Amélioration des sols compressibles: études en vraie grandeur ...

Amélioration des sols compressibles: études en vraie grandeur, modèles physiques et numériques

Márcio Almeida

Professeur des Universités

Ecole d’ingénieur (COPPE)

Université Fédérale de Rio de Janeiro (UFRJ)

[email protected]

INTRODUCTION COLONNES BALLASTÉES COLONNES BALLASTÉES CONFINÉES DEEP SOIL MIXING INCLUSIONS RIGIDES CONCLUSION

OBJECTIFS DE CETTE CONFÉRENCE COULOMB

Vous présenter mes 40 ans d’expérience dans letraitement des argiles molles, avec une attentionparticulière sur les 10 dernières années portantprincipalement sur les remblais sur inclusions,rigides ou semi-rigides.

Almeida, M. , et Marques, M. Design and Performance ofEmbankments on Very Soft Soils. CRC Press, 2013.

2


SOMMAIRE

• Sols extrêmement compressibles: principales

caractéristiques

• Techniques de constructions récentes

• Essais en vraie grandeur, modélisations physiques

et numériques

3


PRINCIPALES ZONES D’ÉTUDES AU BRÉSIL EN GÉNÉRALLes argiles des plaines côtières brésiliennes datent presque toutes du Quaternaireet existent depuis 6000 ans, après le (dernier) épisode glaciaire.

4


PRINCIPES TECHNIQUES D’INVESTIGATIONS POUR LES SOLSEXTRÊMEMENT COMPRESSIBLES

• Tests in situ:

– SPT: disposition des couches et teneur en eau

– Scissomètre (vane borer): Su

– CPTu: profil du sol, Su, ch, (OCR,...)

• Tests en laboratoire*:

– Consolidation oedométrique: paramètre pour lacompression et la consolidation

– Triaxial (CAU): Su (pour le cas d’échantillonsdisponibles)

– Caractérisation du sol et teneur en matière organique

* Piston stationnaire (échantillon φ = 100mm) – Tempsd’attente long mais l’échantillon est conservé 5


SOLS MOUS À RIO DE JANEIRO, AU BRÉSIL

6

Tourbe: matière organique

Argile molle: large quantitée de

coquillage

9m

1m



coquillage

9m

1m



coquillage

9m

1m


Argile molle: large quantité de coquillage

Tourbe: matièreorganiqueTourbe: matière organique


coquillage

9m

1m



coquillage

9m

1m



coquillage

9m

1m


Argile molle: large quantité de coquillage

Argille molleavec coquillage


SOLS COMPRESSIBLES

0 0,2 0,4 0,6 0,80

2

4

6

8

10

12

14

Couche de surface

Cc /(1+ e

0)

Pro

fon

deu

r (m

)

Baroni (2010)Argile légèrement sur-consolidée

0 200 400 600 800 10000

2

4

6

8

10

12

14

w0 (%)

Cc

Données issues de différents sites

Cc = 0,012w0

7


CONSTRUCTION EN ÉTAPES D’UN REMBLAI AUX ÉTAPES, AVEC DRAINS ET RENFORCEMENT

2468

10

Hau

teu

r d

u r

emb

lai (

m)

0 5 10 15 20 25 30

0

1

2

3

4

t (mois)

Tass

emen

t (m

)

Epaisseur d’argile: 8,7 m

Estimation à la date d’installation (7 avril 2006)

2468

10

Hau

teu

r d

u r

emb

lai (

m)

0 5 10 15 20 25 30

0

1

2

3

4

t (mois)

Tass

emen

t (m

)

Analytique

Mesure

Tass

em

en

t (m

)E

pa

isse

ur

du

re

mb

lai (

m)

8


COMPARAISON DES DIFFÉRENTES TECHNIQUES ÉVOQUÉES

9

Springmann et al (2012)

q/Su : contrainte normalisée par la résistance en cisaillement non drainéeδ/H: tassements verticaux normalisés par l’épaisseur


EN RÉSUMÉ LES ARGILES BRÉSILIENNES PEUVENT PRÉSENTER

• Très forte teneur en eau

• Résistance très faible

• Fortement compressible (montrant aussi un

tassement secondaire important)

En conséquence, les solutions pour la construction de

remblais favorisent les réseaux d’inclusions rigides ou

semi-rigides pour permettre d’atteindre les

performances souhaitées dans le délai imparti.

10


COLONNES BALLASTÉES

1. Introduction

2. Etudes numériques: installation des colonnes

3. Essais en vraie grandeur; validation du modèle

numérique

Almeida, M., Lima, B.L, Riccio, M., Jud, H., Cascao, M. et Roza, F. « Stone columnfield test: Monitoring data and numerical analyses ». Geotechnical EngineeringJournal of the SEAGS & AGSSEA 45, no 1 (2014): 1-10.

