Modélisation en centrifugeuse du renforcement de sols compressibles par inclusions rigides : dispositifs du transfert de charge par cisaillement

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1 18 ème Congrè Françai de Mécanique Grenoble, 7-31 août 7 Modéliation en centrifugeue du renforcement de ol compreible par incluion rigide : dipoitif du tranfert de charge par ciaillement Luc THOREL 1, Gaëlle BAUDOUIN 1, Gérard RAULT 1, Françoi DERKX, Stéphane BUTTIGIEG, Jacque GARNIER 1 1 Laboratoire Central de Pont et Chauée, Centre de Nante, France Laboratoire Central de Pont et Chauée, Centre de Pari, France Route de Bouaye, BP 419, Bouguenai Cedex Luc.Thorel@lcpc.fr Réumé : Un o compreible renforcé par incluion rigide verticale et urmonté d un matela granulaire de report de charge dan lequel e développent de tranfert de charge par ciaillement. Via de eai ur modèle réduit centrifugé, le mécanime de ce tranfert vont être étudié dan une configuration3d pour différente hauteur de matela, correpondant au ca d ouvrage de type dallage ou remblai. Un dipoitif expérimental original, en conception au LCPC, et préenté aini que le plan d expérience. Abtract : Soft oil reinforced by vertical tiff pile are covered by a load tranfer granular platform in which arching occur. By experiment on reduced cale centrifuged model, the mechanim of load tranfer will be tudied in a 3D arrangement. Several height of load tranfer platform will be teted to imulate embankment or floor lab. An original experimental device and the tet programme are preented. Mot-clef : Modèle réduit, incluion rigide verticale, effet de voûte 1 Introduction Le renforcement de ol compreible par incluion rigide verticale et une technique de plu en plu répandue pour réduire le taement du ol et permettre la contruction d un ouvrage, oit via un dallage, oit par la mie en place d un remblai ur le ol renforcé (Briançon et al., 4 ; Simon et al., 5). L exemple le plu fameux et peut-être celui du pont Rion-Antirion (fig.1), itué en zone imique. Chacune de quatre pile repoe ur un matela de tranfert de charge (ballat), lui-même placé ur le fond marin préalablement renforcé par un réeau d incluion rigide métallique flottante (Garnier et al., 1999; Pecker,, Rault et al., 6). 9m FIG. 1 - Fondation de pile du pont Rion-Antirion (Rault et al., 6). Matela Granulaire (Ballat) Incluion Rigide (Tube métallique) Au ein du Projet National ASIRI (Amélioration de Sol par Incluion RIgide, une campagne d eai et programmée ur modèle réduit centrifugé, afin d identifier le comportement d une maille élémentaire, pui le développement de voûte dan le matela granulaire. Le modèle, intrumenté, permettront de caractérier, en géométrie 3D, l effet de la nature du chargement (remblai ou dallage), du rapport de la hauteur du matela H M 1

2 18 ème Congrè Françai de Mécanique Grenoble, 7-31 août 7 ur la longueur de incluion rigide L et de l inter-ditance entre le incluion (fig.). Différent indicateur de report de charge eront évalué tout au long de chargement. Le tranfert de charge par ciaillement ver le tête d incluion (effet de voûte), era étudié via un dipoitif expérimental original permettant d identifier la répartition de charge tant ur le incluion qu à l interface ol-matela, et ce pour différente épaieur de matela. En effet le rapport H M / et un paramètre clef vi-à-vi du développement de tranfert de charge verticale par ciaillement dan le matela granulaire ver le tête d incluion. Géométrie et fonctionnement d un ol renforcé par incluion rigide Le incluion rigide ont ici mie en place elon un maillage carré. La maille et contituée de cellule élémentaire comprenant une incluion et un volume de ol alentour (fig.). L aemblage de ce maille permet de recontituer l enemble du ol renforcé. Le taux de couverture α et le rapport de l aire de tête d'incluion ur l'aire totale de la urface traitée. A = A S A P A S H M avec A = ² et A P = πa²/4 a A : Aire d'une maille (une incluion vue de deu A P H M.1 Problème an incluion H T a H T vue en coupe ol alentour). : entre-axe entre incluion adjacente A P : Aire de la tête d'incluion (dallette). a : longueur caractéritique de la dallette A S : Aire du ol compreible. H M : hauteur du matela Taux de couverture α = FIG. Définition géométrique (elon Briançon, ) A P A π a = 4 Ce ca, qui inclut la préence du ol compreible et du matela (voire du remblai), permet de définir certain paramètre (fig.3) qui eront utilié ultérieurement pour qualifier le rôle joué par la préence d incluion. San incluion, on a q = q S = q P. Le force reprie par A, A P et A S ont alor : Q = ( γ H q ) A q A, M =. Q P = ( γ H M q ) AP = qp. A et P Q S = ( γ H M q ) AS = qs. A. S Le ratio de effort exercé ur l incluion et ur le ol e réduit à un rapport de urface Q P / QS = AP / AS = α /( 1 α ), aini que le rapport de effort repri par la urface totale et par le ol compreible Q / Q = A / = 1/ ( 1 α ). Q P / q Q S Effort Q P/ S A S Q q q P q S q P Contrainte FIG. 3 Définition du chargement. Problème avec incluion et calcul de report de charge q : urcharge appliquée par le remblai ou le dallage q : contrainte verticale exerçant ur le ol compreible non renforcé q=q γ H M q S : contrainte ur le ol compreible q P : contrainte ur l emplacement de la tête d'incluion i elle était en place Le effort et le contrainte repri par le ol et le incluion (fig.4), dont on ne connaît pa a priori le valeur repective ont liée par le relation : Q P = q p A P et Q S = q A S.

