Analyse des excavations profondes à l’aide de la méthode de conception de force mobilisée (MSD) (projet civil)


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SOMMAIRE

La population en Suède et dans le monde augmente. Lorsque la population augmente, les villes deviennent plus densément peuplées et une demande d’investissements dans le logement et les infrastructures se crée. Les investissements nécessaires sont généralement de grande taille et les projets résultant des investissements sont souvent de nature complexe. Un facteur majeur responsable de la complexité des projets est le manque d’espace dû à la densité de la population. Le manque d’espace crée une situation où une caractéristique très commune de ces types de projets est l’utilisation de systèmes de retenue de la terre.

La conception des systèmes de retenue en Europe est aujourd’hui réalisée sur la base de l’Eurocode. L’Eurocode est une norme nouvellement introduite pour la conception des structures et a été développée afin de faciliter le travail transfrontalier en utilisant le même principe de conception dans tous les pays. Pour la conception des murs de soutènement en Suède, l’Eurocode utilise l’ancienne norme comme base de la procédure de conception consistant en deux calculs séparés, l’état limite ultime et l’état limite de service. Étant donné que le sol ne se compose pas de deux mécanismes distincts consistant en une défaillance et une aptitude au service, cette approche de résolution des problèmes d’ingénierie ne parvient pas à aborder le comportement réel des sols.

Pour gérer ce problème Bolton et. Al. (1990a, 1990b, 2004, 2006, 2008, 2010) ont développé la théorie de la «conception de la résistance mobilisée» où une procédure de calcul unique intègre à la fois le calcul des déformations et la sécurité contre la rupture. Le calcul utilise la conservation de l’énergie et le degré de résistance au cisaillement mobilisé pour étudier les déformations dans et autour du système de retenue et la sécurité contre la défaillance en mobilisant la résistance maximale au cisaillement du sol.

Le but de cette thèse était d’introduire la théorie de la conception de la résistance mobilisée aux ingénieurs géotechniciens en Suède travaillant à la fois dans le milieu universitaire et dans l’industrie. Un autre objectif de la thèse était de développer un outil qui pourrait être utilisé pour effectuer des calculs de systèmes de retenue de la terre basés sur cette théorie. Le développement d’un outil de travail a abouti à un code Matlab qui peut de manière simple être utilisé pour calculer à la fois les déformations du système de retenue et la sécurité contre la défaillance en utilisant le degré de résistance au cisaillement mobilisé présenté dans la théorie.

Le code Matlab peut gérer la stratification du sol avec différentes résistances au cisaillement et poids du sol. Un instrument de comparaison dans une feuille de calcul Mathcad a été développé pour produire des résultats basés sur la théorie originale où la fonction de stratification du sol n’est pas incorporée dans la procédure de calcul. La thèse montre que le code Matlab développé fonctionne bien mais n’est pas encore assez sensible pour produire les mêmes résultats que la feuille de calcul Mathcad et doit être développé davantage pour le rendre plus robuste afin de gérer tous les différents scénarios d’excavation.

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La théorie de la conception de la résistance mobilisée a été présentée aux ingénieurs géotechniciens en Suède et la thèse étudie la théorie et montre la procédure de calcul et comment les différentes valeurs d’entrée et les calculs affectent l’analyse. La thèse montre également certains domaines dans lesquels la théorie et le code peuvent être modifiés et où des recherches supplémentaires peuvent être effectuées afin de les rendre pleinement applicables aux conditions suédoises. À titre d’exemple, l’utilisation de chevilles de roche forées dans le substrat rocheux et fixées à la structure de soutènement est une caractéristique courante pour les fouilles profondes en Suède. Des recherches supplémentaires peuvent être poursuivies sur la façon d’intégrer l’énergie stockée dans les chevilles de roche dans la procédure de calcul.

REVUE DE LITTÉRATURE

Figure 1-Mode de défaillance, stabilité totale du système

Figure 1-Mode de défaillance, stabilité totale du système

Figure 4-Mode de défaillance, défaillance hydraulique à la terre

Figure 4-Mode de défaillance, défaillance hydraulique à la terre

La première procédure de conception d’une structure de soutènement de terre est un état limite ultime, ou calcul de charge de rupture, où les forces agissant dans la strate du sol et sur les éléments de structure sont étudiées. Les calculs sont effectués en utilisant des coefficients partiels sur les charges et les paramètres des matériaux pour tenir compte d’un facteur de sécurité contre la défaillance. Sur la base des charges et des forces agissant sur la structure, des éléments structurels, c’est-à-dire des entretoises, des palplanches, etc. peuvent être conçus.

