L.D. YANGDépartement

de géotechniqueUniversité de Tongji

Shanghai, Chine

y.J. culENPC/CERMES

Institut Nawer6 et B, av. Blaise-Pascal

Cité DescarfesChamps-sur-Marne

77455 Marne-la-ValléeCedex 2

cui@"cermes. enpc.fr

B.L. SHI

C.G, ZHONGDépartement

de géotechniquet Jniversité de Tonggi

Shanghai, Chine

NDLR : Les discussions surcet article sont acceptées

jusqu'au 1u'mars 2A04.

l'qlIEl:'I ttDl.SllÉ,

An observational approach appliedto excavations in the soft soils0f Shanghai

lÈtI r.,tgl+,Iurl-ot<

51REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 1054e trimestre 2003

Une approcheob servationnelle appliqu ée

à des excavationsdans les sols mousde Shanghai

On présente une approche observationnelle appliquéeaux excavations de fouilles stabilisées par des butonsdans les sols mous de Shanghai. Une méthode de calculsimplifTée aux modules de réaction et une méthoded'analyse par éléments fÏnis ont été utilisées pour lescalculs. Les résultats obtenus ont été utilisés pour laprévision et la conception. Les paramètres requis dansles calculs ont été déterminés par l'analyse inverse àpartir des mesures lh sftu de la distribution desdéplacements. L'avancement de l'excavation a été simuléde façon adaptative en considérant les paramètres pourdifférentes étapes d'excavation. Deux études de cas ontété réalisées pour justifier la méthode proposée. Lesrésultats obtenus ont montré sa grande utilité pratique :

elle permet de contrôler la sécurité pour les excavationsprofondes, en particulier dans des sols mous sensibles.

Mots-clés : fouille, approche observationnelle, mesures insitu, analyse inverse, optimisation, étude de cas.

An observational approach applied to the excavations offoundation pits in the soft soils of Shanghai is presented. Asimplified reaction modulus method and a finite elementmethod were used for caiculations. The obtained results wereused for either predicting or designing. The parametersrequired for calculations were determined using a back analysismethod based on the in situ measurements of thedisplacements. The progress of excavation was adaptivelysimulated by considering different parameters for differentexcavation stages. Two case studies were considered to justifythe applicability of the proposed method. The obtained resultsshowed a good appiication in practice : the method is helpful toensure the safety of deep excavations, especially in sensitive softsoils.

Key words; pit, observational approach, field measurement,back analysis, optimisation, case studies.

E

Pour des excavations profondes dans des sols mousen zone urbaine. on a besoin d'assurer non seulementla stabilité du mur de soutènement, mais aussi la stabi-lité des constructions existantes qui exigent, suivantf importance, des déplacements très limités du sol defondation. Ceci nécessite de passer d'un critère de sta-bilité classique en terme de contraintes limites à un cri-tère en terme de déplacements. A Shanghai, on a enre-gistré pendant la dernière décennie plusieurs dizainesd'accidents d'excavations liés soit à la perte de stabilitéde la structure de soutènement, soit à l'endommage-ment des constructions voisines (bâtiments, canalisa-tions souterraines, etc.). Ces accidents correspondaienten général à des pertes économiques importantes pou-vant s'élever à 100 M de yuans (soit environ 11 M€)Les analyses effectuées ont montré que ces accidentssont dus principalement à des choix non appropriés dela structure de soutènement, qui sont basés sur desvaleurs sous-estimées de la pression interstitielle del'eau, de la poussée du sol, et des charges en surfaceliées à l'exécution des travaux. Il suffit d'une pluie sou-tenue avec une défaillance du système de drainage,pour que la pression interstitielle augmente, provo-quant l'accident. Le fond du problème est qu'on estdépourvu d'une théorie ou méthode satisfaisante pourle dimensionnement de la structure de soutènementpendant l'excavation. Actuellement, c'est la méthodeaux modules de réaction et la méthode des élémentsfinis qui sont les plus souvent utilisées pour ce type deproblème. Pour des sols relativement fermes, laméthode aux modules de réaction s'est avérée satisfai-sante. Néanmoins, pour des sols mous comme les solsde Shanghai, en raison de leur sensibilité, les deuxméthodes sont confrontées à des difficultés dans ladétermination de la pression du sol. En effet, les para-mètres utilisés étant dépendants de l'exécution des tra-vaux, des propriétés de fluage du sol, etc., la prévisionpar le calcul avant travaux est en générai très différentede la mesure pendant travaux.

