Projet de thèse Etude du comportement hydro

Programme de cotutelles de thèses
Université libanaise et réseau UT-INSA
Propositions 2013 _ Juan Martinez, INSA de Rennes
Projet de thèse
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Intitulé du sujet
Etude du comportement hydro-mécanique des sols fins
renforcés par colonnes ballastées
1. Introduction
L’urbanisation rapide des pays développés ou en voie de développement comporte la
densification des constructions telles que bâtiments, ouvrages d’art, voies de
communication… Cette urbanisation implique l’utilisation croissante des surfaces de sols
disponibles, parfois de faibles caractéristiques mécaniques tels que les sols fins ou argileux,
déformables et de faible portance. Cette problématique pose un défi réel pour les
géotechniciens dans la plupart des grandes villes au Liban telles que celles côtières comme
Beyrouth, Tripoli, Saida ou bien à l’intérieur du Pays comme les villes localisées dans la
vallée de la Bekaa. De même, cette difficulté est souvent rencontrée dans la majorité des
grandes villes françaises. Pour pallier à ces défauts, différentes techniques de renforcement
des sols par inclusions ont été développées et appliquées au cours de ces dernières années :
inclusions rigides (micro-pieux, jet grouting…) ou inclusions souples (géotextiles, colonnes
ballastées…).
La technique de renforcement des sols de faible portance à l’aide des colonnes ballastées
est appliquée dans de nombreux pays depuis plusieurs décennies et a connu un large succès,
preuve de son efficacité. Cette technique consiste à incorporer et à compacter dans un
maillage régulier de puits verticaux réalisés dans le sol mou, des couches successives de
matériaux granulaires (sable, gravier, ballast) de caractéristiques géotechniques supérieures à
celles du sol initial en place (Figure 1). Une fois les colonnes verticales réalisées on dispose
une couche horizontale granulaire entre la surface du sol traité et l’ouvrage à construire
(remblai, bâtiment…) jouant un rôle de répartition des charges (Dhouib et Blondeau 2005).
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Remblai
Matelas de répartition
ballast, 0,5 < H (m) < 1
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Sol mou
~ ~ ~ ~ ~ ~ ~~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
Colonne ballastée
ballast, 0,5 < Φ (m) < 1,2
Substratum
Figure 1. Principe des colonnes ballastées (Phan 2010)
Selon le savoir-faire des entreprises et le type de sol en place, la mise en place pratique
des colonnes ballastées fait l’objet de différentes variantes : voie sèche ou humide, battage,
fonçage, vibration…
L’efficacité des colonnes ballastées se traduit par le fait qu’elles confèrent au sol en place
des caractéristiques hydro-mécaniques améliorées en termes de drainage, de rigidité et de
résistance, conduisant en particulier à :
l’amélioration de la portance,
la réduction des tassements,
l’augmentation de la vitesse de consolidation,
la contribution à la stabilité générale des remblais,
la réduction du risque de liquéfaction dans les zones sismiques…
Ce dernier point est fort intéressant pour le Liban. En effet, ce pays est à fort risque
sismique. D’un point de vue géologique, le territoire libanais est traversé du sud au nord par la
fameuse faille majeure appelée "Faille du Levant" et qui continue son chemin vers les pays
voisins. En plus, il existe aussi un réseau de quelques failles secondaires qui sont distribués
partout et dont certaines ont été découvertes récemment, notamment celle qui relie Beyrouth
et Tripoli à travers la mer. A ce sujet, le Liban, au cours de son histoire, a déjà été secoué par
plusieurs tremblements de terre violents et destructeurs. On peut citer à titre indicatif ceux
recensés dans les années 551, 1202, 1759 et 1837, et plus récemment ceux des années 1956 et
2008. Certains de ses séismes ont conduit à la destruction de Beyrouth avec des secousses et
des répliques qui ont duré plusieurs mois. La zone est classée par une accélération maximale
du sol (Peak Ground Acceleration-PGA) qui pourrait dépasser 0,2g. Le niveau de la nappe
phréatique à Beyrouth ou dans la plaine de la Bekaa se trouve à faible profondeur. Donc, pour
certains types de sol dans ces zones les risques de liquéfaction sont forts probables. Ainsi, les
conséquences en cas des secousses sismiques peuvent avoir des conséquences dramatiques au
niveau des pertes humaines et des dégâts matériels. Il convient alors de trouver le moyen le
plus efficace pour les minimiser ou les éviter.
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En outre le procédé industriel adopté pour réaliser l’amélioration des sols est
particulièrement intéressant sur le plan environnemental en termes d’économie d’énergie et de
bilan-carbone, dans la mesure où il utilise des produits naturels sans phases complexes de
transformation et dégagement des effets nocifs à la fois pour le sol et l’atmosphère.