Almeida, M.S.S., Lima, B. T., Baroni, M., Riccio, M., Almeida, M.C.F. NumericalStudies of Stone Columns Installation in Very Soft Soils. 15th PanamericanConference On Soil Mechanics And Geotechnical Engineering, Buenos AIres,Argentina from 15 to 18 November. 2015. 11


MODÈLE DE L’INSTALLATION DE COLONNE BALLASTÉE

Modèle pour une inclusion isolée

Déplacement radial imposé

Eléments d’interface (0,05m d’épaisseur)

1m

10m

5m

Plateforme10m

12


VALEUR DE K* APRÈS L’INSTALLATION

130 10 20

0

2

4

6

8

10

r/rc

Rap

po

rt

u/S

u

Rapport Δu /Su

à différentes hauteurs dans le modèle

0 2 4 6 8 100.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

1,5m

5,0m

8,5m

9,5m

Castro et Karstunen

Castro et Karstunen

Lima (2012)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0 10987654321 0

Dis

tan

ce v

ert

ica

le (

m)

Distance à l’axe de symétrie (m)

3

2,75

2,5

2,25

2

1,75

1,5

1,25

1

0,75

0,5

0,25

0

Valeur de K*(Modèle 2D configuration axisymétrique)

1,25 ≤ K* ≤ 2,5

re

Site à Barra da Tijuca

0 10 200

2

4

6

8

10

r/rc

Rap

po

rt

u/S

u

Rapport Δu /Su

à différentes hauteurs dans le modèle

0 2 4 6 8 100.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

1,5m

5,0m

8,5m

9,5m

Castro et Karstunen

Castro et Karstunen

Lima (2012)

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0 10987654321 0

Dis

tan

ce v

ert

ica

le (

m)

Distance à l’axe de symétrie (m)

3

2,75

2,5

2,25

2

1,75

1,5

1,25

1

0,75

0,5

0,25

0

Valeur de K*(Modèle 2D configuration axisymétrique)

1,25 ≤ K* ≤ 2,5

re

Site à Barra da Tijuca


RÉSULTAT D’ESSAIS VS MÉTHODE DE PRIEBE’S

14

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150

1

2

3

4

5

6

7

A/Ac (%)

Fact

eur

de

réd

uct

ion

des

tas

sem

ents

51 1

4 1

c c

aC c

A A / A.

A .K . A / A

β

( )β

( )

ρ sans colonne

ρ avec colonneAc

A

0 33'=40°, c sφ υ ,

McCabe et al (2009)


MÉTHODES ANALYTIQUES VS NUMÉRIQUES - SITE 1

15

5020

21

22

23

24

25

26 • Les modèles numérique et analytique sont utilisésseulement pour la couched’argile molle supérieureaméliorée par des colonnesballastées.

• La simulation du tassementdu sol compressible (sans colonnes) est menée enconditions oedométriques

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Contrainte verticale appliquée (kPa)

Fact

eur

Balam et Booker (1985)

Priebe (1995)

Numérique


STOCKYARD À SANTA CRUZ, RJ

19,6

17,6

15,6

8,67,9

1,5

0,30,0

3,0

0,7

Sable

Sable

Argiletrès molle

Argiletrès molle

Couche superficielle

Pro

fon

deu

r z

(m)

23

0 5 10 15 200

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

2223

NSPT

z (m

)

Zone de stockage (minéraux/charbon)

16


EMPLACEMENT DES SITES

Site 1

Colonnes de graveMai lle 2,20 x 2,20m

Colonne de graveMai lle 1,85 x 1,85m

Colonnes de graveMai lle 2,20 x 2,20m

Colonne de grave

Mai lle 1,75 x 1,75m

Colonnes de graveMalha 2,20 x 2,20m

Colonnes de grave – Maille 1,75 x 1,75m

Colonne de grave 1,75 x 1,75m

Seção 8

Site Nord

Site Sud

Stockage de minérai

Site 2

17


SITE 1 - ESSAI EN VRAIE GRANDEUR

Almeida et al. (2014)180 kN/m² appliquée au maximumConsolidation sous chargement croissantTest en déchargement

0 20 40 60 800

50

100

150

200

t (jour)

Ch

arge

men

t (k

N/m

2)

18


SITE 1- ESSAI EN VRAI GRANDEUR

S4 S8

12m

1m

0,85m

Matelas drainant

Argile 1

Sable

Argile

Couche sable

2,6m

6,1m

2,6m

3m

9,9m

3,4m

Dalle en béton (6,5 × 6,5 × 0,4)

Epaisseur / 2 sur la figure

S5 S7

Rails métalliques

19


CARACTÉRISTIQUES PRINCIPALES DU MODÈLE NUMÉRIQUE

Modèles élasto-plastiques pour les sols compressibles et granulaires.

Augmentation de Ko dûe à la mise en place des colonnes ballastées. La valeur de K* = 2 provient d’essais de terrain et permet d’obtenir de meilleurs résultats.

Hypothèse: Consolidation 2D

Conversion 3D 2D pour analyse en déformation plane.

H

Bbcrc

R

(a) Axi-symmetrique (b) Déformation plane

2

2 c

c

rb B

R

Tan et al. (2008)

20


TASSEMENTS – MESURES VS NUMÉRIQUE

0 5 10 15 20 25 30 35

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

t (jour)

Tass

emen

t (m

)

Num – 3D

S5 S8S4S7

0 5 10 15 20 25 30 35

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

t (jour)

Tass

emen

t (m

)

0 5 10 15 20 25 30 35

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

t (jour)

Tass

emen

t (m

)

0 5 10 15 20 25 30 35

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

t (jour)

Tass

emen

t (m

)

0 5 10 15 20 25 30 35

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

t (jour)

Tass

emen

t (m

)

S4 S8

12m

1m

0,85m

Matelas drainant

Argile 1

Sable

Argile

Couche sable

2,6m

6,1m

2,6m

3m

9,9m

3,4m

Dalle en béton (6,5 × 6,5 × 0,4)


S5 S7

Rails métalliques

21


DÉPLACEMENTS HORIZONTAUX – MESURES VS NUMÉRIQUE

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35

Dép

lace

men

t H

ori

zon

tal

(cm

)

t (jours)