On présente ici une approche observationnelie per-mettant d'évaluer de façon adaptative le déplacementdu sol et d'assurer ainsi la stabilité de l'excavation. Ils'agit d'une méthode qui associe la théorie à desmesures in sifu. A partir des mesures d'une étapeamont , I'analyse inverse sera utilisée pour la détermi-nation des paramètres ; ces paramètres seront ensuiteutilisés pour la prévision des étapes qui suivent. Cetteméthode a été appliquée avec succès à plusieurs chan-tiers d'excavation à Shanghai. On en présente ici deuxexemples.

Sur le plan théorique, on a adopté volontairementun modèie très simple, élastique et linéaire. Il est cer-tain qu'un modèle élastoplastique plus sophistiquébasé sur le concept des contraintes effectives seraitplus pertinent pour décrire le processus d'excavation.Mais l'utilisation des modèles sophistiqués impliqueraitsystématiquement l'introduction d'un nombre plusimportant de paramètres. Et vu la complexité desconditions d'excavation et les informations souventincomplètes sur des chantiers, la détermination desparamètres est en général une tâche extrêmement dif-ficile. Avec un modèle simple,l'avantage d'un nombre

_ plus réduit de paramètres est compensé par le fait,-,f n qu'un paramètre peut représenter la combinaison de'\\/JL

plusieurs phénomènes physiques. C'est ainsi qu'en pra-tique, comme l'on peut voir dans la section 3, il estnécessaire de réajuster les paramètres au fur et àmesure de l'avancement du travaux.

-

Méthode

WDimensionnement des murs de soutènementen utilisant la méthode simplifi,éeaux modules de réaction(Dhatt et Touzot, 1984 ;Feng et Dai, 1991)

Schéma de calcul simplifié

Dans le calcul. le mur de soutènement est considérécomme une poutre sur appui continu élastique. lJnefois l'excavation partiellement réalisée et les butons ins-tallés, on utihse des ressorts pour simuler l'effet desbutons (Fig 1) Si S représente la constante du ressort,onâ:

AEs-; (1)

où A est la section du buton, L est sa longueur caracté-ristique qui correspond en général à la moitié de la dis-tance entre parois, E est son module élastique, et B estl'espacement des butons.

Le supplément de pression de butée exercée par lesol sur la paroi mobilisé lors d'un déplacement hori-zontal u peut être calculé pâr :

App - KnLt (2)

où K^ est le coefficient de réaction horizontal du sol, quiest câlculé pâr :

Kn = azffi(ho - x,) (3)

où m est un coefficient de butée (Fig. 1) qui peut êtredéterminé d'après la norme de Shanghai DGJOB -11-1999, a, est un coefficient de correction utilisé pourconsidérer les effets combinés de différents facteurstels que le fluage du sol et les conditions d'excavation,ho est la profondeur actuelle de la zone de butée, x, estla coordonnée verticale du niveau considéré (centred'un élément dans le calcul en éléments finis).

La poussée du sol sur le mur est fonction du profildes sois et de la profondeur de la nappe phréatique . Lanorme de Shanghai préconise, pour sa détermination,la méthode avec le calcul de la pression interstitielleséparée du calcul de la pression exercée par le sque-lette de sol : la pression interstitielle est calculée avec laprofondeur réelle de la nappe, alors que la pression parle squelette de sol peut être calculée par la théorie deRankine en terme de contraintes effectives avec appli-cation d'un coefficient de correction u,,, qui, comme lecoefficient u, considère les effets combinés des diffé-rents facteurs. Ces deux coefficients a"1 eL u, peuventêtre déterminés par analyse inverse (voir S 2.3).

Introduction

REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 1054e trimestre 9003

X

Terrain naturel

uton 1

uton 2

uton 3

AAA

\ sol I

sol 2

VA

9ir\ sol i

hs-Â 9iz \ sol i

X1 \

Équations fondamenta les

Dans la formulation de la méthode des éléments finis,les charges sont supportées par les éléments au niveaudes næuds,, et l'équation générale d'équilibre peuts'écrire comme

tntu) = {Fl

où [(J est la matrice de rigidité globale, tF} est le vec-teur de forces aux næuds, et {u} est le vecteur de dépla-cements des næuds. La matrice tKl est composée dedeux parties, liées respectivement à la rigidité de lapoutre fmur plus butons) et à ce]le clu sol. On notera KTpour la rnatrice de rigidité globale d'un élément, K"pour la matrice de la poutre , et K'n pour la matrice dusol de fondation. On a donc

-K"+

ÊlÊt",,4

o

Schéma de calcul avec la méthode auxmodules de réaction.Calculation scheme using the reaction modulusmethod.

