Les ouvrages en Terre Armée et leur utilisation pour les lignes à grande vitesse

Bien que l’utilisation de la Terre Armée soit courante pour des applications routières, peu d’ouvrages de ce type ont été construits jusqu’à présent dans le cadre de Lignes à Grande Vitesse et la littérature est relativement peu abondante sur l’impact du passage de Trains à Grande Vitesse sur leur stabilité. D’un autre coté, de multiples aspects du comportement des massifs renforcés similaires à la Terre Armée ont déjà été étudiés. On trouve des articles traitant du comportement théorique du sol renforcé, d’essais d’extraction d’armatures, mais également des publications sur la prédiction du comportement de ces ouvrages dans différents cas de figures (corrosion, réponse statique, réponse sous sollicitations sismiques…). Dans ce cas, les prédictions sont généralement faites sur la base d’études numériques, en 2D, ou bien d’essais en centrifugeuse ou encore à l’aide de modèles réduits.

Présentation de l’utilisation des ouvrages en sol renforcé 

Chronologie

C’est à Henri Vidal que l’on doit l’invention du concept de la Terre Armée, dont il a déposé le brevet en 1963. En 1965, un premier ouvrage de soutènement expérimental est construit à Pragnères dans les Pyrénées, avec un parement métallique et des armatures lisses. En 1968 est fondée la compagnie de la Terre Armée, qui réalise alors des ouvrages importants sur l’A53. En 1969, la première culée porteuse en Terre Armée est construite à Strasbourg. Un an plus tard est déposé le brevet relatif aux écailles cruciformes du parement en béton préfabriqué. La même année, la Terre Armée devient internationale, avec la fondation de Reinforced Earth au Canada, puis aux États-Unis, en Espagne… Durant ce temps, la technologie se perfectionne : différentes études et expérimentations sont menées sur le choix du type et de la géométrie des armatures. Elles aboutissent à la mise au point en 1976 des armatures Haute Adhérence en acier galvanisé.

La même année, le cap des 100 000 m² d’ouvrages en Terre Armée construits de part le monde est dépassé. En 1979, les principes de construction sont normalisés en France et aboutissent à la publication des « recommandations et règles de l’art pour les ouvrages en terre armée » [SET79] publiées par le SETRA. La technologie poursuit son essor mondial : en 1992, 10 millions de m² d’ouvrages en Terre Armée ont été construits ; en 2014, le cap des 50 millions est franchi. Entre-temps, en 1998, la société Terre Armée est intégrée au sein du groupe Solétanche Freyssinet (données société Terre Armée).

Principe de fonctionnement

Ce que l’on appelle Terre Armée est un matériau composite, constitué de remblai, d’armatures (métalliques ou synthétiques) et d’un parement fait d’écailles de béton ou de métal.

Le parement vise à prévenir l’écoulement de la terre au travers du mur en lui apportant un confinement, mais ne contribue pas à la stabilité mécanique globale du massif. Le matériau de remblai doit quant à lui satisfaire les critères de résistance mécanique et de potentiel électrochimique préconisés dans les normes de constructions de ce type d’ouvrages [AFN09]. Enfin il est à noter que les armatures, même métalliques, possèdent une résistance négligeable à la flexion. De ce fait, il est préférable de les appeler « bandes » plutôt que « barres », dans la mesure où elles apportent au massif un gain de résistance uniquement dans la direction de leur orientation.

Principe de dimensionnement

La stabilité externe des ouvrages en Terre est similaire à celle de tout ouvrage de soutènement classique (tels que les murs poids). La justification de tels ouvrages passe donc par l’étude de la stabilité d’ensemble, de la portance du sol et du glissement potentiel du mur sur le sol de fondation. L’étude de la stabilité interne est quant à elle tout à fait spécifique des sols renforcés et nécessite une démarche particulière. On distingue au sein d’un ouvrage deux zones, l’une active et l’autre passive . Dans la zone dite « active », le sol exerce sur les armatures des efforts de cisaillement dirigés vers le parement. Dans cette zone, le sol a tendance à glisser vers le parement, et il est retenu par les armatures et les écailles. Dans la zone dite « passive » ou « résistante », les efforts de cisaillement exercés par le sol sur les armatures sont dirigés vers l’intérieur du massif. Les armatures, qui reprennent les efforts générés dans la zone active, sont « ancrées » dans le sol de la zone passive. C’est le frottement entre l’armature et le sol de la zone passive qui détermine la stabilité de l’ancrage des armatures et donc de l’ouvrage. La longueur de l’armature située dans la zone résistante est appelée la longueur d’adhérence.