3,5 m - Mesuré

3,5 m - MEF 2D - Roza (2012)

3,5 m - MEF 3D

8,0 m - Mesuré

8,0 m - MEF 2D - Roza (2012)

8,0 m - MEF 3D1m

0,85m

Sable

Argile

Couche sable

2,6m

6,1m

2,6m

3m

9,9m

3,4m


8,0

m 3,5

m

22


SURPRESSION INTERSTITIELLE – MESURES VS NUMÉRIQUE

AB

0 10 20 30 40 500

20

40

60

80

100

t (jour)

Surp

ress

ion

inte

rsti

tiel

le (

kPa)

Lecture (terrain)

Numérique (A)

Numérique (B)

Colonne Argile Colonne

Profondeur = 4 m

23


PLASTICITÉ AU DÉBUT ET À LA FIN DU CHARGEMENT

Plastification au début du chargement

Plastification à la fin du chargement

24


MODÉLISATION EN CENTRIFUGEUSE

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 21,7

1,75

1,8

1,85

1,9

Distance par rapport à l'axe de la colonne (m)

Den

sité

sèc

he

app

aren

te (

g/cm

3)

Marqueur emplacement local des colonnes

Tube de remplissage

Tuyau pour la sable

Centrifugeuse de l’ETH

Modification de la densité sèche apparente lors du chargement d’une colonne ballastées dans un massif d’argile

Weber et al (2010)

Bord de la colonne

Limite de la zone densifié

Laser

25

r (g/cm3)

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 21,7

1,75

1,8

1,85

1,9

Distance par rapport à l'axe de la colonne (m)

Den

sité

sèc

he

app

aren

te (

g/cm

3)

Marqueur emplacement local des colonnes

Tube de remplissage

Tuyau pour la sable

Centrifugeuse de l’ETH

Modification de la densité sèche apparente lors du chargement d’une colonne ballastées dans un massif d’argile

Weber et al (2010)

Bord de la colonne

Limite de la zone densifié

Laser

Weber et al. (2010)


CONCLUSIONS SUR LES COLONNES BALLASTÉES

• Densification locale autour des colonnes

• Augmentation du drainage et diminution des tassements

• Validation de modèle numérique sur des sites instrumentés

• Prise en compte du mode d’installation dans les

simulations numériques

• Les modèles analytiques présentent un certain nombre

de limitations

26


1. Principes/ Méthodes analytiques

2. Essais en vraie grandeur

3. Modélisations numérique

COLONNES BALLASTÉES CONFINÉES

Hosseinpour, I., Riccio, M. et Almeida., M. « Numerical evaluation of a granular column reinforced by geosynthetics using encasement and laminated disks ». Geotextiles and Geomembranes 42, no 4 (2014): 363-73.

Almeida, M, Hosseinpour, I.et Riccio, M. « Performance of a geosynthetic-encased column (GEC) in soft ground: numerical and analytical studies ». Geosynthetics International 20, no 4 (2013): 252-62.

Almeida, M., Hosseinpour, I., Riccio, M., et Alexiew, D. « Behavior of Geotextile-Encased Granular Columns Supporting Test Embankment on Soft Deposit ». Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2015. 27


LES COLONNES BALLASTÉES CONFINÉES

RemblaiEffet voûte

Sol mou

Substratum

Colonnes

Contraintesur le sol mou

Géosynthétique de confinement à module élevé et faible fluage

Le géosynthétique s’oppose au mélange entre la colonne ballastée et l’argile environnante

28


SÉQUENCE D’EXÉCUTION DES COLONNES

tr

Extrémité close

Tube

Chemisage

Remplissage avec sable/graves

Extraction du tube sousvibration

Installation achevée

Extrémité ouverteSubstratum

Sol compressible

Mise en place par vibration

29


MÉTHODE ANALYTIQUE (RAITHEL ET KEMPFERT, 2000)

30

Hypothèses:

1- Les tassements en tête de colonne et de sol compressible sont égaux;

2- Les tassements de la couche portante sous les colonnes peuvent être négligés.

3- Dans la colonne, on prend en compte le coefficient de poussée.

4- Le comportement du géotextile de confinement est du type linéaire élastique.

5- Les tassements sont calculés sur le long terme(condition drainée)


ANALYSE NUMÉRIQUE VS MÉTHODE ANALYTIQUE -

31

analyse numérique vs méthodes analytiques

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Tass

emen

t au

niv

eau

du

so

mm

et d

e la

co

lon

ne

(m)

Hauteur du remblai H (m)

FEM

AMHs = 5mHs = 10mHs = 20m

Validation du modèle numérique (Plaxis) / méthode de Raithel de Kempfert (2000)Colonne : critère de rupture type Mohr Coulomb; Sol compressible: loi élasto-

plastique avec écrouissage

H

Hs

δV

analyse numérique vs méthodes analytiques

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

1,80

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Tass

emen

t au

niv

eau

du s

omm

et d

e la

col

onne

(m

)


FEM

AMHs = 5mHs = 10mHs = 20m

Validation du modèle numérique (Plaxis) / méthode de Raithel de Kempfert (2000)Colonne : critère de rupture type Mohr Coulomb; Sol compressible: loi élasto-

plastique avec écrouissage

H

Hs

δV

0

100

200

300

400

500

600

700

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Co

ntr

ain

teve

rtic

ale

(kPa

)


FEM

AM

σS

σC

H

Hs

σc σS

0

100

200

300

400

500

600

700

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Cont

rain

teve

rtic

ale

(kPa

)