Des essais en place ont montré l’importance des effets de groupe et la génération de
pression interstitielle dans le sol fin lors de la mise ne place des colonnes due à l’expansion
latérale de celles-ci (Corneille 2007).
Les modélisations courantes sont basées sur différents schémas de rupture (Datye 1982,
Brauns 1978) pour la détermination des charges limites ou sur l’homogénéisation du
complexe sol-colonne pour le calcul des déplacements des ouvrages (Priebe 1995). Des
solutions analytiques ont également été proposées prenant en compte les déformations élastoplastiques du sol et des colonnes (Six 2006) ou la consolidation radiale autour de celles-ci
(Castro et Sagaseta 2008).
Malgré l’efficacité attestée du procédé, les méthodes de calcul et de dimensionnement des
colonnes ballastées laissent encore une très large place à l’empirisme, en particulier quant à la
distribution dans le complexe sol mou/colonne ballastée des efforts induits par la
superstructure, et quant aux modifications induites par le mode de mise en place de la colonne
ballastée sur la couronne de sol entourant celle-ci.
Des modifications significatives du sol compressible (rigidification, augmentation de la
cohésion…) autour de la colonne ont été constatées expérimentalement sur site (Six 2006) ou
mises en évidence au moyen de simulations par éléments finis (Guetif et al 2007 ; Nguyen et
al 2007) mais n’ont pas fait l’objet d’études systématiques susceptibles de se traduire par des
règles pratiques permettant d’optimiser le dimensionnement.
2. Travaux antérieurs réalisés à l’INSA de Rennes
C’est à la modification des propriétés du sol environnant la colonne que nous nous
sommes intéressés dans le cadre d’une thèse de doctorat (Phan 2010 ; Phan et al 2010),
préparée au Laboratoire GCGM de l’INSA en adoptant une approche expérimentale de
laboratoire, laquelle a consisté à reproduire à petite échelle (environ 1/25è) différents modes
de mise en place des colonnes. Celles-ci ont été constituées avec du sable fin de granularité
assez homogène introduit dans un massif cylindrique d’argile (kaolinite) saturée et préconsolidée. Les colonnes ont été réalisées à l’aide de différentes techniques représentatives
des procédés utilisés sur le terrain : sans refoulement et sans compactage (SR-SC), sans
refoulement et avec compactage (SR-AC), avec refoulement et avec compactage (AR-AC).
Les résultats principaux de ce travail ont été la mise en évidence de la densification du sol
jusqu’à une distance égale environ au rayon de la colonne de sable dans des proportions assez
significatives (Figure 2). Cette densification a une incidence sur les paramètres hydro-
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mécaniques des sols (perméabilité, coefficient de consolidation, rigidité, résistance…) qu’il
convient d’évaluer et de prendre en compte dans la pratique du dimensionnement.
1,1
Colonne
de sable
1
Argile
0,9
Moyenne SR-SC
1+∆e/e
Moyenne SR-AC
0,8
Moyenne AR-AC
0,7
0,6
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
r/Rdéc (mm)
Figure 2. Variation de l’indice des vides au voisinage des colonnes de sable (Phan 2010)
Sur le plan de la simulation numérique, plusieurs travaux ont été menés consistant à
reproduire les observations expérimentales en laboratoire à l’aide de modélisations par
éléments finis en considérant des chargements simples tels que l’expansion radiale de
l’ensemble de la colonne (Y 2011 ; Kan 2012) ou par couches successives (Mekaoussi et al
2012). Bien qu’une densification du sol environnant comparable à celle observée
expérimentalement ait été mise en évidence, des calculs nouveaux doivent mieux reproduire
les modes de mise en place et les résultats traduits en termes hydro-mécaniques.
3. Objectifs et contenu de la nouvelle thèse proposée
Les travaux antérieurs ont constitués un pas important dans l’étude de renforcement des
sols. Mais ils nécessitent des prolongations pour traiter des aspects complémentaires afin
d’aboutir à des conclusions pertinentes. Ainsi, le prolongement du travail ci-dessus mené à
l’INSA de Rennes portera sur l’étude approfondie des propriétés en service des matériaux mis
en jeu (ballast et sol compressible) induites par les procédés de mise en œuvre. Ce travail
comporte à la fois des aspects expérimentaux et des aspects de simulation numérique.