Caractéristiques structurelles 

Parement 

Généralement, le parement des ouvrages en Terre Armée est constitué d’écailles cruciformes de béton préfabriqué   dans lesquelles sont scellées des amorces métalliques permettant l’accrochage des bandes de renforcement au moyen de boulons d’acier.

Il existe d’autres formes d’écailles (rectangulaires, hexagonales,…) ou des écailles constituées d’autres matériaux, comme le PVC, le métal (les premières écailles historiques), des parements formés de gabions, des parements végétalisés ou en matériaux naturels .

Armatures 

Les sols renforcés se classent généralement en deux familles : les sols renforcés par des armatures (renforcements discrets dans une seule direction), et les sols renforcés par des « nappes » (géotextiles, géogrilles), qui offrent un renforcement continu dans une direction principale ou deux directions. Les matériaux constitutifs du renforcement peuvent être métalliques (aluminium, acier galvanisé, treillis soudés) ou synthétiques, issus de l’industrie pétrochimique. Parmi ces derniers les plus utilisés sont les plastiques à base de polypropylène, de polyéthylène ou de polyester. Le choix du type de renforcement est dicté par des considérations économiques, les conditions chimiques du sol, les propriétés mécaniques et la durabilité désirées pour le massif renforcé… Dans le cadre de cette thèse, on ne s’intéressera qu’aux armatures en acier galvanisé Haute Adhérence, qui sont les plus utilisées par l’entreprise Terre Armée pour la réalisation de ses ouvrages.

Modélisations numériques

Les expérimentations in situ ou sur modèles réduits présentées précédemment sont mal adaptées à l’étude de l’influence de nombreux paramètres sur la stabilité globale des murs renforcés sous chargement sismique. Par exemple, l’influence de la géométrie globale du remblai sur la réponse sismique n’est pas étudiée dans ces études. De nombreux auteurs se sont donc intéressés à modéliser numériquement des ouvrages réels ou des modèles réduits, dans le but de tester l’influence de différents paramètres sur la réponse globale des ouvrages renforcés. On peut citer les nombreux travaux de Bathurst et ses collaborateurs ([BAT95], [CAI95], [BAT98], [HAT00]), ainsi que ceux de Ling et Leshchinsky ([LIN04], [LIN05a], [LIN05b], [LIN09]), qui sont essentiellement focalisés sur les sols renforcés par géosynthétiques.

Plus récemment, d’autres auteurs se sont également saisis de cette question, se focalisant davantage sur le comportement du parement ([HEL01], (ELE05]). Quelques simulations numériques ont été effectuées sur le comportement sismique des ouvrages renforcés avec des bandes métalliques dans les années 80 ([SEE86], [SEG88]). Toutes ces modélisations ont été effectuées en 2D, en utilisant la méthode des éléments finis ou celle des différences finies. On remarque que la littérature récente a tendance à privilégier l’analyse de sol renforcé par des géosynthétiques, et non par des armatures métalliques. On peut expliquer ce phénomène par plusieurs raisons :
– tout d’abord les publications citées sont le fait de chercheurs américains, qui tendent à privilégier l’étude des ouvrages renforcés par des géotextiles, au détriment des ouvrages avec des armatures métalliques ;
– ensuite, il n’est pas possible de représenter de façon satisfaisante en 2D sous sollicitations sismiques le fait que les renforcements métalliques ne sont pas continus dans la direction transversale ;
– enfin, les auteurs précités semblent considérer que les renforcements métalliques peuvent être considérés comme un cas particulier de renforcements indéformables, par exemple dans [YOG92] ou [ALL04] et peuvent être traités en utilisant les mêmes méthodes de modélisation. Les résultats semblent satisfaisants, bien qu’on ne prenne pas en compte le fait que les renforts métalliques sont discrets, tandis que les nappes de géosynthétiques sont continues.

