Soutenance mémoire
L’affouillement se produit dès lors qu’un ouvrage d’art ou une structure, tel que les piles de ponts ou les éoliennes offshores, gênent l’écoulement. Ceci engendre une accélération locale du courant et par conséquent, la création de tourbillons qui arrachent progressivement les sédiments du lit. Des fosses se créent alors autour des appuis de l’ouvrage (Figure 1a) et menacent sa stabilité (Figure 1b). Aux États Unis par exemple, 60% des défaillances d’ouvrages d’art, survenues entre 1989 et 2000, résultent du phénomène d’affouillement (Wardhana & Hadipriono, 2003).
La gestion de ce risque hydraulique présente des enjeux économiques, sociétaux, stratégiques et sécuritaires pour la circulation des biens et des personnes. En effet, la défaillance d’un pont causée par l’affouillement, engendre non seulement des coûts considérables de réparation ou de reconstruction, mais aussi menace la sécurité des usagers et nécessite la mise en place d’un plan de prévention de ce risque. Afin de répondre à ces enjeux, le projet SSHEAR (Sols, Structures et Hydraulique : Expertise et Recherche Appliquée), avec le soutien de l’agence nationale de la recherche (ANR), a démarré en 2015 . Ce projet, de part la pluridisciplinarité de ses six partenaires, vise à améliorer les connaissances sur les aspects géotechniques, hydrauliques et structurels du phénomène d’affouillement. Il entend également mettre en place des outils novateurs d’instrumentation et de modélisations physique et numérique. L’objectif final est de développer des outils de diagnostic, d’alerte et de gestion à l’intention des gestionnaires de parc d’ouvrages (Chevalier et al., 2018).
Le phénomène d’affouillement a fait l’objet de nombreux travaux de recherche depuis plus de 50 ans. peuvent être regroupées en trois grandes catégories : modélisation du processus d’affouillement, estimation de la profondeur d’affouillement et enfin instrumentation des ouvrages en site affouillable.
Modélisation du processus d’affouillement : Ce type d’étude regroupe la modélisation physique et numérique. La modélisation physique consiste à mener des campagnes expérimentales sur modèles réduits en canal hydraulique dans le but de mieux comprendre les mécanismes de l’affouillement et d’acquérir des bases de données. La modélisation numérique consiste à développer généralement des modèles numériques diphasiques du transport sédimentaire et ainsi prédire l’évolution des fosses d’affouillement au droit des ouvrages.
Estimation de la profondeur d’affouillement : Ce type d’étude vise à développer des formules théoriques afin d’estimer la profondeur d’affouillement au droit d’un ouvrage d’art. Ces formules tiennent compte de données géotechniques, hydrauliques et structurelles.
Instrumentation des ouvrages en site affouillable : Ces études ont pour but le développement, le déploiement et la validation de techniques et d’outils de suivi d’affouillement.
Le risque d’affouillement des fondations doit être pris en compte, en amont, lors de la phase de conception des ouvrages d’art. Actuellement, compte tenu de la complexité des mécanismes à l’origine de ce phénomène soulignée dans la littérature, il est impossible de prédire la profondeur d’affouillement d’une manière suffisamment fiable, surtout à l’échelle réelle. De plus, l’effet de l’évolution de la profondeur d’affouillement sur le comportement de la structure est peu maîtrisé. Il est ainsi indispensable, d’une part, de suivre l’évolution de la profondeur d’affouillement durant toute la durée de vie de l’ouvrage, et d’autre part, d’évaluer son influence sur le comportement de la structure. Le développement de techniques de suivi appropriées est donc nécessaire afin d’analyser la vulnérabilité des ouvrages en sites affouillables.
L’affouillement est l’enlèvement et le transport des sédiments du lit d’un cours d’eau et des berges sous l’action érosive d’un écoulement hydraulique. En effet, l’évolution morphologique d’un cours d’eau, à long terme, modifie le transport sédimentaire et engendre un affouillement général induisant l’abaissement du niveau du lit. Les structures de génie civil construites en milieux fluviaux et marins (ponts, éoliennes et oléoducs offshores), perturbent également l’écoulement hydraulique accentuant ainsi le phénomène d’affouillement.