FEM

AM

σS

σC

H

Hs

σc σS

TASSEMENTS CONTRAINTES


ANALYSE NUMÉRIQUE –TASSEMENTS DIFFÉRENTIELS À LA BASE DU REMBLAI

Remblai

Argile

Colonnechemisée

Maillage déformée

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0

Tass

emen

t (m

)


Soft Soil

Encased column

Sol compressible

Colonne ballastée chemisée

AB

32

A

B


ESSAI EN VRAI GRANDEUR - STOCKYARD À SANTA CRUZ, RJ

1,50m

1,50m

1,00m

1,35m

GEC

1

1Géogrille

s = 2m

dc= 0,8 m

6,5 m

11m

H = 5,35m (150 kPa)

γd = 28 kN/m3

Maillage carré 6 6 inclusions

1,50m

1,50m

1,00m

1,35m

GEC

1

1Géogrille

s = 2m

dc= 0,8 m

6,5 m

11m

H = 5,35m (150 kPa)

γd = 28 kN/m3

Maillage carré 6 6 inclusions

33


INVESTIGATION SUR SITE

34

0 50 1000

2

4

6

8

10

Résistance en cisaillement non drainé Su (kPa)

Pro

fon

deu

r (m

)

CPTu 1

CPTu 2

CPTu 3

T-bar 1

T-bar 2

T-bar 3

Triaxiaux CU

Profil de la résistance non drainée (Su) et taux de compressibilité (CR) obtenus à partird’essais sur le terrain et en laboratoire

0

2

4

6

8

10

0 0,2 0,4

Dep

th (

m)

CR= Cc / (1+e0)

Average CR= 0,3

Plateforme de travail

Argile molle 1

Argile molle 2

Plateforme de travail

Argile molle 1

Argile molle 2

15 kPa


PARAMÈTRES DE LA MODÉLISATION NUMÉRIQUE AXISYMÉTRIQUE

Remblai

Plateforme

Argile (c1)

Argile (c2)

Sable dense

Argile (c3)

Sable dense

bc = 0,8m, α = 12,5%, J = 1750 kN/m

4 phases pour la montée du remblai

Modèle numérique: Remblai + colonne +

plateforme et sable dense (élasto-plastique avec

critère de rupture de Mohr Coulomb)

Argile (Cam Clay)

35


TASSEMENTS – MESURES VS NUMÉRIQUETassement en fonction de la hauteur du remblai

Tassement en fonction de la hauteur du remblai

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

600

0 30 60 90 120 150 180 210 240

Tass

em

en

t (m

m)

t (jour)FEA (encased column)

FEA (surrounding soil)

Measured (S1)

Measured (S2)

Total applied stress

2

4

6

Fin de la construction

Mesure (S1)

Mesure (S2)

EF (Sol compressible)EF (Colonne confiné)

Contrainte totale

Epai

sseu

r H(m

)

36


ÉVOLUTION DE LA SURPRESSION INTERSTITIELLE

6 m

0 50 100 150 200 2500

10

20

30

40

50

60

t (jour)

u

(kP

a)

Mesure (PZ2)

Numérique

37


CONTRAINTES VERTICALES

0 50 100 150 200 2500

50

100

150

200

250

300

t (jour)

Co

ntr

ain

te v

erti

cale

su

r la

co

lon

ne

(kP

a)

Mesuré (CP2)

Mesuré (CP4)

σC

σS

Remblai

Mesure (CP3)

Numérique

38


DÉFORMATION DE LA COLONNE BALLASTÉE

t (jour)

Déf

orm

atio

n d

e la

co

lon

ne

Δd

c(m

m)

1,0mGEC

Plateforme granulaire

E

D

C

20 mm

19 mm

18 mm

17 mm

16 mm

15 mm

14 mm

13 mm

12 mm

11 mm

10 mm

9 mm

8 mm

0,8m

Argile molle

39


Comportement des colonnes ballastées

Contrainte élevée en tête

Faible tassements

Réduction des déformations/ remblais renforcés

Modélisations numériques

Utilisation recommandée des modèles 2D à configurationaxisymétrique

Concordance entre les résultats numériques et analytiques (quisont cependant limités).

CONCLUSIONS SUR LES COLONNES BALLASTÉES CONFINÉES

40


1. Résultats d´essais en vraie grandeur

2. Modèle numérique

Deep Soil Mixing

Falk, E., M. Felix, et T. Koehler. « Deep Soil Mixing trials at Porto Alegre airport, Brazil », 2015, 10.

41


DSM – MÉTHODE D‘EXÉCUTION

Méthode humide

42


AÉROPORT INTERNATIONAL – PORTO ALEGRE

Terminal de Fret

8480 collonnes

Taux de couverture = 8%

43

Remblai de surcharge

2,5m

1,0m

2,2m

Argile molle

DSM

Remblai compacté Géogrille

DSM

2,5m

0,8m

Remblaiexistant


CARACTÉRISTIQUES DU SOL COMPRESSIBLE

0 5 10 15 20 25 30 35 400

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

N SPT

Pro

fon

deu

r (m

)

Remblai

Argile grise très molle

Sable fin moyen compact

Epaisseur moyenne de remblai: 2,5 mEpaisseur moyenne d’argile à SPT < 4: 8 m

Prof 5-7 m

Cc/(1+e0) 0,43

ϒ (kN/m3) 13,5

Cv (m²/s) 6,5×10-7

Su (kPa) 7,7

ω (%) 94

Ip (%) 34,8

Profil géotechnique typique

44


TEST DE LABORATOIRE SELON LA TENEUR EN CIMENT

0 5 10 15 20 25 300

0,5

1

1,5

2

2,5

Temps de repos (j)

