Le défi de l ingénierie géotechnique face à la généralisation des modèles numériques

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1 Le défi de l ingénierie géotechnique face à la généralisation des modèles numériques Fahd Cuira Terrasol Juin 2017

2 - Apports des modèles numériques dans l identification des mécanismes de ruine et d interaction - Choix des paramètres : la question des modules - Les couplages hydro-mécaniques - Quels modèles pour l avenir? Page 2

3 Apports des modèles numériques Massif de sol «explicitement» pris en compte (R. Frank) (R. Frank) Modèle aux équilibres limites Modèle aux coefficients de réaction Modèle numérique Éléments/différences fini(e)s Page 3

4 Apports des modèles numériques Requiert la définition d une loi de comportement «locale» Une loi de contrainte - déformation Un critère de rupture (Mohr Coulomb le plus souvent) Page 4

5 Faire découvrir le mécanisme de ruine Exemple d'une paroi clouée Page 5

6 Faire découvrir le mécanisme de ruine Exemple d'une paroi clouée : analyse de stabilité «classique» F = 1,70 F = 2,10 Stabilité générale Stabilité mixte mécanisme classique (1 seul bloc) Page 6

7 Faire découvrir le mécanisme de ruine Exemple d'une paroi clouée : analyse de stabilité par éléments finis (P. Vezole) Page 7

8 Faire découvrir le mécanisme de ruine Exemple d'une paroi clouée : mécanismes multi-blocs Mécanisme à trois blocs Mécanisme à deux blocs NF P Page 8

9 Faire découvrir le mécanisme de ruine Exemple d'une paroi clouée : calcul à la rupture multi-blocs (B. Simon) Bloc 3 Bloc 1 F s,min = 1,37 Bloc 2 Mécanisme à trois blocs : résistance blocs 1 et 2 représentés respectivement par poussée et butée limites calculées pour δ/φ = 1 Page 9

10 Faire découvrir le mécanisme de ruine Exemple d'une paroi clouée : calcul à la rupture multi-blocs (B. Simon) Bloc 1 Bloc 2 Diagramme de poussée limite F s,min = 1,37 Digramme de butée limite Mécanisme à trois blocs : résistance blocs 1 et 2 représentés respectivement par poussée et butée limites calculées pour δ/φ = 1 Page 10

11 Faire découvrir le mécanisme de ruine Stabilité du massif d ancrage d un écran tiranté Solscope Géotechnique et transition numérique Z = Z = Z = Longueur libre F kranz Modèle aux éléments finis 15 m 3,0 ~1,8 cm ~1,3 cm 10 m 1,4 ~2,2 cm ~1,2 cm 5 m 1,1 ~15 cm ~1,0 cm Modèle aux coefficients de réaction Page 11

12 Faire découvrir le mécanisme de ruine Stabilité du massif d ancrage d un écran tiranté Solscope Géotechnique et transition numérique Page 12

13 Faire découvrir le mécanisme de ruine Stabilité du massif d ancrage d un écran tiranté Solscope Géotechnique et transition numérique (R. Frank) Page 13

14 Faire découvrir le mécanisme de ruine Solscope Géotechnique et transition numérique Fouille butonnée : prise en compte de l interaction des «cônes» de butée Mécanisme mixte : rotation + translation Page 14

15 Solscope Géotechnique et transition numérique Appréhender les mécanismes d interaction Représentation réaliste des effets d interaction sol/fondation Calcul par éléments finis Exemple d un bassin circulaire : l approche usuelle consiste à déterminer un jeu de ressorts uniforme pour le calcul «structure» (Cuira et Brulé 2017) Page 15

16 Solscope Géotechnique et transition numérique Appréhender les mécanismes d interaction Représentation réaliste des effets d interaction sol/fondation Calcul par éléments finis Calcul sur massif élastique Calcul sur ressorts uniformes Calcul sur ressorts uniformes X (m) 0 Moment (knm/ml) Moment M réf >0 Tassement X (m) Tassement (m) Moment (knm/ml) Tassement Moment -1,5M réf < Tassement (m) Un calcul sur ressorts uniformes conclurait à la nécessité de férailler la fibre supérieure du radier alors que c est la fibre inférieure qui est tendue ici ce constat est valable quelque soit la valeur du «ressort» (Cuira et Brulé 2017) Page 16

17 Appréhender les mécanismes d interaction Interaction entre ouvrages voisins : construction simultanée «Basculement» vers la zone d interaction Interaction «simultanée» de deux ouvrages fondés superficiellement Page 17

18 Appréhender les mécanismes d interaction Interaction entre ouvrages voisins : construction simultanée Enseignements décisifs pour la justification de la fondation de l ouvrage (Cuira et Brulé 2017) Page 18

