modlisation en centrifugeusede problmes d'interaction sol-structure

centrifuge modelling of soil-structure interaction problems

H.l. JESSBERGERUniversit de la Ruhr, Bochum (RFA) *

Rev. Fran. Gotech. nO 48, pp. 49-54 (juillet 1989)

Rsum

Ce rapport fait une revue complte des problmes d'interaction sol-structure trai-ts par modle rduit en centrifugeuse, l'exception des problmes dynami-ques. Les rfrences d'tudes publies sont donnes et brivement discutesen s'appuyant sur des exemples d'applications concrtes. Les problmes prati-ques et les dveloppements ncessaires pour les futures recherches en centri-fugeuse sont abords.

Abstract

This paper is a comprehensi've review of centrifuge modelling of soil-structureinteraction problems, excepting dynamic phenomena. Literature references arebriefly discussed based on examples of engineering applications. Engineering pro-blems and necessary developments for future centrifuge investigations areexplained.

* Universitatsstrasse 150, Postfach 102148, 4630 Bochum (RFA).

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1. INTRODUCTION

En mai 1987, se tenait Paris une confrence inter-nationale sur l'interaction sol-structure. Les problmesde remblais, de fondations superficielles et profondes,d'ouvrages souterrains, d'excavations et d'ouvrages desoutnement y furent discuts. Nombreuses sont lescommunications prsentes qui peuvent inspirer leschercheurs gotechniciens pour des travaux de mod-lisation en centrifugeuse. Il est vident qu'avec undveloppement continuel en gotechnique, de nou-veaux problmes d'interaction sol-structure se ferontjour et devront tre rsolus. Certains aspects desapports prsents et futurs de la modlisation en cen-trifugeuse seront discuts ci-aprs. Chaque partie traitesuccessivement de la description du problme dans sarelation avec la situation relle, de la contribution dela modlisation en centrifugeuse et examine les dve-loppements futurs.

2. OUVRAGES SOUTERRAINSET STRUCTURES ENTERRES

2.1. Les problmes pratiques

Les ouvrages souterrains ont une importance crois-sante en gnie civil. Les traits principaux relatifs auxproblmes d'interaction sol-structure pour les ouvra-ges souterrains sont ports sur la figure 1.

Une couche de sol en tat d'quilibre naturel est per-turbe par une excavation de gomtrie donne, parexemple un tunnel circulaire qui reprsentera aussid'autres types de cavits comme des puits ou descavernes. L'excavation provoque des changementsdans la distribution des contraintes dans le sol, cejusqu' ce qu'un nouvel tat d'quilibre soit atteint.Les lments de revtement agissent comme facteurstabilisateur. D'autres processus mcaniques peuventavoir une influence comme des variations de lanappe; les efforts apports par les semelles des bti-ments voisins, la circulation des vhicules, ou lesdformations de la couche elle-mme, provoque parexemple par leur affaissement en zone minire ou desmouvements tectoniques.

Certaines de ces questions sont d'un intrt majeurpour les applications pratiques comme:

- l'volution des dformations autour des tunnels,revtus ou non, jusqu' la rupture;- l'interaction priphrique entre le revtement et lesol environnant;- l'interaction longitudinale entre le revtement dutunnel, des canalisations et le sol, en relation avec leprocessus d'excavation, les changements de couchesde sol, le tassement, les mouvements de failles, etc.

2.2. Apports de la modlisationen centrifugeuse

La plupart des tudes en centrifugeuse au cours dela dernire dcennie se sont focalises sur des mod-les bidimensionnels. Les sols utiliss ont t des solspulvrulents et des sols cohrents, en gnral dessables standards et du kaolin. La prparation des

REVUE FRANAISE DE GOTECHNIQUE

TENSION

DIFFERENTESGEOMETRIES

1SOL-2

IRREGULARITESGEOLOGIQUES

Fig. 1. - Interaction sol-structurepour des ouvrages souterrains.

Fig. 1. - Soil structure interaction of underground structures.

modles de sable s'effectue usuellement en enfouis-sant la structure dans le sable dpos en pluie 1g; le modle est alors acclr dans la centrifugeusejusqu'au niveau de contraintes requis puis le proces-sus physique qui doit tre tudi est recr.

Les modles d'argile sont prpars par consolidationd'une boue jusqu' obtention d'un certain profil deconsolidation. Ceci peut tre obtenu par chargement l'aide d'un piston ou par la mthode du gradienthydraulique hors de la centrifugeuse et sur lamachine, grce l'acclration centrifuge. Aprs con-solidation, un certain volume d'argile est excav pourdposer la structure souterraine. La mise en rotationdu modle complet dans la centrifugeuse conduit auprofil final de consolidation.

