Apport de la simulation numérique dans des problèmes … · phénomènes sur la stabilité des...
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Apport de la simulation numérique dansdes problèmes de stabilité de pente
Collin F., Charlier R., Dizier A., Masekanya J.P., Sch roeder Ch.University of Liège – ArGEnCo Department
GéoSciences – Session Géorisques
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Plan:
Introduction
Influence de l’état de contrainte et de la succion
Stabilité d’une paroi rocheuse
Conclusions
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Introduction
Bierset (Belgium) 1998 – Courtesy C. Schroeder
Human-made slope along E42 exit road
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Introduction
Méthodes classiques de mécanique des sols
Notion de coefficient de sécurité
Prise en compte de l’eau
Effets de saturation partielle
RF
S
MS
M=
Extension éventuelle
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Introduction
Méthodes classiques de mécanique des sols
Hypothèse sur la ligne de rupture
Modèle rigide plastique
Critère de rupture de Mohr-Coulomb
Pas de prise en compte de l’état de contrainte initial
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Introduction
Méthode des éléments finis en stabilité des pentes
Pas d’hypothèses sur la ligne de rupture
Prise en compte de la déformabilité
Différents modèles de comportement
Prise en compte de l’état de contrainte initial
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Introduction
Méthode des éléments finis en stabilité des pentes
Pas de notion directe de coefficient de sécurité
Prise en compte de l’eau
Effets de saturation partielle
Méthode de phi-c réduction : pp et réduction
n
Fc
cc
S=
n
FS φ
φφ =
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Introduction
Norme des vitesses
Déformation déviatoriqueéquivalente cumulée
Incrément de la déformationdéviatorique équivalente
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Outline:
Introduction
Influence de l’état de contrainte et de la succion
Stabilité d’une paroi rocheuse
Conclusions
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Influence de l’état de contrainte initial
10 m
70°
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Influence de l’état de contrainte initial
Influence de l’état de contrainte dans un talus sur sa stabilité d’un point de vue purement mécanique (Dizier A.)
Talus déjà en place Remblai Déblai
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Influence de l’état de contrainte initial
Coupe 2
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Influence de l’état de contrainte initial
Analyse à la rupture : Critère de Mohr-Coulomb
Méthode réduction pour déterminer coefficient de sécurité F
Talus déjà en place
F = 1,732
Remblai
F = 1,744
Déblai
F = 1,744
φ−c
- profil de rupture identique : pieds de talus
- coefficient de sécurité identique
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Influence de la saturation partielle
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Influence de la saturation partielle
Etude de talus en condition de saturation partielle
Besoin de connaître le comportement des sols non-saturés
Aspect hydrique (Courbe de rétention, perm. Relative)
Aspect mécanique
Campagne expérimentale sur des limons
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Influence de la saturation partielle
Essais oedométriques à succion contrôlée (Méthode osmotique)
Limon d’Hesbaye
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Influence de la saturation partielle
Essais triaxiaux saturés et non saturés
Limon d’Hesbaye
600400
200
-50
0
50
100
150
200
250
0 2 4 6 8 10 12 14
600
400
200
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 2 4 6 8 10 12 14
∆u (kPa) q
εaxial(%)
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Influence de la saturation partielle
Essais oedométriques à succion contrôlée (Méthode osmotique)
Essais triaxiaux à succion contrôlée (Méthode de surpression d’air)
Augmentation de la contrainte de préconsolidation apparente
Augmentation de la raideur plastique
Augmentation de la cohésion apparente
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Influence de la saturation partielle
Variation linéaire (2)
Evolution de la cohésion apparente - Nouveaux essai s du CSTC
ca = 0,5974.s
ca = 0,4175.s
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Succion (kPa)
Coh
ésio
n ap
pare
nte
(kP
a)
Profondeur < 2,25 m
Profondeur > 2,25 m
Linéaire (Profondeur < 2,25 m)
Linéaire (Profondeur > 2,25 m)
Interprétation des essais en terme de cohésion apparente
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Influence de la saturation partielle
• Connaissant le profil hydrique pw = pw(x,z) et l’état de saturation de la fouille au temps t
établir en tout point du massif le profil ca(x,z) ou σ’(x,z)étudier la stabilité du talus par application de la méthode c-ϕréduction.