19 Appréhender les mécanismes d interaction Interaction entre ouvrages voisins : construction en deux phases Ouvrage existant Ouvrage projeté La prise en compte du phasage modifie les mécanismes d interaction Page 19

20 Appréhender les mécanismes d interaction Interaction entre ouvrages voisins : construction en deux phases Ouvrage existant Ouvrage projeté «Basculement» vers l extérieur de la zone d interaction La prise en compte du phasage modifie les mécanismes d interaction Page 20

21 Appréhender les mécanismes d interaction Effets de groupe entre pieux : cas d un pieu situé en partie courante 2200 kn 2200 kn 2200 kn 0.00 Sables moyens e = 3 à 10 x B Sables denses R eq Page 21

22 Appréhender les mécanismes d interaction Effets de groupe entre pieux : «assouplissement» apparent des pieux Pieu béton B = 80 cm 0 Tassement (m) Tassement (m) Tassement (m) B Sables moyens 4 6 Entraxe e = 10B 10B 4 6 Entraxe 4B e = 4B 4 6 Entraxe e = 3B Sables denses Sol Pieu 16 Sol Pieu 16 Sol Pieu (Cuira et Brulé 2017) Page 22

23 Solscope Géotechnique et transition numérique Appréhender les mécanismes d interaction Effets de groupe entre pieux : «assouplissement» apparent des pieux ~ x 3,0 Courbe de chargement Q = f(s) Page 23

24 Appréhender les mécanismes d interaction Effets de groupe entre pieux : impact selon position et contraste DDC K groupe i 1 K j i isolé i α v d ij F F j i La raideur apparente dépend de la position du pieu et de la DDC Page 24

25 La question des modules Le module est fonction du niveau de déformation (induite par l ouvrage) Page 25

26 La question des modules Exemple d une semelle isolée : charge de service = 1 bar Page 26

27 La question des modules Exemple d une semelle isolée : première estimation (brutale) V = 300 kn/ml E= E M /α Tassement de 3,5 cm pour E = E M /α Page 27

28 La question des modules Exemple d une semelle isolée : confrontation au modèle pressiométrique s q q 9 0 λcbα E c B 2 E 0 d λdb B0 α 1 E d 0,25 E Ec E 1 1 0,30 E 2 0,25 E 3,5 0,10 E 6,8 0,10 E 9,16 E 1 = E 2 = E 3,5 = 5 MPa E 6,8 = E 9,16 = 25 MPa E c = 5,00 MPa / E d ~ 5,95 MPa λ c = 1,50 / λ d = 2,65 / α = 0,5 s ~ 1,3 cm Page 28

29 La question des modules Exemple d une semelle isolée : calage du module V=300kN/ml E= 2,6xE M /α Tassement de 1,3 cm pour E = 2,6 x E M /α Page 29

30 La question des modules Exemple d une semelle isolée : constat du taux de déformation Déformation volumique de l ordre de 10-3 Distorsion de l ordre de 10-3 (Cuira et Flavigny, 2016) Page 30

31 La question des modules Réponse d un pieu isolé : confrontation au modèle de Frank et Zhao (Cuira et Flavigny, 2016) Déformations comparables à semelle isolée Page 31

32 La question des modules Le cas d un écran de soutènement : REX station d épuration à Colombes P. Schmitt, CFMS, 2005 E calé = 4 x E M /α Page 32

33 La question des modules Fondation de deux immeubles de grande hauteur Tour A Tour B Page 33

34 La question des modules Fondation de deux immeubles de grande hauteur Tour B Tour C Tour A Argiles Argiles Argiles Page 34

35 La question des modules Fondation de deux immeubles de grande hauteur : étude de sensibilité Rapport E/E M dans Argiles Modèle numérique (éléments finis 3D) Modèle analytique (Boussinesq) Rapport des résultats 6,0 5,2 cm 5,5 cm 1,06 4,5 6,0 cm 6,5 cm 1,08 3,0 7,5 cm 8,5 cm 1,13 1,5 12,0 cm 14,2 cm 1,18 En affinant le choix du «modèle» : marge de 5 à 20% En affinant le choix du «module» : rapport de 1 à 3 sur le résultat! Page 35

36 La question des modules Fondation de deux immeubles de grande hauteur Solscope Géotechnique et transition numérique Page 36

37 La question des modules Fondation de deux immeubles de grande hauteur Marnes et caillasses Calcaire grossier Sables Même taux de déformation que sous une semelle isolée! Argiles 1 ε v ~ 10-3 γ s ~ 10-3 Argiles 2 ε v ~ 10-3 γ s ~ 10-3 Page 37

