Soutenance mémoire
La nécessité des tunnels et les avantages qu’ils apportent sont grandioses.. En déplaçant le trafic sous terre, ils améliorent la qualité de vie au-dessus du sol et peuvent avoir un impact économique énorme. Bien entendu, la construction de tunnels n’est pas assez simple, coûteuse et nécessite un haut niveau de qualification et compétence technique. Les tunnels du transport dans les milieux urbains sont construits à faible profondeur pour des raisons économiques et sécuritaires. Les techniques de tunnelisation se sont développées afin de satisfaire, bien sûr, en premier lieu les impératifs de stabilité lors du creusement, ce qui devient de plus en plus délicat lorsque l’on a à faire à des tunnels de grandes sections en sols meubles. Les mouvements de sol, induits par le creusement d’un tunnel, sont le résultat de phénomènes complexes liés à la perturbation de l’état initial des contraintes. Cette modification du champ des contraintes, se traduit initialement par un déplacement du front vers l’excavation et par une convergence des parois du tunnel. Proportionnellement à la magnitude de mobilisation des contraintes, des déplacements apparaissent généralement à la surface et peuvent affecter les structures. Pour quantifier préalablement ces mouvements, l’outil numérique représente le meilleur choix. Avec le développement accéléré de l’informatique, la simulation numérique devient de plus en plus une norme dans la technologie de percement des tunnels. L’analyse numérique (également appelée simulation numérique) vise à prédire, avec une méthodologie de résolution, le comportement et les déformations du sol par estimation des champs des contraintes autour de l’excavation. Au moyen de telles prévisions, on essaie d’évaluer la sécurité et d’optimiser la construction. Avec des «prédictions» a posteriori (dites prédictions de classe B), on essaie d’améliorer la compréhension, d’ajuster les paramètres impliqués et d’analyser les échecs. Les ingrédients de base, des simulations numériques, sont les équations d’équilibre (pour la masse, l’énergie et la quantité de mouvement) et les équations constitutives. Ces dernières sont obtenues seulement si une base des données géotechniques fiable est disponible.
Reconnaissance géotechnique du terrain
Le sous-sol est un vaste inconnu qui peut cacher de nombreuses surprises désagréables. Afin de l’explorer, une étude détaillée du site est indispensable non seulement pour le choix des techniques de construction, mais aussi pour le succès d’un projet de tunnel. Les études géotechniques visent à collecter toutes les propriétés pertinentes du sol. Plus précisément, Le but de l’étude du site est de produire un modèle tridimensionnel complet du site, à la fois au-dessus et en dessous du sol, et de mettre en évidence l’impact (risques) associé des travaux de creusement sur cet environnement ainsi que les risques potentiels pour les travaux de creusement. Ces risques peuvent ensuite être évalués et atténués à l’aide de techniques de construction appropriées. Les essais en géotechnique sont généralement classées en deux groupes majeures : in-situ et au laboratoire, et le choix des essais dépend de type d’information souhaité. De point de vue modélisation numérique, l’étude géotechnique permet à la fois de délimiter géométriquement le model (puissance et forme des couches du terrain) et d’assembler les paramètres géomecaniques d’entré à chaque couche (inputs).
Classement d’un ouvrage géotechnique
Pour des raisons évidentes de coût, la complexité de l’étude géotechnique dépend du type d’ouvrage construit et des risques encourus pour les biens et les vies. Les exigences minimales ne sont pas les mêmes selon que l’on construit une maison individuelle, un immeuble de taille moyenne, ou un tunnel.
Vis à vis des constructions, le sol peut jouer deux rôles : il peut être le support (le réceptacle) de la construction (bâtiment, pont, tunnel…) ou bien former le matériau de cette construction (remblai, barrage en terre). D’une manière générale, on peut dire que toute construction doit s’insérer dans un état initial qui est en général stable, et qu’après la mise en place de l’ouvrage, on doit reconstituer un nouvel état stable. Il convient donc de définir et de prendre en compte pour un ouvrage un périmètre d’influence ou susceptible d’être touché par cet ouvrage : Zone d’Investigation Géotechnique. Pour réaliser le dimensionnement de l’ouvrage, le géotechnicien doit disposer de suffisamment d’informations sur le terrain où l’ouvrage est construit, de manière à proposer la solution technologique la plus adéquate.