Dans la pratique française, la méthode de calcul auxmodules de réaction est couramment utilisée. On assi-mile également le mur à une poutre élastique, et ondétermine le déplacement du mur et donc les effortsdans le mur par l'intermédiaire d'une loi appelée loi deréaction (Balay,, 1985). Cette loi qui relie l'effort audéplacement par l'intermédiaire d'un module de réac-tion kn est souvent supposée linéaire (kn constant). Tou-tefois, elle peut être bilinéaire avec une valeur de k"pour la poussée et une autre pour la butée. On voit quequalitativement, cette méthode coïncide avec laméthode adoptée ici. On souligne que dans les calculsaux modules de réaction, la loi de réaction est bornéepar d'un côté le palier de la pression de poussée et del'autre côté par la pression de butée, et que dans laméthode proposée ici ces limites n'existent pas. Cecimontre que notre méthode est limitée à des petitesdéformations , ce qui est le cas pour les excavations enzone urbaine avec restriction du déplacement de sol.

Quand on n'est pas dans la phase de mise en ten-sion du tirant d'ancrage, le module de réactioo k" peutêtre déterminé à partir du module pressiométrique E,et du coefficient rhéologique u qui dépend de la natureet de l'état du sol. En revanche, pour la phase de miseen tension de tirant, la détermination de k., nécessite deprendre en compte la longueur de transfert du tirantqui est fonction du rapport de la rigidité (EI) du tirant

au module moyen pressiométrique -l+ . On noteE,','"

que k^ n'est pas une caractéristique intrinsèque du sol,car il dépend aussi des caractéristiques de la paroi (pro-duit d'inertie EI, hauteur totale) et de la configurationdu sol (hauteur libre, hauteur de fiche). C'est ainsi quedans la pratique on introduit dans le calcul un coeffi-cient ( a )) appelé paramètre dimensionnel pourprendre en compte ces facteurs. En comparant avec laméthode proposée ici, on voit que ce sont les para-mètres cr, et cr, qui jouent le rôle de < a ).

Selon Balay (1985), la loi de réaction dépend aussi dela procédure d'exécution de l'excavation, des proprié-tés visqueuses du sol, des mouvements de la nappe dusaux travaux, etc., le paramètre dimensionnel < a > estloin d'être en mesure de les considérer. C'est ainsi qu'enpratique, il est souvent nécessaire d'appliquer uneapproche observationnelle pour raffiner ce paramètre.

(4)

+1

K,,0

(5)

L'expre s sion1ee1):

K"= E{Ê

est la suivante (Feng et Dai,

6L -124I:-6L2I:

de K'

12

6L

-126L

-6L12

-6L

61 1

2r: I

-ur I

4r: )

où Eo désigne le module élastique de la poutre, I soninertie , L Ia longueur d'un élément.

Pour K|, il existe deux expressions. Pour les éIé-ments au dessus du fond de fouille , K"o- 0,, alors quepour ceux en dessous (Dhatt et Touzot, 1984; Feng etDai, 1991.) :

K5 = cxrm (1ro

0,052L 0,128 -0,031L0,010L2 0,031L -0 ,oo1l:Q,031L 0,371 -0,052L_O,OOTL" -O,O52L O,O1OL'

2

où L est toujours la longueur d'un élément.

(7)lo,zt+

. _ | 0,052L- x"lLl

10,128L-0,031L

Supposons quechaque élément soitque q - e,r, \e : eit -sur les éléments des(Feng et Dai, 1991) :

le diagramme de poussée pourde forme trapézoïdale (Fig. 1) ete,r, Ie vecteur de forces exerceespoutres peut être calculé par

Fe - lqL/2 qLz/12 qL/Z qL2/12Jr

+ l3LqL/20 LqL2/30 7 LqL/20 LqL2/20)r

Quand le diagramme de poussée est triangulaire, onpeut utiliser la même expression pour F" en posant q -Qt : 0 eT Lq - - Qz.On note que q est fonction de û,,, etqu'il y a des forces horizontales exercées par les butonssur les næuds, qui varient avec le déplacement hori-zonlal.

tBl

53REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N"'1054e trimestre 2003

Dimensionnementdes murs de soutènement

+.+1,-.^o[ -+'\(1t1

(12)

Si les conditions aux limites nede la déformation à t - t, peut êtreun modèle élastique avec, dansmodule équivalent E,, (Yang et a1.,

varient pas, le calculsimplifié en prenantle caicul de [K], un1ee6):

HLti -

+.+l'-.'e[ +',)

.i....,',,,,'f1€1.,.Ê,

Calculation scheme usinq the finite elementrnethod.