Figure 30-La déformation de cisaillement moyenne peut être vue et comparée à la façon dont Atkinson (1993) a montré des déformations de cisaillement pour calculer le travail interne

Figure 30-La déformation de cisaillement moyenne peut être vue et comparée à la façon dont Atkinson (1993) a montré des déformations de cisaillement pour calculer le travail interne

Ce chapitre a présenté différentes théories pour analyser un système de soutènement pour une excavation profonde. La première partie est constituée des théories utilisées dans l’industrie aujourd’hui, ULS et SLS, pour concevoir des systèmes de retenue de terre. La deuxième partie consiste en la théorie de la conception de la force mobilisée. Sur la base des informations présentées, le concepteur peut effectuer des calculs des déformations des murs, des tassements de surface du sol et du degré de résistance au cisaillement mobilisée dans différentes couches de la strate du sol. Les calculs peuvent être comparés aux résultats de calculs numériques pour voir comment ils se comparent les uns aux autres.

PRINCIPE PROCÉDURE DE CALCUL ET DONNÉES D’ENTRÉE

Figure 32-Différents mécanismes de cisaillement dans différentes zones (Clough et Hansen

Figure 32-Différents mécanismes de cisaillement dans différentes zones (Clough
et Hansen

Les paramètres d’entrée du sol nécessaires à l’analyse sont une relation contrainte-déformation et la densité d’un échantillon de sol représentatif. La relation contrainte-déformation pour les sols peut être trouvée à travers différents types d’essais en laboratoire. Selon la zone du mécanisme de cisaillement à simuler; la relation contrainte-déformation peut être trouvée au moyen d’essais triaxiaux actifs et passifs ou d’essais de cisaillement simples directs. Puisque le test de cisaillement simple direct est à peu près la moyenne d’un test triaxial actif et passif, Lam (2010) suggère, de manière similaire à O’Rourke (1993), que les résultats d’un test de cisaillement simple direct peuvent être utilisés comme base pour toutes les zones lors de la conception des structures de soutènement en terre pour les excavations profondes.

Figure 35-Montre les déformations mobilisées en fonction du degré de force mobilisée et comment la courbe de déformation de contrainte peut être estimée par une courbe de puissance

Figure 35-Montre les déformations mobilisées en fonction du degré de force mobilisée et comment la courbe de déformation de contrainte peut être estimée par une courbe de puissance

Il est recommandé de procéder à l’évaluation du rapport de résistance au cisaillement mobilisé, β, en étudiant une courbe contrainte-déformation appropriée (Bolton et al. 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2010, 2011). La conception de la résistance mobilisée étudie le degré de résistance au cisaillement mobilisée du sol à l’intérieur du mécanisme de déformation. Bolton et. Al. définit le rapport de mobilisation, β, comme le rapport entre le niveau actuel de résistance au cisaillement mobilisée et la résistance maximale au cisaillement, créant une valeur du facteur variant entre zéro et un.

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DÉVELOPPEMENT D’UN CODE MATLAB

Figure 41-Montre comment la force mobilisée par rapport aux souches diffère en fonction des différentes données d'entrée.

Figure 41-Montre comment la force mobilisée par rapport aux souches diffère
en fonction des différentes données d’entrée

Figure 42-montre les mêmes courbes que la figure 22 mais tracées sur une échelle logarithmique

Figure 42-montre les mêmes courbes que la figure 41 mais tracées sur une échelle logarithmique

La relation contrainte-déformation du sol est visible sur la figure 41 et sur une échelle logarithmique sur la figure 2.3. Afin de rendre les tableaux aussi faciles que possible à comprendre et à utiliser, les deux tableaux sont présentés sous forme de déformations par rapport au degré de résistance au cisaillement mobilisée. La figure 42 est présentée sur une échelle logarithmique afin que les petites souches puissent être facilement étudiées et lues. ll courbes basées sur l’équation d’après Vardanega et Bolton (2011) avec les valeurs d’entrée données dans le tableau 2, à l’exception de la valeur spécifiée dans la figure