Rés

ista

nce

en

co

mp

ress

ion

sim

ple

(M

Pa)

300 kg/m3

350 kg/m3

450 kg/m3

500 kg/m3

Paramètre du sol Interval

Teneur en eau (%) 73 - 94

IP (%) 35 - 42

Poids apparent du sol (kN/m3) 14,1 – 15,6

Teneur en Matière Organique (%) 9 - 13

45

CONTRÔLE DE LA QUALITÉ IN SITU

Compression simple après leurs exécutions

teneur de matière organique 9%-13%


MÉTHODES D’EXÉCUTION

(a) Stade final de l’exécution d’une colonne DSM

(b) Nettoyage après la mise en place des colonnes

(c) Installation de géogrilles (avec protection géotextiles sur la surface des colonnes)

(d) Mise en place de la géogrille













(a) Etape finale de l’exécution d’une colonne DSM


(c) Installation de géogrilles (avec une protection de géotextiles au niveau des colonnes


46


TASSEMENTS – SITE INSTRUMENTÉ

0,000

0,010

0,020

0,030

0 30 60

Tass

emen

t (m

)

t (jour)

PR6

PR8

PR9

Analyse numérique

47


CONTRAINTES VERTICALES

L’instrumentation du chantier a permis de mettre en évidence l’augmentation significative des contraintes sur des colonnes pour un rapport de 3,5 en moyenne.

CP6

CP1

CP4CP5

Analyse numeriqué

48

zone de chargement

/déchargement

Argile molle

DSM

Sol compactéCP1

CP5

CP6CP4


CONCLUSIONS SUR DEEP SOIL MIXING

Méthode récente au Brésil

Résultats satisfaisants, même pour des argiles à forte

teneur de matière organique

Validation en cours d’un modèle numérique

49


1. Essai en vraie grandeur

2. Modélisation physique

3. Modèles analytiques et numériques

Remblai sur pieux

Blanc, M., Rault, G., Thorel, L. et Almeida, M. « Centrifuge investigation of load transfer mechanisms in a granular mattress above a rigid inclusions network ». Geotextiles and Geomembranes 36 (2013): 92-105. Blanc, M., Thorel, L., Girout, R. et Almeida, M. « Geosynthetic reinforcement of a granular load transfer platform above rigid inclusions: comparison between centrifuge testing and analytical modelling ». Geosynthetics International 21, no 1 (2014): 37-52. Fagundes, D., Almeida, M., Girout, R., Blanc, M. et Thorel, L. « Centrifuge modelling of unreinforced piled embankments ». Geotechnical Engineering, 2015.Girout, R., Blanc, M., Dias, D. et Thorel, L. « Numerical analysis of a geosynthetic-reinforced piled load transfer platform – Validation on centrifuge test ». Geotextiles and Geomembranes 42, no 5 (2014): 525-539

50


DISPOSITION GÉNÉRALE DES REMBLAIS SUR INCLUSIONS RIGIDES RENFORCÉS PAR GÉOSYNTHÉTIQUE

H/(s-a)

Epaisseurdu

remblai H

(m)

Entre-axe sdes

inclusions

(m)

Largeurdes

dallettes a

(m)

Taux de couverture

α(%)

Nbde

sites

0,7 - 2,0 1,2 - 3,6 2,0 - 2,8 0,8 - 1,2 10,2 - 25,0 8

2,6 - 4,2 3,6 - 6,0 2,0 - 2,4 0,5 - 1,1 6,3 - 31,9 6

6,9 - 12,2 9,0 - 1,0 1,7 - 1,8 0,5 - 0,8 7,7 - 22,1 2

HRemblai

Dallette

Géogrille

s

Sol compressible

s-a

a

A

Ac

a

s

HRemblai

Dallette

Géogrille

s

Sol compressible

s-a

a

Epaisseur duremblaiH (m)

Entre-axe sdes inclusions

(m)

Largeur desdallettes a

(m)

Taux de couverture

α = Ac/A (%)

1,0 – 9,0 1,7 – 2,8 0,5 – 1,2 6,3 – 31,9


REMBLAIS SUR INCLUSIONS RIGIDESSite 1 (2000 inclusions)

Site 2 (10000 inclusions)

52


TASSEMENTS MESURÉS – SECTEURS EXCAVÉS ET NON-EXCAVÉS (SITE1)

0,5

1

1,5

Hau

teu

r d

u r

emb

lai (

m)

0 20 40 60 80 100 120 140

0

0,1

0,2

0,3

0,4

Tass

emen

t (m

)

t (jours)Fin de la construction du remblai

Secteur excavé

Secteur non-excavé

Secteur non-excavé

Secteur excavé

géogrille

Excavation

2,50 m

0,80 m

1,00 m

1,25 m

53


INSTRUMENTATION SUR LE SITE 1

ε11 ε12

ε3

ε9

ε10

ε7

ε8

ε6

ε5

ε2

ε1Dispositif de mesure de la déformation du géosynthétique

Ressort Jauge de déformation

Répartition des jauges de déformation

Almeida et al (2007)

géogrille

Excavation

2,50 m

0,80 m

1,00 m

1,25 m

ε11 ε12

ε3

ε9

ε10

ε7

ε8

ε6

ε5

ε2

ε1

Bord des dallettes Bandelette Centre de la maille

ε1 ε2 ε3 ε6 ε10 ε7 ε8

2,05% 1,73% 1,50% 1,50% 1,36% 1,14% 0,97%

54


CONSIDÉRATIONS ANALYTIQUES

55

Distribution uniforme des contraintes verticales (uni)