3 18 ème Congrè Françai de Mécanique Grenoble, 7-31 août 7 Q PP : force reprie par le incluion Q S : force reprie par le ol compreible q : contrainte reprie par le ol compreible q p : contrainte reprie par l incluion rigide Q P/ q Q S Q P/ Q q P q q S q P FIG. 4 Définition du chargement avec incluion Pour une géométrie et une intenité du chargement, on relie certain paramètre du problème an incluion à d autre du problème avec incluion. En particulier, on écrit Q=Q P Q S = Q PP Q S. Le taux de réduction de contrainte SRR (Stre Reduction Ratio), et le rapport SRR = QS / QS = qs / qs entre la charge appliquée ur le ol compreible dan le ca "avec incluion" et la charge qui erait appliquée dan le ca "an incluion" (Low, 1994). L efficacité E (Hewlett et al., 1988), et la proportion de la charge totale reprie par le incluion : E = QP /Q. La capacité C C = QP ( AP.q ) correpond au rapport entre la charge appliquée à une incluion et le chargement correpondant à la colonne au deu de celleci (Low et al., 1994). Le taux de concentration de contrainte n q p q et le rapport de = contrainte reprie repectivement par l incluion et par le ol (Han, 1999). E et un paramètre pertinent car Q PP e meure et Q e calcule. On écrit le différent indicateur de report de SRR = 1 E / 1 α, C=E / α, n=e(1- α) / ( α.(1-e)) charge en fonction de E et α : ( ) ( ) On peut ditinguer le ca où l effort et repri par l incluion (E=1, SRR=) du ca, an incluion, où l effort et repri par le ol (E=, α= et SRR=1). La relation entre E et SRR et repréentée ci-contre, pour une configuration claique de chantier d incluion rigide rencontré en France : =.5m ; a=.45m, oit α=.5. Compte tenu de valeur de α rencontrée (<< 1), on a en première approximation E=1-SRR.. L inégalité SRR 1 conduiant à E α, l efficacité et néceairement non nulle dè lor que de incluion rigide ont mie en place. 3 Modéliation en centrifugeue FIG. 5 Efficacité et taux de réduction de contrainte E [-] 1, 1,8,6,4 Tout l'effort et repri par l'incluion, Tout l'effort et repri par le ol,,4,6,8 1 1, SRR [-] La modéliation en centrifugeue d ouvrage géotechnique ur modèle phyique e bae ur le repect de relation de imilitude qui relient le modèle (réduit), placé dan un champ de macrogravité, au prototype (en vraie grandeur) que l on cherche à imuler. C et une méthode répandue ( qui permet de réalier de étude paramétrique, de mener éventuellement le ouvrage à la rupture, et d obtenir aez facilement de donnée exploitée oit pour une comparaion avec de ouvrage réel, oit pour le calage de modèle numérique. L un de point fort de cette approche e trouve dan le repect de état de contrainte et de déformation entre deux point homologue du modèle réduit et de l ouvrage prototype. Le problème de ol compreible renforcé par incluion rigide verticale a déjà été abordé en centrifugeue (Barchard,, Van Eekelen et al., 3), ur de géométrie bidimenionnelle. D autre approche expérimentale ont été effectuée, oit en utiliant de modèle baé ur le rouleaux de Schneebeli (Jenck, 5), oit ur de expérimentation en emi-vraie grandeur ou ur modèle réduit au laboratoire (Briançon, ). 3