La procédure de modélisation pour toutes ces études suit globalement une démarche identique. Dans un premier temps, les auteurs cherchent à valider un modèle numérique de référence, calé sur des expériences sur modèles réduits ou centrifugeuse, plus rarement sur des expériences en grandeur réelle. Ensuite, un certain nombre d’études paramétriques sont effectuées, portant à la fois sur les caractéristiques géométriques du remblai étudié, les caractéristiques de fréquence et d’accélération du séisme modélisé et enfin les caractéristiques des matériaux de renforcement, du sol et également des interfaces. Des méthodes de dimensionnement ou des améliorations à celles-ci peuvent alors être proposées. Il ressort de toutes ces études que la réponse globale d’un massif de sol renforcé soumis à un séisme est gouvernée principalement par les niveaux d’accélération causés par le séisme et par la géométrie du remblai (qui a une influence directe sur la fréquence propre de la structure). Comme lors des expérimentations in situ et sur modèles réduits, il est montré que ce sont les renforcements situés sur la partie supérieure du remblai qui sont les plus sollicités. L’augmentation de leur longueur et la diminution de leur espacement contribue à éviter leur rupture par arrachement.

Enfin, une bonne prédiction numérique des niveaux de contraintes, déformations et tractions dans les renforcements nécessite des lois de comportement sophistiquées pour le sol (visco-élasto-plastiques), du fait des hauts niveaux de déformations induits par le séisme. Différentes lois ont été testées dans ces études, chacune possédant de nombreux paramètres, qui ont été calés sur des essais triaxiaux cycliques (cf. [LIN04]). Les lois de comportement régissant les renforcements dépendent du type de ces derniers. Dans le cas de renforcements rigides, les auteurs utilisent généralement une loi de comportement élastique. Pour ceux plus souples, des lois élasto-plastiques peuvent êtres utilisées, avec des paramètres calés sur des essais de traction cycliques sur échantillons. Les interfaces parement/sol, renforcement/sol et géosynthétiques/parement (dans certains cas) sont généralement traitées de deux manières :
– soit en modélisant un joint de petite épaisseur, avec un coefficient de Poisson nul ([LIN05a], [HAT00])
– soit en utilisant des éléments de joint, avec une loi de comportement spécifique, généralement proche de celle de Mohr-Coulomb Dans les deux cas, les modules d’élasticité et l’angle de frottement maximal (ou équivalent) sont calés à partir d’essais d’extraction.

Enfin il est à noter que dans ces études, il n’a pas été pris en compte de conditions spéciales aux limites (de type bandes absorbantes ou autres).

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Les ouvrages en Terre Armée et leur utilisation pour les lignes à grande vitesse
1.1 Introduction
1.2 Présentation de l’utilisation des ouvrages en sol renforcé
1.3 Études sur la Terre Armée dans un contexte non-ferroviaire
1.4 Utilisation de la Terre Armée pour les LGV : le cas de la ligne SEA
1.5 Spécificités du contexte ferroviaire
1.6 Modèles numériques et expérimentations
1.7 Conclusion
Chapitre 2 Comportement expérimental d’un remblai en Terre Armée
2.1 Introduction
2.2 Présentation du remblai expérimental
2.3 Analyse des résultats
2.4 Conclusion
Chapitre 3 Établissement d’un modèle numérique
3.1 Introduction
3.2 Hypothèses de modélisation
3.3 Résultats et discussions
3.4 Conclusion
Chapitre 4 Comportement instantané d’interface
4.1 Introduction
4.2 État de l’art
4.3 Modélisation numérique de l’interface sous chargement dynamique
4.4 Présentation des résultats
4.5 Discussion
4.6 Conclusion
Chapitre 5 Prise en compte d’une charge mobile
5.1 Introduction
5.2 Modèle Multiphasique
5.3 Prise en compte d’un référentiel mobile
5.4 Application à un remblai ferroviaire renforcé
5.5 Discussion
5.6 Conclusion
Conclusion

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