Distribution triangulaire des contraintes verticales (tri)

Distribution triangulaire inversée des contraintes verticales (inv)

Etape 1: Calcul des efforts transmis directement sur les inclusions

Plusieurs auteurs peuvent être cité, parmi lesquelsHewlett et Randolph (1988)Zaeske (2001)Van Eekelen et al (2013)

Etape 2: Déformation du géosynthétique


UTILISATION DANS LES MODÈLES ANALYTIQUES

56

Modèle CA , distribution triangulaire inversée des contraintes

Van Eekelen et al. (2015)

0 1 2 3 40

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Déformation du géosynthétique mesurée (%)

Déf

orm

atio

n d

u g

éosy

nth

étiq

ue

calc

ulé

e (%

)

Données Almeida

Almeida et al (2007) Rio de Janeirovan Eekelen et al. (2012c) –Site de WoerdenHuang et al (2009) Finlande

0 1 2 3 40

1

2

3

4

Déformation du géosynthétique mesurée (%)Déf

orm

atio

n d

u g

éosy

nth

étiq

ue

calc

ulé

e (%

)


TASSEMENTS AU SOMMET ET À LA BASE DU REMBLAI

57

Δumax

Δω

Géogrille déformée Vide


MODÈLES RÉDUITS

58

Division des efforts en 3 termes• Effet voûte • Mobilisé par l’effet membrane • Transmis au sol compressible

Essais sur modèles réduits centrifugés (N = 20) (avec l’IFSTTAR - GERS Géomatériaux et Modèles Géotechnique)

Par défaut, X: grandeur prototype ((p))(X(m): grandeur modèle)

Matelas granulaire

Réseau d’inclusion

Matelas

Réseau d’inclusion

Plateau

Anneau

1m

Ø0,9m

Dallette

Effet voûte

d

s

a

(2)

(1)

(1) Anneau(2) Plateau


ETUDES PARAMÉTRIQUES SUR MODÈLES RÉDUITS

59

α : 2 gammes de valeurs• 1,23% ≤ α ≤ 4,91%• 9,88 ≤ α ≤ 19,63%

• Non renforcé• Avec géosynthétique (Ja

(p) = 4MN/m et 16,8MN/m)

Matelas

De 3 à 6 épaisseurs Hsuivant le cas(avec/sans surcharge)

a(p) = 0,5m et 1m.

H

Matelas

Inclusion (25 mm)

Plateau mobile

Géosynthétique

Laser (déplacement)

Capteur de force

(1)

(2)

(5)(4)

(6)

(3)

(1) Laser (tassement)(2) Matelas(3) Géosynthétique(4) Plateau(5) Capteur de force(6) Inclusion

H

α : 2 gammes de valeurs• 1,23% ≤ α ≤ 4,91%• 9,88% ≤ α ≤ 19,63%a(p) = 0,5m et 1m

De 3 à 6 épaisseurs H suivant le cas (avec/sans surcharge)• Non renforcé• Avec géosynthétique • (Ja = 4MN/m et 16,8MN/m)

(1) Laser (tassement)(2) Matelas(3) Géosynthétique(4) Plateau(5) Capteur de force(6) Inclusion

: taux de couverture

2 gammes de valeurs

1,23 ≤ ≤ 4,91%

9,88 ≤ ≤ 19,963%

a = 0,5 m et 1 m

Épaisseurs H:

entre 1m et 7 m

Non renforcé

Renforcé: J = 4 MN/m et

16,8 MN/m

(1) Laser (tassement)

(2) Matelas

(3) Géosynthetique

(4) Plateau

(5) Capteur de force

(6) Inclusion


REMBLAIS NON RENFORCÉS – EFFICACITÉ VS HAUTEUR

0 0,2 0,4 0,60

20

40

60

80

100

Effi

caci

té E

F (%)

Déplacement (m) du plateau0 5 10 15 20 25

0

20

40

60

80

100

Taux de couverture (%)Ef

fica

cité

max

imal

e E F

ma

x(%)

Cas: = 9,88 % (s(p) = 2,82 m; a(p) = 1 m)

• Augmentation du transfert de charge lors du déplacement du plateau (jusqu’au pic)• Influence de l’épaisseur sur le transfert de charge maximum et les tassements

différentiels

EF = (Charge moyenne dans une inclusion)/ (Efforts sur une maille du sol compressible)

0,33 ≤ H/(s – a) ≤ 0,6 0,99 ≤ H/(s – a) ≤ 1,2 1,67 ≤ H/(s – a) ≤ 1,8 2,13 ≤ H/(s – a) ≤ 3,3 3,96 ≤ H/(s – a) ≤ 7,2

*

H = 1m

H = 1,8m

H = 3,2m

H = 5m

H = 7,2m

Cas: = 9,88 % (s = 2,82 m; a = 1 m)

• Augmentation du transfert de charge lors du déplacement du plateau (jusqu’au pic)

Qs

2Qp

qsc

s2

Qs

2

a

qsc: Sobrecarga

qat: Carga do aterro

Qs: Força atuante no solo mole

Qp: Força atuante na estaca

qat

s2

AHq

Q

Q

QE

sc

pp

60


REMBLAIS NON RENFORCÉS – EFFICACITÉ MAXIMALE

0 0,2 0,4 0,60

20

40

60

80

100

Effi

caci

té E

F (%)

Déplacement (m) du plateau0 5 10 15 20 25

0

20

40

60

80

100

Taux de couverture (%)