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
1/06/04 11/06/04 21/06/04 1/07/04 11/07/04 21/07/04 31/07/04
Temps (jours)
Plu
ie -
infil
trat
ion
(mm
)
PluieOudin : modèle simplifiéPenmanPenman-MonteithCSTCMoyenne
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Influence de la saturation partielle
0
2
4
6
8
10
12
14
0 20 40 60 80 100
Succion (kPa)
z (m
)
Etat de succion initial (ULg)
Mesure (1/06/04)
Modèle ULB 1 (s-idéls-pF2,5)
Modèle ULB 2 (s-idéls-pF2,7)
Profil initial de succion : ULB -ULg
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Influence de la saturation partielle
Cohésion apparente
Avec I/EP sur paroi verticale Etat initial Avant pluie Rupture in situ
Evolution linéaire (1) 1,48 / 2m 1,98 / 2,3m 1,327 / 1,5m
Evolution logarithmique 1,6 / 2,2m 1,653 / 1,8m 1,521 / 2,1m 'c = 8 kPa et
'φ = 29°
Evolution linéaire (2) 1,735 / 2,3m 2,574 / 2,6m 1,332 / 1,5m
Evolution linéaire (1) 1,415 / 2,1m 2,327 / 2,7 m <1
Evolution logarithmique 1,637 / 2m 1,699 /2,1m 1,476 / 2m 'c = 1 kPa et
'φ = 32,2°
Evolution linéaire (2) 1,327 / 1,5m 2,011 / 2,7 m <1
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Outline:
Introduction
Influence de l’état de contrainte et de la succion
Stabilité d’une paroi rocheuse
Conclusions
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Carrière Walch – Schou
• en rive gauche de la Sûre• en bordure de la RN 27• exploite les quartzites (et schistes et grès) de l’Emsien inférieur
Eboulements
• en 1977
• en 1997 : estimation à +/- 5000 m3 . Origine vraisemblable : suppression de la dalle de quartzite présente à la surface du versant, entraînant le glissement du colluvium situé à l'arrière de la dalle.
• évolution continue depuis 1997• adoucissement du profil• comblement du pied de talus contre la risberme• trajectoire de gros blocs jusqu’à la Sûre• éboulement à la partie ouest• la dalle de quartzite dans les parties centrale et ouest,
est actuellement dans un état de stabilité précaire.
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Plane strain/Plane stress problem
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Objectif
Quantifier les possibilités d'éboulement après la suppression de la dalle, afin de permettre d’évaluer l’aléa et le risque et d’envisager des remédiations.
Etudes
• campagne de reconnaissances complémentaires :• forage destructif• tomographie sismique : préciser la structure et l'état de compacitéde la roche située à l'arrière de la dalle de quartzite• lever topographique
• modélisation du massif• étude de la stabilité du massif • quantification des volumes rocheux susceptibles de s'ébouler
suite à la suppression de la dalle de quartzite
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Répartition en 3 catégories en fonction des vitesses des ondes de compression
• V < 1000 m/s : colluviumroche très altérée, ameublie
• 1000 < V < 2000 m/s : bed-rockaltéré et fracturé
• 2000 < V : bed-rock moyennement compact
Sud Nord
Note : La résolution de la méthode et la disposition des raisne permettent pas de mettre en évidence la dalle dequartzite
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Modélisation
4 matériaux
• propriétés déterminées sur base de• observations de terrain• données existantes• paramètres de RocLab
• c et phi définis via le critère de Hoek & Brown (et RocLab)
matériauc phi gamma
kPa ° kN/m3
1 bedrock sain 10000 60 25
2 bedrock altéré 320 36 25
3 colluvium 10 30 23
4 quartzite 1800 58 27
5 terrain remanié 50 10 25
6 diaclase dans quartzite 380 31 n.a.
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Calculs effectués:
Caractéristiques du colluvium sont si faibles qu’il n’est pas possible de les diminuer.
Tous les calculs ont été réalisés avec une dalle de quartzite sans diaclase.
Cas 1_3: Réduction de la résistance uniquement dans le bedrock altéré et la dalle dequartzite.
Cas 1_2: Réduction de la résistance uniquement dans la dalle de quartzite.
Etude de la rupture globale d’ensemble (CG3)
Etude de la rupture dans le colluvium (CG2)
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Cas 1_3: réduction dans bed rock altéré et quartzite
Norme des vitesses de déplacements
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Cas 1_3: réduction dans bed rock altéré et quartzite
Déformation de cisaillement
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Cas 1_2: réduction dans quartzite
Norme des vitesses de déplacements
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Stabilité d’une paroi rocheuse
Cas 1_2 : réduction dans quartzite
Déformation de cisaillement
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Stabilité d’une paroi rocheuse
2.271.982.282.30CG3dalle quartzite
5.213.063.754.35CG2Cas avec
El. FinisJanbu 1ère it.BishopFellenius
Coefficient de sécurité
Très bonne concordance entre les deux approches
Lignes de rupture très proches
Coefficient de sécurité du même ordre de grandeur
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Outline:
Introduction
Influence de l’état de contrainte et de la succion
Stabilité d’une paroi rocheuse
Conclusions
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Conclusions
Les modélisations par éléments finis permettent d’étudier l’effet de nombreux phénomènes sur la stabilité des pentes
Cette source d’information a cependant un prix, il est nécessaire de définir:
La loi de comportement mécanique (étendue au non saturé)
Les propriétés hydrauliques
Mais avant tout cela, il est nécessaire de définir la géométrie du problème, la nature des différentes couches et les conditions hydriques initiales:
Cette tâche demande des interactions entre différents intervenants (géologue, ingénieur, géographe) !
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Conclusions
Pour plus d’informations sur la problématique de stabilité des parois rocheuses:
1 octobre 2010 au GDL
Journée d’étude de la SBGIMR: Stabilité de parois rocheuses