' :::..,...,' . .' ...' ..:::: ..' . i..i:,.'i

Équation fondamentale

Pour l'analyse par la méthode des éléments finis,l'équation fondamentale en éléments finis est égale-ment l'équation (4) (Dhatt et Touzot, 1984; Gioda et al.,19BT). On note que {F} co-prend la contribution de lapoussée des terres, des surcharges en surface et desefforts exercés par les butons.

Xie (1992) a étudié le comportement d'un sol deShanghai au laboratoire, et il a remarqué que le modèlede Kelvin-Voigt (Fig. 3) est bien adapté pour calculer lavariation de volume du sol. Lu (1994) a analysé le mou-vement de terrain d'un site à Shanghai du au drainageou à l'infiltration d'eau et il a également trouvé la vali-dité de ce modèle. Yang et aI. (1996) et Yang et Xu (1996)ont confirmé cette validité sur des sols de formationancienne. C'est ainsi que dans le calcul de [K] on consi-dère un comportement visco-élastique du sol avec lemodèle de Kelvin-Voigt (Fig. 3) : deux ressorts E, et 8 ,,et un amortisseur \r. D'après ce modèle, les déforma-tions en fonction du temps sont données pâr :

Analyse inverse pour la déterminationdes paramètres

Pendant l'excavation d'une fouille, les forces depoussée et de butée, et l'effort des butons ne cessentde varier. Avec un modèle simplifié, il est difficile voireimpossible d'obtenir des prévisions satisfaisantes avecun jeu de paramètres fixe. Un certain nombre d'auteurs(Hou et Chen, 19Bg ; Yang et a\.,1996 ; Yang et Xu, 1996)ont montré que la méthode de l'analyse inverse est sou-vent un outil performant pour résoudre le problème.En se basant sur la mesure de déplacement in sifu, onpeut obtenir la valeur de la pression de terre etlou lesparamètres représentant le comportement du sol ensuivant la procédure de l'analyse inverse. Les gran-deurs obtenues sont ensuite utilisées pour ies prévi-sions ultérieures.

Analyse inverse pour la méthodeaux modules de réactions

Pour la méthode aux modules de réaction,, on peutdéterminer par analyse inverse le coefficient de pres-sion de butée m, et les coefficients de correction u.. et a",pour la pression de poussée. Pour simplifier le calcul,on calculera le paramètre m en appliquant Ia norme deShanghai (DGJ0B- 11-1999), et seulement cx,. et cr, serontdéterminés par analyse inverse.l.il-."e[ -+'] (e)

54REVUE FRANçAIsE or cÉorEclNteuEN" 1054e trimestre 2003

en utilisant la méthode d'analysepar éléments finis

Schéma de calcul simplifié

Lorsque le problème est symétrique, on peut repré-senter l'excavation par le schéma de la figure 2.II s'agitd'un problème en déformation plane, avec des limitesen déformation à une certaine distance de l'excavation.Dans la formulation des éléments finis, le massif de solet le mur sont discrétisés et ies butons sont simulés soitpar des forces horizontales variant avec le déplacementsoit par des éléments de poutres élastiques commeindiqué sur la figure 2. Les éléments considérés sur lafigure sont tous quadrilatéraux, tant pour le sol quepour le soutènement. Ce dernier peut être égalementreprésenté par des éléments de type poutre.

symétrique

Schéma de calcul avec la méthode des Wéléments finis.

où oo est la contrainte à t - 0.

FiËti.i.isi1i.i:i.i.ii.: Modèle de sol utilisé dans l'approche paréléments finis.Soil model used for the analvsis the finiteelement method.

L'équation (9) peut être écrite sous une autre forme :

oo = E,.E (10)

AVCC

tr't-

Dans la formulation de la méthode inverse, la fonc-tion objet (Wang, 1991 ; Shi, 1996 ; Xu et Yang, 1995,1996 ; Yang et al., 1999) conditionnant la procédured'optimisation est choisie corrlrre :

l'aide des essais courants sur sols. Ainsi, il est intéres-sant de déterminer les paramètres représentant les pro-priétés des sols en place en se basant sur des informa-tions mesurées ou collectées in situ. Les paramètres ainsidéterminés permettront ensuite de prévoir la déforma-tion et la stabilité du mur et du massif de sol de façonadaptative, pour l'étape en cours et pour les suivantes.Sur la figure 4 est présentée une courbe typique del'évolution du déplacement au cours du temps obtenueà partir des mesures réalisées en un point à côté d'uneexcavation de 5,6 m de profondeur. On observe uneévolution très rapide pendant les cinq premiers joursqui correspond à la réalisation d'excavatioh, suivied'une évolution lente avec stabilisation au bout de22 jours. L'allure de la deuxième partie de la courbe(t > B jours) a une forme comparable à celle qu'onobtiendrait avec un modèle de Kelvin-Voigt.