Effi

caci

té m

axim

ale

E F m

ax(%

)

Cas: = 9,88 % (s(p) = 2,82 m; a(p) = 1 m)

• Augmentation du transfert de charge lors du déplacement du plateau (jusqu’au pic)• Influence de l’épaisseur sur le transfert de charge maximum et les tassements

différentiels

EF = (Charge moyenne dans une inclusion)/ (Efforts sur une maille du sol compressible)

0,33 ≤ H/(s – a) ≤ 0,6 0,99 ≤ H/(s – a) ≤ 1,2 1,67 ≤ H/(s – a) ≤ 1,8 2,13 ≤ H/(s – a) ≤ 3,3 3,96 ≤ H/(s – a) ≤ 7,2

*

H = 1m

H = 1,8m

H = 3,2m

H = 5m

H = 7,2ma

61• Influence de l’épaisseur sur le transfert de charge maximum


INFLUENCE DU RENFORCEMENT GÉOSYNTHÉTIQUE

δg: Déplacement vertical du géosynthétique (n’étant plus au contact du plateau)

Δumax

Δω

H = 5m

S = 2m

a=0,5m

62

0 0,2 0,4 0,60

20

40

60

80

100

Eff

ica

cité

EF (

%)

Déplacement (m) du plateau

δg

avec GR

sans GR


EF amélioré = E Fmax(AVEC GR) – E Fmax

(SANS GR)

Config. s (m) a (m) s–a (m)

2 4 1 3

3 2,82 1 1,82

4 2 1 1

J1 = 4 MN/m and J2 = 16,8 MN /m

AMÉLIORATION DE L’EFFICACITÉ AVEC RENFORCEMENT

a

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

E F a

mél

ioré

[%]

H [m]

Config. 2 - J1

Config. 2 - J2

Config. 3 - J1

Config. 4 - J1

63


CALCULS ANALYTIQUES VS MODÉLISATION PHYSIQUE - SANS RENFORCEMENT

EBGEO: Norme basé sur les travaux de Zaeske (2001) proposant un transfert de charge par voûtes hémisphériques à surfaces non concentriques

Van Eekelen (VE): Méthode de transfert tridimensionnelle par arches hémisphériques concentriques, distinguant une zone entre les inclusions d’une part, les bandelettes entre deux inclusions d’autre part.

0 2 4 6 80

20

40

60

80

100

H (m)0 2 4 6 8

0

20

40

60

80

100

H (m)

EF

(%)

EF

(%)

Test

Test

s = 4,0m; a = 0,88m ; α = 4,91% s = 2,0m; a = 0,88m; α = 19,63%

EBGEO

vE

EBGEO

vE

64


TASSEMENTS DIFFÉRENTIELS – REMBLAIS NON RENFORCÉS

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,60

5

10

15

20

25

30

35

40

Tass

emen

t d

iffé

ren

tiel

C-P

(cm

)


H = 1 m

H = 1,8 m

H = 3,2 m

= 9,88 % ; s = 2,82 m; a = 1m; q0 = 0 kPa

Tass

em

ent

dif

fére

nti

el Δ

u (

m)

Δumax

Δω

H

s = 2,82 m

a=1m

• Influence de l’épaisseur sur les tassements différentiels 65


0 1 2 30

2

4

6

8

10

12

14

s'/a

H/a

(a)

(b)

(Fagundes et al., 2014)

H = 1 m

H = 1,8 mH = 3,2 mH = 5 mH = 7,2 m

s’s-a

Tass. diff. ≠ 0 0

McGuire et al. (2012)

TASSEMENTS DIFFÉRENTIELS - REMBLAIS NON RENFORCÉS

66


RAIDEUR VS DÉPLACEMENT DU RENFORCEMENT

Le déplacement vertical du géosynthétique augmente lorsque la raideur du renforcement diminue.

0 2 4 6 80

0,1

0,2

0,3

0,35

H (m)

g (

m)

J = 4 MN/m

J = 16,8 MN/m

s = 2m; α = 4,91%; q0 = 0 kPa; a = 0,5m

δgH

s = 2 m

a=0,5m

67


MODÉLISATION NUMÉRIQUE (EF)

②

2D déformation plane 2D configuration axisymétrique 3D

Inclusion

Plateau

Remblai

Plateau et Inclusion infiniment rigideGéosynthétique élastiqueLoi de comportement élasto-plastique avec écrouissage pour le matelas 68


VALIDATION DU MODÈLE NUMÉRIQUE

0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,300

10203040

50607080

90100


Effi

caci

té E

F (%)

Exp.

2D-PS

2D-Axi

3D (1/4)

E50 27 MPa

Eoedo 31,5 MPa

Eur 160 MPa

c 0°

ϕ 43°

ψ 9°

Ja 4 MN/m

Peu de différence entre des modèles bi-dimensionnels en configurations axisymétriques et tri-dimensionnels au centre du remblai

H = 1,0m; s = 2m; q = 80kPa

69


CONTRAINTES VERTICALESTASSEMENTS DU SOL COMPRESSIBLE IMPOSÉS

700 0,2 0,4 0,6 0,8 1-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

200

200600

Distance r (m) à l' axe de l'inclusion

Ha

ute

ur

z (m

) dan

s le

mat

elas

zz

(kPa)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

50100

Concentration des contraintes verticales au droit de l’inclusion et sur une petite section du géosynthétique

H = 1m;s = 2m;a = 0,5m;

σzz0 = 100 kPa

q0 = 80 kPa;

