mécaniques de grande capacité (vérins, portiques, moyens de manutention…) et d’une aide logistique adaptée en termes de personnel technique et de support de conception et de fabrication (Centre Commun de Mécanique).

Références bibliographiques

Brauns H., Initial bearing capacity of stone columns and piles. Proc. Symposium Soil reinforcing and stabilizing techniques in engineering practice, Vol. 1, 1978, pp.497-512.

Castro J., Sagaseta C., Consolidation around stone columns. Influence of column deformation, Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2009; 33:851–877.

Corneille S., Etude du comportement mécanique des colonnes ballastées chargées par des semelles rigides, Thèse de doctorat, Institut national polytechnique de Lorraine, 2007.


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Datye K.R., Settlement and bearing capacity of foundation system with stone columns, Proc. Symposium on soil and rock improvement techniques including geotextiles reinforced earth and modem piling methods, A-1-1 A-1-27, 1982.

Dhouib A., Blondeau F., Colonnes Ballastées, Presses de l’École National des Ponts et Chaussées, Paris, 2005.

Guetif Z., Bouassida M., Debats J.M., Improved soft clay characteristics due to stone column installation, Computers and Geotechnics 34:104-111, 2007.

Kan K., Simulation numérique du comportement hydro-mécanique des colonnes ballastées et du sol environnant, mémoire de Master recherche, INSA de Rennes, juin 2012.

Mekaoussi.A., Karech.T., Rangeard D., Martinez.J, Analysis of a reduced model of stone columns by the finite element method, Séminaire International Risques et Génie Civil, Batna 2012.

Nguyen N.T., Foray P., Flavigny E., Prise en compte de l’effet de la mise en place dans la modélisation numérique en 3D des colonnes ballastées dans l’argile molle, 18ème Congrès Français de Mécanique, Grenoble, 27-31 août 2007.

Phan V.T.P., Renforcement des sols compressibles par colonnes ballastées, Thèse de doctorat, INSA de Rennes, 2010.

Phan V.T.P., Lambert S., Rangeard D., Martinez J., Simulation en laboratoire de la mise en place de colonnes ballastées, Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG 2010.

Priebe H.J., The design of vibro replacement, Ground engineering, Technical paper 12-61 E, Offenbach, Germany, 1995.

Six V., Analyse du comportement des colonnes ballastées : influence des conditions initiales, Thèse de doctorat, Université des Sciences et Technologies de Lille, 2006.

Y M., Simulation numérique de la modification du sol compressible environnant sous l’effet de la mise en place des colonnes ballastées, mémoire de Master recherche, INSA de Rennes, juin 2011.

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