Reconnaissance géotechnique
C’est l’étude « in situ » et en « laboratoire » qui permet de définir l’ensemble des caractéristiques physiques, mécaniques et chimiques des terrains en place. Selon l’AFTES (Association Française des Tunnels et de l’Espace Souterrain), les paramètres à déterminer pour établir un projet de tunnel sont classés en cinq familles (Guillaume et al. 1999) :
1. Les paramètres liés aux contraintes naturelles ;
2. Les caractéristiques physiques ;
3. Mécaniques ;
4. Hydrogéologiques ;
5. Et de constructibilité.
Généralement, une étude bien complète sur un sol doit comprendre les éléments distingués suivants :
♦ Courbe granulométrique,
♦ Forme des particules,
♦ Rugosité des surfaces,
♦ Indice de densité,
♦ Poids volumique,
♦ Teneur naturelle en eau,
♦ Limites d’Atterberg,
♦ Teneur en carbonates,
♦ Teneur en matières organiques,
♦ Résistance au cisaillement,
♦ Raideur du sol,
♦ Perméabilité,
♦ Consolidation,
♦ Compactibilité.
Principalement pour obtenir tels données, il est possible d’effectuer des essais sur site ‘in-situ’ ou de récupérer des échantillons des sols pour appliquer en suites des essais dans laboratoire.
Essais in-situ
Les essais in situ en géotechnique permettent d’approfondir l’étude des sols avant toute construction en surface ou en profondeur. Parfois discrédités au profit des essais de laboratoire, ils évitent pourtant toute contrainte de transport et de conservation susceptible d’altérer les prélèvements et leurs résultats. Ils permettent non seulement d’appréhender les mêmes grandeurs mécaniques qu’au laboratoire, mais aussi d’élargir le champ des mesures par la saisie de données supplémentaires. Plus précisément, lors de l’analyse numérique ces essais permettent de définir géométriquement le model. Trois types d’essais in-situ sont adoptés en section D9 : forage carotté, essai de pénétration au carottier et sondage pressiométrique.
Forage carotté
Le sondage carotté c’est seule méthode pour obtenir des échantillons des sols et donne des informations visuelles sur terrain ainsi que en profond. Le principe des sondages carottés est de venir découper un cylindre de terrain le plus intact possible afin de réaliser des observations et des essais représentatifs des formations en place. Le découpage des terrains peut être fait par fonçage ou battage (carottier poinçonneur) ou par rotation (carottier rotatif). Les points de sondage doivent être suffisamment nombreux et profonds pour pouvoir définir sans ambiguïté les particularités géologiques du site. Le code ‘’Eurocode 07 ‘’ dans Annex B.3 1997-2, a donné des spécifications sur la distance et la profondeur minimale pour les structure linéaires de génie civil (tunnel, canalisations, chemins de fer, routes). Distance Dsondage=20 -200 mètre A l’œil nu, le géotechnicien peut distinguer globalement les couches du terrain sur la base : couleur, odeur, consistance, origine géologique et pédologique.
Essai de pénétration au carottier
L’essai S.P.T ou « Standard Pénétration Test » consiste à faire pénétrer dans le sol par battage, un carottier de dimensions normalisées, à l’aide d’un mouton de ayant poids standard tombant en chute libre sur un train de tiges et compter le nombre de coups N1 pour enfoncer une première fois le carottier de 15 cm, puis le nombre N2 de coups pour enfoncer une seconde fois le carottier de 15 cm. Le paramètre mesuré est le nombre de coups total N = N1 + N2 [NF P 96-116] [ASTM D1586 / D1586M – 18]. Les résultats de cet essais permet ensuite et à l’aide des corrélations de définir les caractéristiques :
● Capacité portante pour les fondations
● Compacité des sables et leur angle de frottement interne tableau 1.03
● Liquéfaction des sables
● Résistance des sols à la compression simple .