38 La question des modules Fondation de deux immeubles de grande hauteur Tour A Tour B (Cuira et Flavigny, 2016) Page 38

39 Couplages hydro-mécaniques Excavation avec rabattement de nappe Solscope Géotechnique et transition numérique 8 m Paroi 1 m Sables et graviers très perméables Sables limoneux k 1 k 0 Sables k 0 Page 39

40 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : intérêt des CPT Page 40

41 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : calcul régime d écoulement h = i = 0,28 k 1 = k 0 h = k 0 Equipotentiels hydrauliques : cas sans contraste de perméabilités Page 41

42 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : calcul régime d écoulement h = i = 0,60 k 1 = 0,2 k 0 h = k 0 Equipotentiels hydrauliques : cas avec contraste de 5 sur les perméabilités Page 42

43 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : calcul régime d écoulement h = i = 0,85 k 1 = 0,1 k 0 h = k 0 Equipotentiels hydrauliques : cas avec contraste de 10 sur les perméabilités Page 43

44 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : couplage hydro-mécanique i = 0 Déplacement 3,5 cm Déplacements horizontaux en l absence d écoulement (régime hydrostatique) Page 44

45 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : couplage hydro-mécanique i = 0,28 k 1 = k 0 Déplacement 4,0 cm k 0 Déplacements horizontaux en présence d écoulement (perméabilité homogène) Page 45

46 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : couplage hydro-mécanique i = 0,60 k 1 = 0,2 k 0 i ~ 0 Déplacement 8,0 cm k 0 Déplacements horizontaux en présence d écoulement (k 1 = 0,2 x k 0 ) Page 46

47 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : couplage hydro-mécanique i = 0,85 k 1 = 0,1 k 0 i ~ 0 Déplacement > 30 cm k 0 Déplacements horizontaux en présence d écoulement (k 1 = 0,1 x k 0 ) Page 47

48 Couplages hydro-mécaniques Solscope Géotechnique et transition numérique Excavation avec rabattement de nappe : étude de sensibilité Type de calcul Contraste perméabilités Gradient hydraulique Flèche (cm) Moment (knm/ml) Sécurité Hydrostatique -- i = 0 3, ,2 k 1 = k 0 i = 0,28 4, ,8 Ecoulement k 1 = 0,2 x k 0 i = 0,60 8, ,3 k 1 = 0,1 x k 0 i = 0,85 > 30 >1300 < 1 Etablir une estimation par excès de la perméabilité ne nous place PAS nécessairement du côté de la sécurité Page 48

49 Quels modèles pour l avenir? Améliorer l état de la pratique en matière de choix des modules à partir du pressiomètre (PN ARSCOP) Pour un type de sol donné (IP, DR etc...) E/E M Taux de déformation Page 49

50 Quels modèles pour l avenir? Importance des études de sensibilité η i s(ei ΔE i) s(e ) i 1 E 1 E 2 E 3 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% α i ηi η k Tassement différentiel Tassement absolu Module sables Module argiles Module Schistes Page 50

51 Quels modèles pour l avenir? Notion de diagramme d interaction Généralisation de la notion de courbe de chargement Diagramme établi pour un «critère» donné : déplacement, sollicitations, stabilité Page 51

52 Quels modèles pour l avenir? Notion de diagramme d interaction Effort horizontal Critère de conception Moment renversement DDC projet Page 52

53 Quels modèles pour l avenir? Développement de modèles «hybrides» : radiers et dallages Modèle Tasplaq (2006) Page 53

54 Quels modèles pour l avenir? Développement de modèles «hybrides» : radiers et dallages Modèle Tasplaq (2006) Page 54

55 Quels modèles pour l avenir? Développement de modèles «hybrides» : groupe de pieux Ressort élasto-plastique (lois de p-y ou t-z) Coefficients d interaction élastiques (analytiques) Massif multicouche (solutions Mindlin) Page 55

56 Quels modèles pour l avenir? Développement de modèles «hybrides» : écrans de soutènement - Renseigne sur tassement - Permet mise en évidence effet de «voûte» Plasticité (poussée/butée) concentrée à l interface Massif multicouche (solutions de Mindlin) Page 56

57 Le défi du géotechnicien Garantir une continuité avec les approches semi-empiriques => améliorer état de la pratique en matière de choix de paramètres (ex. PN ARSCOP) Faire parler les modèles au-delà des données d entrée : études de sensibilité / notion de diagramme d interaction Opportunité des modèles «hybrides» : perfectionnement (dans la continuité) des approches de dimensionnement usuelles Page 57

58 Merci pour votre attention Page 58