t{

F(P)j- I

(13)

où P est l'objet inconnu (crr eT ur), N est le nombre dedonnées de mesure, SI est la donnée de mesure del'élément i (le déplacement en gén éral, et la contrainteparfois), S, est le résultat de l'analyse numérique cor-respondant à S;", qui varie ici avec P. Quand la valeurde F est au minimum,, P devient optimal et correspondà la solution donnée par l'analyse inverse.

En général, la fonction d'objet F est non linéaire,nécessitant une analyse numérique pour le problème.Dans cette étude, on préconise la méthode d'optimisa-tion de Powell qui fait partie des méthodes de directionconjuguée.

r::::i .,,::i:,::,::,.:.,::: .i.':...'.. .,,.', ' , .,....ii

Analys e inverse pou r la mëthode des ëlëments finis

Dans le cas où la condition de drainage ne changepas et où le niveau de la nappe phréatique reste fixe, lecomportement du sol est donc gouverné par le modèlede Kelvin-Voight, avec, en plus, un jeu constant deparamètreS E.,, E, et qr. Ces paramètres peuvent êtredéterminés par aÀalyse inverse.

L'équation (13) est utilisée pour l'optimisation, avecun objet inconnu P qui contient cette fois-ci E' Eret Iz.On rappelle que si les conditions aux limites ne chan-gent pas, P contient un seul paramètre, le modèle élas-tique équivalent E,'. Dans cette étude, numériquement,on adopte une méthode simplificatrice qui consiste àdéterminer E., (ireporter ensuite dans l'équation (B) pour calculer E., , E,et Iz.

EApp roche observati o n nelle

Lors de l'excavatioh, les informations qu'on peutobtenir peuvent être de nature géologique et physique,comprenant la stratification du sol, le niveau de lanappe phréatique. D'autres caractéristiques physiquescomme la masse volumique, le module élastique, lecoefflcient de Poisson,, la cohésion,, l'angle de frotte-ment etc. peuvent également être définies. On peutaussi avoir accès à des informations liées à la réalisa-tion de l'ouvrage lui-même, à savoir la géométrie de laconstruction, la méthode d'excavation, le type de sup-port, Ia procédure d'excavation et de pose de support,etc. On obtient aussi des informations à partir desmesures de déplacement, de déformations et decontraintes dans le massif de sol et de leur évolution aucours du temps.

Ces informations sont essentielles pour la conceptionet l'estimation de la stabilité du mur de soutènement. Ilest évident que leur précision influence la conception etla prévision du comportement du mur. Vu l'incertitudesur la distribution des strates de sol, l'installation dessupports et la procédure d'excavatior, il est difficiled'acquérir des informations de précision suffisante à

30

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temps (f our)

Évolution du déplacement d'un pointd'observation.Displacement evolution at an observation point.

Les déplacements engendrés pendant la phased'excavation sont dus à la modification de l'état decontrainte depuis l'état initial vers l'état d'équilibre à lafin de la phase. Il est probable que les effets différésintervenant dans cette phase soient faibles.

En considérant un déplacement instantané pour ledébut de chaque étape d'excavation, l'évolution lisséedu déplacement mesuré lors d'une excavation en troisétapes à Shanghai est présentée sur la figure 5. D'aprèsnos expériences, cette allure est représentative descaractéristiques des sols mous de Shanghai, et corres-pond, comme en figure 4, à une réponse de type deKelvin-Voigt.

L'approche observationnelle peut être schématiséepar l'organigramme de la figure 6.

Les trois premières étapes sont classiques, on com-mence par le sondage et la collecte de données, on faitensuite la conception de l'ouvrage et le calcul de vérifi-cation de stabilité. Par la suite, on réaiise l'excavationtout en effectuant le suivi. Les étapes suivantes caracté-risent l'approche observationnelle qui est définie prin-cipalement par deux points , 1) en se basant sur lesinformations obtenues in situ, on détermine à chaqueétape d'excavation les paramètres nécessaires à l'aidede l'analyse inverse, 2) les paramètres ainsi obtenussont utilisés pour la prévision de l'étape d'excavationen cours ou de I'étape suivante. Les résultats de calculsont comparés avec les mesures in sifu pour savoir s'il

U

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10

55REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 1054e trimestre 2003

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0 4s 90 135

**1r1:,,1fi::::,:,::i:tt, Allure générale d e l' évoluti on dudéplacement lors de la progression del'excavation.General shape of the displacement change withtime during the excavation.