Au droit d’une structure, différents types d’affouillement se superposent : l’affouillement général, l’affouillement de contraction et l’affouillement local. Ces trois processus évoluent distinctement dans le temps et dépendent du mode de transport des sédiments. En amont de la structure, deux régimes de transports sont identifiés : l’affouillement sans charriage (clear-water scour) et l’affouillement avec charriage (live-bed scour). L’affouillement est généralement quantifié par sa profondeur qui dépend de différents facteurs géotechniques, hydrauliques et structurels de l’obstacle. Quand cette profondeur atteint sa valeur limite, la stabilité de l’ouvrage est compromise et le risque d’effondrement augmente. Pour anticiper ce risque, d’une part, de nombreuses formules empiriques ont été développées. D’autre part, différents instruments et techniques de suivi d’affouillement au droit des ouvrages ont été développés et testés en laboratoire et sur site.
Généralités sur l’affouillement
Qu’est ce que l’affouillement ?
Le dictionnaire Larousse définit l’affouillement de la manière suivante : « Action de creusement due aux remous et aux tourbillons engendrés dans un courant fluvial ou marin butant sur un obstacle naturel (rive concave des méandres) ou artificiel (pile de pont, jetée), ou à l’activité des animaux benthiques ». A la lumière de cette définition, l’affouillement est par conséquent le transport des sédiments du lit d’un cours d’eau suite à la perturbation de l’écoulement par différents types d’obstacles.
Le transport des sédiments
Dans le cas des cours d’eau à régime fluvial, les matériaux du lit sont susceptibles d’être mis en mouvement sous l’action des forces hydrauliques dues à l’écoulement de l’eau. Selon la taille des sédiments et les caractéristiques de l’écoulement, deux principaux modes de transport .
• Le transport en suspension : les sédiments se déplacent sans toucher le fond du lit. Ce mode de transport concerne principalement les sédiments de faible taille et densité (les argiles et les limons).
• Le transport par charriage : les sédiments se déplacent en restant en contact avec le lit, par glissement, roulement ou saltation . Ce mode de transport concerne principalement les particules les plus massives.
|
Table des matières
Introduction générale
Enjeux et contexte de la thèse
Objectifs et structure de la thèse
I État de l’art
I.1 Introduction
I.2 Généralités sur l’affouillement
I.2.1 Qu’est ce que l’affouillement ?
I.2.2 Le transport des sédiments
I.3 Affouillement total au droit des ouvrages d’art
I.3.1 Types d’affouillement
I.3.2 Régimes d’affouillement
I.4 Facteurs influençant la profondeur d’affouillement
I.4.1 Paramètres géotechniques
I.4.2 Paramètres hydrauliques
I.4.3 Paramètres structurels
I.5 Défaillances structurelles dues à l’affouillement
I.5.1 Causes géotechniques de défaillance
I.5.2 Causes hydrauliques de défaillance
I.5.3 Causes structurelles de défaillance
I.6 Estimation de la profondeur d’affouillement autour des piles
I.6.1 Formules empiriques existantes
I.6.2 Limitations
I.7 Instruments de suivi d’affouillement autour des piles
I.7.1 Instruments géophysiques de surface
I.7.2 Instruments utilisant des repères ou références
I.8 Techniques dynamiques de suivi d’affouillement autour des piles
I.8.1 Rappel de dynamique des structures
I.8.2 Développement de capteurs
I.8.3 Étude de la réponse dynamique de la structure
I.9 Conclusions et discussion
II Développement d’un capteur dynamique d’affouillement
II.1 Introduction
Cantilever based model accounting for rod vibration in soil : development of a scour depth sensor
II.2 Modification des caractéristiques modales avec l’affouillement
II.2.1 Modification de l’amortissement avec l’affouillement
II.2.2 Modification des déformées modales avec l’affouillement
II.3 Conclusions
III Évaluation de la réponse statique du capteur
III.1 Introduction
Distributed strain measurement for scour monitoring : a laboratory investigation
III.2 Conclusions
IV Suivi de l’affouillement par vibration de piles
IV.1 Introduction
IV.2 Dispositif expérimental
IV.2.1 Présentation du matériel
IV.2.2 Choix du protocole d’essai
An investigation of the use of rocking frequencies of bridge piers for scour monitoring
IV.3 Suivi vibratoire de la pile cylindrique avec semelle
IV.3.1 Protocole d’affouillement de la pile cylindrique avec semelle
IV.3.2 L’effet de l’affouillement sur la fréquence de la pile
IV.3.3 Identification de la déformée modale correspondante
IV.4 Analyse de la réponse vibratoire après impact de la pile par la transformée en ondelettes TO
IV.4.1 La transformée en ondelettes continue de Cauchy
IV.4.2 Détermination de la fréquence instantanée de la pile cylindrique
IV.5 Conclusions
Conclusions