Ja = 4 MN/m

Concentration des contraintes verticales sur l’inclusion et sur une petite section du géosynthétique


• Transfert de charge à la base du remblai

- augmente avec l’épaisseur, le taux de couverture

- diminution des tassements différentiels pour des épaisseurs élevées

- mobilisation de l’effet membrane pour un remblai renforcé

• Répartition des contraintes verticales à la base du remblai

• Limite des méthodes analytiques basées sur la déformation d’une bandelette

CONCLUSIONS - REMBLAIS SUR INCLUSIONS RIGIDES

71


CONCLUSIONS GÉNÉRALES

Mécanismes de transfert de charge:

– effet voûte: hauteur minimum de remblai; taux de

concentrations des contraintes mesurées in situ entre 2,3 et

3,5

– effet membrane: le géosynthétique améliore le transfert de

charge

– support du sol au dessus du remblai: négligeables pour les

sols très compressibles

Dimensionnement analytiques

– Existant pour la plupart des techniques , sous forme simplificatrice

72


CONCLUSIONS GÉNÉRALES

Colonnes ballastées (conventionnelles/confinées)

– rôle de drainage radial

– taux de couverture 12% ≤ α ≤ 23%

Inclusions rigides

– Effort importants repris en tête

– Hauteur critique de tassement : 4 m

Calculs numériques complémentaires

– peuvent être utilisés pour des géométries et chargement particuliers

– Prise en compte de l’effet d’installation par une augmentation du coefficient de pression des terres

73

REMERCIEMENTS

Je souhaiterais remercier les étudiants, les doctorant(e)s et post doctorant(e)s, dont les travaux sont utilisés dans cette présentation.

Cette présentation a été réalisée avec le soutien de Dr. Romain Girout(Post-Doctorant au Brésil)

Je souhaite remercier le CFMS pour cette invitation à la conférence Coulomb, et notamment sa vice-présidente Valérie Bernhard pour le soutien logistique.

Je voudrais également remercier mes collègues et amis : DR Luc Thorel, Prof. Daniel Dias, McF Orianne Jenck, Dr Bruno Simon et McF Laurent Briançon.

Ainsi que les sociétés Keller, Huesker et le groupe Thyssen pour leurs soutiens dans la préparation de cette conférence.

Et aux agences de CNPq, CAPES, FAPERJ pour leur soutien à mes recherches pendant les 40 dernières années.

74

RÉFÉRENCES

• Colonnes ballastées Castro, J. e Karstunen, K. “Numerical simulations of stone column

installation.” Canadian Geotechnical Journal. 2010; 47 (10):1127–1138.

Springman, S.M; Laue, J.; Askarinejad, A.; Gautray, J.N.F. On the Designof Ground Improvement for Embankments on Soft Ground. Proceedingsof the International Conference on Ground Improvement & GroundControl:Transport Infrastructure Development and Natural HazardsMitigation. IV. I, CGI - 2012.

Tan, S. A., Tjahyono, S. e Oo, K. K. (2008). “Simplified plane-strainmodeling of stone-column reinforced ground.“ Journal of Geotechnicaland Geoenvironmental Engineering, 134, No. 2, 185–194.

Weber, T.M., M. PLöTZE, J. Laue, G. Peschke, et Springman, S. « SmearZone Identification and Soil Properties around Stone ColumnsConstructed in-Flight in Centrifuge Model Tests ». Géotechnique 60, no 3(2010): 197-206.

75

RÉFÉRENCES

• Colonnes ballastées confinées Hosseinpour, I, Almeida, M.S.S., Riccio, M. (2015). Full-scale load test

and finite element analysis of soft ground improved by geotextile-encased granular columns. Geosynthetics International, (In press).

Raithel, M., Henne, J, 2000, "Design and numerical calculation of a damfoundation with geotextile coated sand columns", Proceeding of the 4thInternational Conference on Ground Improvement Geosystems, pp.1-8.

Raithel, M., Kempfert, H.G., 2000, "Calculation models for damfoundations with geotextile coated sand columns", Proceeding ofGeoEngineering, Melbourne, pp. 347.

• Remblais sur inclusionsGirout, R., Blanc, M., Dias, D. et Thorel, L. « Numerical analysis of a

geosynthetic-reinforced piled load transfer platform – Validation on centrifuge test ». Geotextiles and Geomembranes 42, no 5 (2014): 525-539.

76

RÉFÉRENCES

• Remblais sur inclusionsHewlett, W.J, et M.A. Randolph. « Analysis of piled embankments ».

Ground Engineering 21, no 3 (avril 1988): 12-18.

Van Eekelen, S.J.M., A. Bezuijen, et A. F. van Tol. « An analytical model for arching in piled embankments ». Geotextiles and Geomembranes 39 (août 2013): 78-102.

Van Eekelen, S. J. M., A. Bezuijen, et A. F. van Tol. « Validation of analytical models for the design of basal reinforced piledembankments ». Geotextiles and Geomembranes 43, no 1 (février 2015): 56-81.

Zaeske, D. « To see the effect of non-reinforced and proven mineral base courses over pale like Gründungselemnte. » Geotechnical Engineering, 2001

Zhuang, Y. & Ellis, E. (2014). Finite-element analysis of a piledembankment with reinforcement compared with BS 8006 predictions. Geotechnique 64, No. 11, 910–917

77

Merci de votre [email protected]

78

QUESTIONS

79

Amélioration des sols compressibles: études en vraie grandeur ...

Documents

Transcript of Amélioration des sols compressibles: études en vraie grandeur ...