'Fig:!t;:l6,,,:,1:::1:':. Of g ani gf amme de l' appf O Ch e Ob S efVa -tionnelle adoptée.Organisation chart of the adopted observationalapproach.

est nécessaire de renforcer le mur de soutènement avecdes butons supplémentaires ou de modifier la procé-dure d'excavation. Il est important de noter qu'habi-tuellement, ii existe une bonne concordance entre l'esti-mation et la mesure pour l'étape d'excavation suivante,et qu'en revanche, cette concordance est moindre pourla prédiction des étapes ultérieures. Il est donc néces-saire de réajuster à chaque étape les paramètres en uti-lisant la méthode de 1'analyse inverse. Grâce à ceréajustement constamment renouvelé, on disposed'une méthode très efficace, qui permet une estimationpas à pas jusqu'à achèvement de l'excavation.

On note que le réajustement demandé par l'utilisa-tion de cette méthode est en grande partie lié aumodèle élastique linéaire adopté. En effet, avec l'élasti-cité linéaire, il n'est pas possible d'accéder à la distri-bution des contraintes à l'interface sol - structure aumoyen du coefficient de réaction : pour une structuredonnée, il faudrait adapter en chaque point la valeur du

coefficient, et la modifier si l'on change de chargement.Parfois, il est nécessaire d'introduire des valeurs néga-tives. Malgré cela, le modèle adopté a incontestable-ment l'avantage d'être simple, donc plus facile à utilisersur des chantiers où les informations de mesure sonten général limitées.

EÉtudes de cas

mApplication de la méthode simplifiéeaux modules de réaction

Un centre commercial, situé rue Huaihai à Shan-ghai, comprend un bâtiment à 34 étages et quatre bâti-ments de stocks annexes. Son soubassement souterrainà 3 niveaux a nécessité une fouille d'une profondeur de1,4,2 m sur une surface de 4 322 m2. Le mur de soutè-nement en paroi moulée a une hauteur de 29 m et uneépaisseur de 1 m. Il est fiché de 14 m dans une argilesableuse. Trois lits de butons ont été installés pour ren-forcer la structure à des profondeurs de 2,6 m,7,5 m et11,,4m respectivement. Un calcul préalable a amené àchoisir une rigidité K1= 123 529 kN/m pour le premierlit, et une rigidité de 66 196 kN/m pour les deux autres(K2 et K3). La figure 7 présente Ie mur, les lits de butonsainsi que la nature des sols concernés. La nappe est trèspeu profonde, à 0,5 m environ, ce qui est caractéris-tique du sol de Shanghai. L'ensemble de l'excavationest situé dans des argiles avec des caractéristiques derésistance au cisaillement (c' et g') assez faibles.

Le chantier étant situé au centre-ville, la fouille estentourée de bâtiments historiques, de câbles élec-triques, et de canalisations. Vu l'importance du projet,l'approche observationnelle a été adoptée. La procé-dure d'analyse est composée de deux étapes :

1) en se basant sur la mesure de déplacement ln situ à ladeuxième étape d'excavation 1l ,Sm), on détermine paranalyse inverse le paramètre de résistance cr, et le coef-ficient de correction de la pression du sol cr,, pour esti-mer le déplacement à la troisième étape ;

2) de même, la mesure de déplacement réalisée lors dela troisième étape est utilisée pour la prévision de }aquatrième étape.

La figure B présente la comparaison du déplace-ment entre la mesure et le calcul pour la troisièmeétape (11,4 m). La courbe (1) correspond au calcul enutilisant la théorie de Rankine avec les paramètres ini-tiaux déterminés avant l'excavation, alors que la courbe(2) correspond au calcul par l'approche observation-nelle avec les paramètres déterminés à la deuxièmeétape (Tableau I). On observe clairement que le calculsur les premières observations donne des résultats trèsproches des mesures, et qu'en revanche, le calcul directpar la théorie de Rankine surestime considérablementle déplacement : à 10 m, on a 40"Â environ de suresti-mation.