4 18 ème Congrè Françai de Mécanique Grenoble, 7-31 août Simulation du taement Le ol compreible et remplacé par un plateau mobile horizontal, ur lequel repoe le matela. Pour imuler le taement, la decente du plateau et aurée par 3 guidage motorié (fig. 6) aervi en vitee ou en poition (cf. chéma de principe figure 7 et 8). Le plateau era perforé en 9 point, Capteur de déplacement Incluion Réervoir Matela Plateau Dipoitif motorié FIG. 6 Ebauche du dipoitif correpondant aux 9 incluion rigide contituant la maille élémentaire. Il era urmonté du matela granulaire et du dipoitif de chargement mécanique modélié par le réervoir d eau. Pour différent taement, le effort tranmi aux incluion et au plateau mobile eront meuré. Le taement maximal era de 5mm et la vitee de taement de l ordre de.1mm/min. Le moteur n 1, déclaré comme «maître», et aervi par rapport à la conigne de vitee de decente ω c. Le deux autre moteur n et 3, «eclave», ont aervi par rapport à une conigne à la vitee réelle ω 1 du moteur maître. Un bon fonctionnement mécanique uppoe que, pour une vitee égale ur le troi moteur, le déplacement oient égaux (fig.7). La poition du plateau et meurée par 3 capteur, un par dipoitif de guidage. Pour une conigne de decente (aerviement en poition, fig.7), le 3 moteur, réglé pour avoir la même vitee, e déclenchent pui toppent dè que la poition demandée, meurée par le capteur de déplacement aocié, et atteinte. Une nouvelle conigne et alor donnée et l action e répète. De cette façon, l écart de poition entre le 3 enemble et faible, éliminant aini le rique d effet de tiroir et de coincement. ω c Moteur n 1 ω 1 ΔL ωc ω Moteur n 1 1 ω c = ΔL 1 ω c Moteur n ω ΔL ωc ω c = ω 1 Moteur n ΔL ω c ω 3 ΔL ωc Moteur n 3 ω 1 ω c = Moteur n 3 ΔL 3 FIG.7 Aerviement en vitee (gauche) ou en poition (droite) 3. Echelle du modèle réduit Afin d éviter d éventuel effet de bord, la dimenion du modèle era upérieure ou égale à 6, de façon à conerver un epace de autour de la maille élémentaire. L epace diponible dan la centrifugeue permet d y placer un modèle de 8cm de diamètre (le dimenion diponible ont 1,4m ur 1,1m). Cela donne un max de 13,3cm. Compte tenu de la gamme de retenue ( à.5m), cela conduit à un facteur de réduction d échelle de 1/N t.q. N=15 à 18, Chargement Mécanique Le chargement mécanique dû à un remblai ou à un dallage et imulé par l intermédiaire d un réervoir d eau, poédant un fond ouple ou rigide. Le réervoir, de forme circulaire, et 4

5 18 ème Congrè Françai de Mécanique Grenoble, 7-31 août 7 d un diamètre tel que on contour ne oit jamai éloigné d une incluion de moin d un entreaxe, oit (en regardant le ca de incluion de coin) un diamètre ( 1 ) et une ection S ( 1 ) π. Le réervoir, de mae à vide m, générera, avec un rempliage d une hauteur h w, une contrainte ur le matela q = mng / S h w Ngρ w. Afin de ne pa charger le remblai à mauvai ecient, un réervoir upendu et développé, lequel ne decend pour une mie au contact du remblai qu au début du chargement. Le contrôle et enviagé avec de vérin pneumatique. 3.4 Intrumentation du modèle Le effort eront meuré en tête d incluion, lequelle auront été urfacée de façon à être «rugueue» (rugoité relative upérieure à.8). La répartition de contrainte entre incluion ou le matela era meurée en utiliant de capteur de preion matriciel. Le niveau d eau dan le réervoir era meuré afin d évaluer q. Le taement du matela eront meuré en différent point afin de mettre en évidence d éventuel taement différentiel. 3.5 Plan d expérience du tranfert de charge par ciaillement Différente hypothèe ur le ratio H M / ont été formulée dan la littérature pour voir e développer le «effet de voûte». Le auteur identifient aini une hauteur de matela critique H C (tableau 1) au-delà de laquelle le effet de voûte e développent complètement (full arching). En deçà, l effet de voûte et partiel (incomplete arching). Si de grande valeur de H M ont enviageable dan le remblai, il n en et rien pour le dallage, pour lequel le report de charge ur le incluion riquent de e produire avec un taement différentiel à la urface upérieure du matela. L un de objectif de