Essai pressiometrique
Dans un forage réalisé préalablement, l’essai pressiometrique consiste à dilater radialement dans le sol une sonde cylindrique et mesurer la relation entre la pression appliquée au sol et le volume de la sonde par augmentation successive de pression pour chaque palier [NF P94-110-1] et [ASTM D4719-07]. Cet essai sur terrain sert à caractériser le comportement et les caractéristiques mécaniques du sol par la détermination de la limite entre le comportement pseudoélastique et l’état plastique du sol connu par ‘’pression de fluage PF ‘’ ; la pression correspondant à la rupture du sol en place ‘‘pression limite PL ‘’ . et module de ‘’déformation pressiométrique EP ‘’qui correspond à l’inverse de la pente de la partie linéaire de la courbe pressiométrique nette et lié directement aux compressibilité et par conséquence au tassement de sols .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 01 : Reconnaissance géotechnique du terrain
1.1. Introduction
1.2. Classement d’un ouvrage géotechnique
1.3. Situation topographique du projet
1.4. Reconnaissance géotechnique
1.4.1. Essais in-situ
1.4.1.1. Forage carotté
1.4.1.2. Essai de pénétration au carottier
1.4.1.3. Essai pressiometrique
1.4.2. Essais de laboratoire
1.4.2.1. Teneur en eau
1.4.2.2. Masse volumique sèche et humide
1.4.2.3. Analyse granulométrique
1.4.2.4. Limites d’Atterberg
1.4.2.5. Essai de cisaillement à la boite
1.4.2.6. Compressibilité à l’œdomètre
1.4.2.7. Analyse Chimique du Sol
1.5. Unités stratigraphiques
1.5.1. Quaternaire et dépôts récents
1.5.2. Tertiaire – Molasse
1.5.3. Conditions tectoniques
1.6. Valeurs caractéristiques
1.7. Conclusion
Chapitre 02 : Comportement mécanique des sols
2.1. Introduction
2.2. Contraintes et déformations des sols
2.2.1. Types de chargement dans le sol
2.2.2. Résistance au cisaillement du sol
2.3. Lois de comportement
2.3.1. Modules de déformation
2.3.2. Modules adoptés en géotechnique
2.3.3. Modèles linéaires et non-linéaires
2.3.3.1. Comportement élastique simple et modifié
2.3.3.2. Modèles élasto-plastiques
2.3.3.3. Comportement élastique-parfaitement plastique
2.3.3.4. Modèle élastoplastique avec écrouissage
2.3.4. Lois de comportement de de chaque couche
2.3.4.1. Couche Remblais RX
2.3.4.2. Unité Quaternaire Argileux
2.3.4.3. Unité Quaternaire Sableux ‘QS’
2.3.4.4. Unité Quaternaire Marneux ‘QM’
2.3.4.5. Unité tertiaire sable ‘TS’
2.4. Conclusion
Chapitre 03 : Techniques de tunnelisation et estimation des tassements
3.1. Introduction
3.2. Profondeur de l’excavation
3.3. Techniques de construction
3.3.1. Méthode NATM
3.3.2. Méthode ADECO-RS
3.3.3. Méthode par TBM
3.4. Processus de tunnelisation en section D9
3.5. Mouvements induits par le creusement du tunnel
3.5.1. Méthodes Analytiques
3.5.2. Méthodes physiques
3.5.3. Méthodes empirique et semi-empirique
1.5.3.1. Point d’inflexion
1.5.3.2. Tassement maximal
1.5.3.3. Cuvette de tassement
3.5.4. Méthodes numériques
3.6. Conclusion
Chapitre 04 : Modélisation numérique et champs des contraintes
4.1. Introduction
4.2. Présentation du code de calcul en éléments finis ‘Phase 2’
4.3. Pré-résolution et résolution
4.3.1. Dimensions et densité de maillage du modèle
4.3.2. Phasage de modélisation
4.4. Résultats et discussion (post-résolution)
4.4.1. Coefficient de pression latérale de terre au repos ‘K0’
4.4.2. Module de Young ‘E’
4.4.3. Déformations totales
4.4.4. Tassement surfacique
4.4.5. Champ et chemins des contraintes
4.4.5.1. Champ et chemins des contraintes principales majeures ‘σ1’
4.4.5.2. Champs et chemins des contraintes principales mineures ‘σ3’
4.4.5.3. Contraintes moyennes ‘p’ et déviatorique ‘q’
4.4.6. Zones caractéristiques dans les travaux de tunnelisation
4.5. Conclusion
Conclusion générale