La figure 9 présente la comparaison du déplace-ment entre la mesure et les calculs pour la quatrièmeétape (1.4,2 m). Le même phénomène peut être observéquant à la performance de l'approche observationnellepar rapport au calcul par la méthode de Rankine.

s6REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUEN" 1054e trimestre 2003

Sondage &collecte de données

Conception & calculs

Modification de

la conception ou

de la constnrction

Analyse inverse Prédiction pour lamême étape

Prédiction pourl'étape suivante

Dernière étape ?Comparaison avec

mesures et adaptationdes paramètres

+0.00

Coupe schématique de la fouille rue Huaihai.Schematic cross section of the excavation in Huaihai Road.

,tr@II

(1) Remblai =4--

É!q

Éctot6\:l

(2) Argile sableuse: é:l4kPa,9':1 l",T:1S kN/rrlE

1ô-

-l

7 -5 K2-68198k1{ /rn(3)Argile limoneuse: J:tlkPa, I :14",T:l 8 kNirrl Éo_.+

:l.!.4_-=- trr rg:66196kN/m

-l+,2

(4)Argile limoneuse: J:t+kPa, Ç:71", Y:l 8 kN/nf

HoGrt-

(5)Argile sableuse: é:l6kPa, 9':2(i' Y:l 8,5 kNinl

Éo<l

Mesure

Ad-

E

:l

81sCooo-

(mm)

Comparaison du déplacement entre lamesure et le calcul pour la 3" étape.(1) Déplacement calculé avec la théorie deRankine;(2) déplacement calculé avec I'approcheobservationnelle.Comparison of displacement betweenmeasurement and calculation for the third stage.(1) Displacement calculated using Rankinetheory;(2) displacement calculated using theobservational approach.

ilttttitttittttittiiti,tinti.tttiiiH! ,ti*,,tttiit Les paramètres déterminés par l'analyseinverse.Parameters determined bv back analvsis.

WApplicationde la méthode des ,éléments finis

Elle concerne un groupe de bâtiments résidentielsà Pudong comprenant 5 bâtiments de grande hauteuret un parking souterrain, comme présenté sur la figure10. En raison de la proximité des bâtiments et du par-king, il a été décidé de combiner les deux fondations enune seule qui mesure 160,8 m de long, 79,5 m de large,et 5,6 m de profondeur pour les bâtiments contre 6,9 mpour le parking. Le mur de soutènement est en pieusol-ciment, et mesure 4,2 m d'épaisseur pour les bâti-ments contre 5,2 m pour le parking. Le mur de soutè-nement ainsi que les points de mesure (E1-89, 51-51,4,W1-W9, N1-N11) sont également présentés sur lafigure 10. La figure 11 présente une coupe du mur(position N7) avec le prcfil des sols correspondant.Comme on peut constater sur cette figure (coupe B-B),le mur est composé de deux rangées de pieux entrela-cés avec des connexions de quatre pieux égalemententrelacés qui relient les deux rangées. Les connexionssont espacées de 1,5 m. Le mur est sans renforcementsauf pour les deux premiers mètres à partir de la sur-face, où les pieux sont renforcés par des armatures@12). Le haut du mur est fait d'une plaque de 0,2 m enbéton armé (Q12@250 X 250). Pour une raison d'écono-mie, le bas du mur est fait en largeur variable et réduite.

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57REVUE FRANÇAISE DE GEOTECHNIQUE

N. 1054e trimestre 2003

3 (11,4 m) 1,2239

4 (14,2 m)

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f0)Ecoo20o-

Mesure

(1)

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Comparaison du déplacement entre lamesure et le calcul pour la 4e étape.(1) Déplacement calculé avec la théorie deRankine;(2) déplacement calculé avec la méthodeobservationnelle.Comparison between measured and calculateddisplacements at the 4th stage(1) Displacement calculated using Rankinetheory;(2) displacement calcuiated using theobservational approach.

Une fois la réalisation du mur terminée. on a creuséd'abord les fondations des bâtiments l'une aprèsl'autre,, et on a réalisé trois mois plus tard la fondationdu parking. Aucun buton n'a été prescrit initialement.

En se basant sur le déplacement horizonTal et le tas-sement du mur de soutènement pour les bâtiments, ona déterminé les paramètres par analyse inverse, ce quia permis l'estimation du déplacement horizontal dumur du parking aussi bien pour le côté sud que pour le

Les paramètres déterminés par l'analyseinverse.Parameters determined bv back analvsis.

33,55370,31438,1 BB

26,03337,5819,85313,39530,77515,94817,68145,11126,62164,22432,22632,9633O,B5B

172 = 32,833MPa.jour

N1N2N3N4N5N6NBN9

N10N11S1

S2S3s12s13s14

Valeurmoyenne

côté est. Les paramètres obtenus sont présentés dansle tableau II.