RÉSULTATS

Figure 49 - Structure de soutènement déformée pour l'étape de fouille en porte-à-faux

Figure 49-Structure de soutènement déformée pour l’étape d’excavation en porte-à-faux

Figure 50- Résistance au cisaillement moyenne mobilisée dans le mécanisme de déformation pour l'étage cantilever

Figure 50- Résistance au cisaillement moyenne mobilisée dans le mécanisme de déformation de l’étage cantilever

La même procédure que celle utilisée dans les calculs avec des zones de sols peut être utilisée pour calculer les déformations, mais en combinaison avec la division de la strate de sol en zones, la strate est également divisée en couches de sol d’épaisseur égale. L’étage en porte-à-faux est calculé de la même manière dans la théorie originale présentée par Bolton et. Al. (2004, 2006, 2007, 2008) et dans la théorie des calculs en couches, et donc le code. Les résultats sont donc exactement les mêmes pour les deux procédures différentes.

Figure 54- Résistance au cisaillement mobilisée moyenne dans chaque couche de chaque zone

Figure 54- Résistance au cisaillement mobilisée moyenne dans chaque couche de chaque zone

De nouveau, comme pour la deuxième étape d’excavation, l’énergie totale des travaux externes et internes pour toutes les zones doit s’accorder l’une avec l’autre et la même procédure itérative que pour la deuxième étape d’excavation est effectuée. Cette procédure itérative donne un état d’équilibre entre le travail externe et interne lorsque le déplacement maximal est supposé être de 6,0 mm.

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DISCUSSION ET RECHERCHE FUTURE

La possibilité d’analyser le degré de résistance au cisaillement mobilisée dans chaque couche à travers la strate du sol impliquée dans le mécanisme de déformation est un outil très puissant pour étudier la mécanique d’une excavation profonde. En étudiant le degré de mobilisation, le concepteur peut s’assurer que le sol n’est pas tombé en panne dans aucune partie du mécanisme de déformation impliqué dans l’analyse. Cependant, le système étudie des valeurs qui sont assez petites et donc un haut niveau de précision est nécessaire pour que l’analyse fonctionne correctement.

En divisant la strate de sol en couches de sol, des possibilités beaucoup plus grandes d’analyse des résultats sont offertes. Une contribution majeure à l’applicabilité de la théorie et du code est la possibilité d’estimer la courbe contrainte-déformation basée sur l’équation présentée par Vardanega et Bolton (2011). La courbe est très sensible aux différents paramètres d’entrée qui entrent dans l’équation, c’est pourquoi le concepteur a de très grandes possibilités de faire de bonnes approximations du profil de résistance au cisaillement dans des cas spécifiques. La sensibilité de l’équation crée cependant également une possibilité d’erreur, qui aura un impact important sur les résultats, si des valeurs d’entrée correctes ne sont pas utilisées.

CONCLUSIONS

La méthode de conception de la force mobilisée est un moyen puissant et simple d’étudier différentes parties de la mécanique de déformation impliquées dans un système d’excavation profonde. Le concepteur est autorisé à étudier la mécanique du mécanisme d’excavation que d’autres outils ne font pas. La conception de résistance mobilisée peut être utilisée comme un outil pour valider les résultats de l’analyse par éléments finis des déformations d’une structure de soutènement et des tassements dans le sol retenu, ou comme un outil pour faire des estimations de départ des déformations que l’on peut attendre de différentes situations d’excavation. La théorie peut également être utilisée pour calculer le facteur de mobilisation dans le sol impliqué dans le mécanisme de déformation. En calculant le facteur de mobilisation, le concepteur est autorisé à étudier la distance de rupture du sol retenu à certaines étapes d’excavation et à certaines profondeurs dans la strate du sol, sans avoir à impliquer des surfaces de glissement.

La théorie elle-même n’est pas complexe et le concepteur n’est pas obligé d’avoir une compréhension approfondie, par exemple des théories complexes des modèles de sol dans l’analyse par éléments finis. Au lieu de cela, la théorie utilise les principes de base de la mécanique des sols pour analyser des défis géotechniques complexes.

Source: KTH
Auteur: William Bjureland

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