Les tudes en centrifugeuse sur les problmes de sta-bilit en section courante et en front de tunnels, ainsique celles sur les puits ont t rsumes par MAIRet al., (1984). POTTS (1976) a trait du comporte-ment de tunnels dans les sables. De nombreusesexpriences ont t faites en assurant la tenue desexcavations non revtues par une membrane encaoutchouc avec une pression interne d'air. A unniveau de g donn, la pression interne tait rduitepar paliers et les dformations et, les mcanismes de

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rupture taient observs. POTTS a utilis un revte-ment d'aluminium quip de jauges pour dtecterl'volution des dformations et la distribution des con-traintes dans le revtement sous la pression des terres.

Des tudes sur des canalisations rigides et souplesenterres dans des tranches ont t effectues parJAMES et LARSSON, (1975), VALSANGKAR etBRITTO (1977). Ces tuyaux taient quips de jau-ges pour mesurer les dformations. TROTT et al.,(1984) ont dmontr de faon convaincante quelusage peut tre fait des modles rduits en centrifu-geuse pour analyser le comportement des ouvragesprototypes. Les distributions de dformations, les char-ges limites et la dforme finale des tuyaux sous l'effetde chargements par bandes sur diffrentes zones dela surface du sol montrent un bon accord entremodle et prototype.

Des modles tridimensionnels de canalisations enter-res ont t tudis par KUSAKABE (1984) pro-pos des mouvements de sol, engendrs par l'excava-tion, proximit, de tranches susceptibles de pro-voquer la rupture des canalisations enterres. La com-paraison entre le mcanisme de rupture suppos etcelui observ sur les modles centrifugs ont conduit penser que ledit mcanisme pouvait tre employpour les applications.

Le comportement d'un tunnel soumIS a un mouve-ment tectonique a t examin par BURRIDGE(1984), en vue d'obtenir des informations sur l'inte-raction entre le tunnel et le sol, les niveaux de con-trainte que l'on peut atteindre dans le tunnel et la lon-gueur de tunnel affecte par ces mouvements. Unetechnique spciale a t utilise pour produire lemcanisme de faille dans le modle. Des jaugesd'extensomtrie ont t employes pour dceler lesdformations du tunnel reprsent par un tube enaluminium.

Les communications prsentes au congrs Centrifu-geuse 88 concernent la pression s'exerant sur desconduites enterres rigides (TOHDA et al., 1988) etl'effet de charges statiques et roulantes sur des busesflexibles (CRAIG et MOKRANI, 1988). Ces deux arti-cles donnent de bons exemples d'instrumentation etde techniques de chargement de modle labores.Ces dveloppements amliorent la qualit des infor-mations sur le comportement mcanique obtenues surchaque modle, par suite, le nombre d'essais nces-saires pour vrifier les rsultats peut tre rduit.

Les exemples prcdents et d'autres qui peuvent tretrouvs dans les rfrences bibliographiques montrentque les progrs dans les apports de la modlisationen centrifugeuse aux applications pratiques portent surles problmes de dtermination de conditions de sta-bilit en milieu pulvrulent ou cohrent. Des solutionsont t tablies qui permettent de calculer les effortssur le tunnel selon la rsistance au cisaillement mobi-lise dans les terrains de couverture, rsistance qui estune fonction des dformations dans le sol et par con-squent des dformations admises au front du tun-nel et autour du revtement. De mme, des distribu-tions de contrainte dans les revtements et les con-duites ont t dtermines pour diffrentes conditions

aux limites comme les charges apportes par dessemelles, des essieux roulants, par des excavations oupar l'extraction de palplanches proximit de con-duites. Les rsultats ont donn une meilleure connais-sance des transferts d'efforts du sol aux structuresenterres et ont permis d'amliorer les critres dedimensionnement.

2.3. Dveloppements futurs

Des dveloppements dans la technique des modlessont ncessaires pour tendre l'application des tudesen centrifugeuse. Certains peuvent tre rsums ainsi:

- les tudes bidimensionnelles devraient porter surd'autres formes de sections. Les interactions mutuel-les entre structures enterres voisines devraient treconsidres;

- la modlisation tridimensionnelle d'effets de voteet la dtermination des tassements de surface prs dufront de tunnel sont des problmes importants. Lesphnomnes d'interaction entre le sol et des structu-res plus complexes comme les zones de raccordementde tunnels ou des cavernes, devraient tre tudis encentrifugeuse;

- les quipements d'essai devraient tre dveloppspour permettre d'aborder les phnomnes d'interac-tion qui sont affects principalement par les proces-sus d'excavation, car les problmes sur site ne peu-vent pas tre traits par les critres ordinaires de cons-truction. La modlisation en centrifugeuse peut aider comprendre de telles situations et aider le concep-teur;

- la technique de mise en place des structures dansle sol du modle devait tre amliore pour rduirel'influence de la procdure de construction du modle.De mme, les techniques de modlisation devraienttre dveloppes pour prendre en compte les ano-malies gologiques susceptibles de causer des P!obl-mes d'instabilit pendant la construc