Sur la figure 12 est présentée la comparaison de lacourbe déplacement - temps entre la mesure et le cal-cul pour le point E5. On observe une bonne concor-dance. La figure 13 montre un autre exemple de com-paraison pour le point SB, une bonne correspondanceest également obtenue.

En comparant la figure 12 et la figure 13, on peutobserver que le déplacement du point SB est largementinférieur à celui du point E5, 30 mm contre 75 mm. Ceciest dû au fait que du côté sud, il existe quelques bâti-ments importants, et un déplacement horizontal de75 mm serait trop important pour leur stabilité. Ainsi,après un premier calcul, on a proposé de rajouter deuxbutons à une profondeur de 2,2 m de sorte que ledéplacement hori zontal du point E5 soit ramené à30 mm environ. Les résultats présentés sur la figure 13

6,4837,8215,0123,5116,6293,6863,5397,1174,7045,3617,0655,4417,3006,4524,7 454,853

E, = 5'608MPa

26,2638,55113,95534,5675,10119,52411,0029,49114,08719,44040,60230,80354,64729,01717,20437,284

Et = 23,223MPa

,/ Nl NZ N3 N4 N5 N6 N? NB Ng N10 Nl E9

+'I

,r

ffE2

E1

I

i<-Contour du parking souterrainI

I

iIIIIIL - - - ----- - - - - --1

lt i i | | i i I III - I I

I

Vue en plan de l'excavation avec les divers points d'observation.Plan of the excavation with the various observation points.

58REVUE FRANçAIsE or cÉorrclNteuEN" 1054e trimestre 2003

Qtzgzsoxzso 80

70

argile limoneusede surface

argile limoneuse

limon sableux

C)

-1c.)C)

\()

60

50

40

30

20

10

0

I

I

I

l

I

l

l

-s60 I_._r-l

l

l

l

27/12 6/1

' ::':ii;ii;.:ii,:r'':i::i:iii::iii:iiii'.;iiii;i..::;:.,.':flgr:i.iil:*'.

: argile limoneuse

16/1 26/1 5/2

date fiour/mois)

Comparaison entre lapour le point E5.Comparison betweencalculation for point E5.

1s/2 zs/Z 6/3

mesure et le calcul

measurement and

limon sableuse

argile limoneuse

argile

B.B

sols

soil

prouvent que cette disposition a été appropriée, ce quimontre sous un angle différent la souplesse del'approche observationnelle.

EConclusion

On a présenté une approche observationnelle quipermet de prédire de façon très satisfaisante le dépla-cement du sol et du mur de soutènement lors d'excava-tions en zone urbaine. Une méthode de calcul simpli-fiée aux modules de réaction et une méthode d'analysepar éléments finis ont été utilisées pour l'analyse numé-rique, avec Ies paramètres déterminés par analyseinverse à partir des mesures ln sifu. Les deux études decas ont montré que cette technique est satisfaisante

pour garantir la stabilité de l'excavation, surtout pourdes sols sensibles tels que les sols mous de Shanghai.

I1 est néanmoins important de signaler que cetteméthode n'est efficace pour la prévision qu'en utilisantles paramètres déduits de l'étape précédente, les cr loin-taines )) s'étant avérées moins bonnes. Certes, cetinconvénient pourrait être relié à la simplicité desmodèles de calcul ou de sol et l'utilisation des modèlessophistiqués aurait donné de meilleurs résultats, maisles modèles sophistiqués nécessitent en général plus deparamètres, souvent difficiles voire impossibles à déter-miner au cours de l'excavation.

Afin d'appliquer cette approche avec succès, ilapparaît qu'on doit accorder beaucoup d'attention à laqualité des mesures in sifu et à la qualité d'exécutiondes travaux.

,iii,i,,iiiR .1ffiËtltfsii:.iii.i:i:ii:i.,i

Les auteurs adressent \eur gratitude à la Fondation chinoise dela science naturelle pour son support financier par Ie contratn" 59478043. Les discussions avec le Dr Chen Bao sont frès appré-ciées.

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35

30

25

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15

10

5

0

7 /1? ?7 /1 Z 1 6/1 s/2 2s/2

date fiour/mois)

Comparaison entre lapour le point SB.Comparison betweencalculation for ooint SB.

16/3 5/4 25/4

mesure et le calcul

measurement and

5gREVUE FRANçAIsE or cÉorucHNteuE

N'1054e trimestr€ 2003

fficalcul #ff

{ l?mesuretl

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calcul

- {é*mesurep*

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Bl6lio-trapnie-

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