expérimentation en centrifugeue et d améliorer la compréhenion de ce phénomène. Le valeur du paramètre H M / eront,,,4 et,8. Le matela era un able d Hotun ec, de granulométrie étroite ou étalée. Dan ce ca, on repectera un d max mi à l échelle d une grave B3 (d max =31,5mm), oit un d max de 1,7 ou,1mm. 1 eai eront réalié dan une première phae afin de prendre en compte le 3 paramètre principaux (H M /, nature du chargement, granulométrie). En u quelque eai eront doublé. TAB.1 Quelque expreion de H C (inpiré de Van Eekelen et al.., 3). Voûte Voûte Carlon McKelvey Britih tandard Svano et al. Zaeke, Référence romane gothique (1987) (1994) (1995) () () H C / / 1.87(-a) 3(-a) 1.4(-a).5 (-a) tg α / 4 Concluion Le tranfert de charge par ciaillement dan le matela granulaire urmontant un ol compreible renforcé par incluion rigide verticale va être étudié ur modèle réduit centrifugé. Pour ce faire un dipoitif d eai à plateau mobile et en cour de conception. Le expérimentation, tridimenionnelle, permettront d évaluer le report de charge ur le incluion en faiant varier la nature du chargement (remblai ou dallage), l étalement de la granulométrie et la hauteur du matela. Dan une phae ultérieure, un matela doté de cohéion pourra également être étudié, aini qu un renforcement du matela par géogrille. Remerciement Le auteur remercient le partenaire du Projet National ASIRI, pour le outien financier permettant la réaliation de ce expérimentation. 5

6 18 ème Congrè Françai de Mécanique Grenoble, 7-31 août 7 Référence Barchard, J.. Centrifuge modelling of piled embankment on oft oil. Mater of Science of Engineering Thei, Univ. New Brunwick. 1p. Briançon L. Renforcement de ol par incluion rigide. Etat de l art en France et à l étranger. Rapport IREX, 171p. Briançon, L., Katner, R., Simon, B., Dia, D. 4 Etat de connaiance. Amélioration de ol par incluion rigide. Int. Symp. On Ground Improvement, pree ENPC, Britih tandard BS Code of practice for trengthened/reinforced oil and other fill. Garnier, J., Pecker, A Ue of centrifuge tet for the validation of innovative concept in foundation engineering. nd Int. Conf. on Earthquake geotechnical engng, Libon juin.7p. Haijam, A. 6 Conception d un dipoitif en modèle réduit ou centrifugation. Projet National ASIRI Rapport de tage IUT GMP ème année 33p Han, J Deign and contruction of embankment on Geoynthetic reinforced platform upported pile. ASCE/PaDOT Geotechnical Seminar in Herey, PA, USA. Hewlett, W.J., Randolph, M.F Analyi of piled embankment. Ground engineering, april88, pp1-18. Jenck, O., 5. Le renforcement de ol compreible par incluion rigide verticale. Modéliation Phyique et numérique. Thèe de doctorat INSA Lyon. 383p. Low B.K., TaNg S.K., Choa V Arching in piled embankment. J. Geotechnical Engineering, 1, n 11, pp McKelvey J.A The anatomy of oil arching. Geotextile & Geomembrane 13, Pecker, A. Pont de Rion - Antirion : fiabilité et conception paraimique de fondation. La écurité de grand ouvrage, Pree ENPC, pp Rault, G., Thorel, L., Garnier, J., 6 Modéliation phyique de fondation et d ouvrage maritime. Mécanique et Indutrie. ISSN vol.7, pp3-3. Simon, B., Schloer, F. 5 Soil reinforcement by vertical tiff incluion in France. Symp. Rigid Incluion in difficult uboil condition, 11-1 mayo, Mexico, p. Van Eekelen, Bezuijen, A., Oung, O. 3. Arching in piled embankment : experiment & deign calculation. Proc. Foundation: innovation & practice, T. Telford, London, Zaeke, D., Kempfert, H.-G. Berechnung und Wirkungweie von unbewehrten und bewehrten mineralichen Tragchichten über punkt- und linienförmigen Traggliedern. Bauingenieur (77), S