Travail expérimental
Le travail expérimental consistera à reproduire les procédés de mise en œuvre dans une
chambre de calibration, soit à une échelle de l’ordre de ½ à 1/5, intermédiaire entre l’échelle
réduite utilisée précédemment au laboratoire, trop petite pour être représentative d’un ouvrage
réel, et l’essai de terrain (échelle 1/1) où le contrôle des différents paramètres s’avère très
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difficile. Cette étude permettra en particulier de mettre en évidence d’éventuels effets
d’échelle.
Les dimensions des colonnes envisagées sont d’environ 20 cm de diamètre dans une cuve
cylindrique de sol compressible d’environ 1.5m de diamètre afin de s’affranchir des effets de
bord. Le sol compressible sera constitué par une argile homogène, mise en place par couches
successives et dont on contrôlera précisément les paramètres d’état (teneur en eau,
compacité). Le matériau constitutif des colonnes sera du gravier de granularité serrée et de
diamètre équivalent maximal égal à 20 mm et de caractéristiques physiques différentes
(minéralogie, angularité).
Les deux matériaux ci-dessus feront l’objet d’essais homogènes de caractérisation, en
particulier à l’aide d’essais triaxiaux, destinés à déterminer les paramètres hydro-mécaniques
(perméabilité, résistance, rigidité) dans des conditions les plus proches possibles de celles
résultant de leur mode de mise en place dans la cuve.
Une originalité majeure du travail expérimental consistera à reproduire différents modes
de mise en place, tels que ceux utilisés avec les modèles réduits précédemment testés au
laboratoire et à analyser leur influence sur les résultats en termes de caractéristiques hydromécaniques de chacun des matériaux et du comportement du complexe sol/colonne : vitesse
de consolidation, tassements finaux, charges limites…
Le matériau choisi sera extrait respectivement des sites représentatifs aussi bien au Liban
qu’en France.
Simulation numérique
En complémentarité au travail expérimental, des simulations numériques seront menées
dans le but de décrire le fonctionnement intime du complexe sol/colonne : déformations
internes, transmission et distribution des efforts, zones plastifiées… Les simulations seront
menées à la fois par des méthodes traditionnelles aux éléments finis, qui considèrent chaque
matériau comme un continuum homogène, mais également par des modèles aux éléments
distincts qui considèrent les matériaux comme des ensembles discontinus de grains en
contact. On peut utiliser les logiciels disponibles tels que PLAXIS et UDEC. Dans un premier
temps et pour des raisons de simplicité, on pourrait adopter des calculs simplifiés en
conditions bidimensionnelles. Ensuite, des vrais calculs tridimensionnels seront effectués. Les
calculs sous chargements dynamiques peuvent aussi être envisageables pour traiter le
comportement d’ensemble en cas des secousses sismiques.
Les modèles basés sur les concepts d’éléments distincts s’avèrent mieux adaptés à l’étude
du comportement du ballast, de nature fondamentalement discrète. Dans ce cas, une attention
particulière sera portée sur la morphologie des grains, élément primordial mais présentant des
difficultés pratiques de représentation. L’identification des paramètres mécaniques de contact
intergranulaire seront identifiés par calcul inverse à partir de la simulation d’essais
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homogènes tels que l’essai triaxial. Le couplage entre modèle continu pour représenter le sol
fin et modèle discontinu pour représenter le ballast est également à considérer. Des études de
sensibilité concernant les paramètres les plus importants seront réalisés pour bien caractériser
leurs effets.
Afin d’analyser d’éventuels effets d’échelle, les simulations porteront d’une part sur les
essais déjà réalisés sur les modèles réduits de laboratoire, mais également sur les essais à
réaliser en chambre de calibration et sur des expérimentations bien documentées publiées de
la littérature (Corneille 2007 ; Six 2006). Les objectifs de cette phase consistent à reproduire
les observations expérimentales des travaux réalisés en laboratoire et des applications sur des
cas sites réels sélectionnés a la fois au Liban et en France.
Au-delà des analyses fines ci-dessus, le but final des simulations sera de dégager des
règles simplifiées facilement applicables dans les calculs courants des praticiens et qui
viennent enrichir les méthodes usuelles. Ainsi des recommandations seront données dans le
but d’optimiser le processus de dimensionnement.
2. Protocole de recherche et Calendrier de l’alternance
Cette thèse sera réalisée en cotutelle entre l’INSA de Rennes d’une part et l’Ecole
Doctorale des Sciences et de Technologie de l’Université Libanaise d’autre part. La séquence
des différentes parties du travail de thèse et l’alternance des séjours dans les deux
établissements d’inscription prennent en compte un équilibre global des périodes passées dans
chaque établissement et les moyens matériels disponibles dans chaque laboratoire (tableau 1).
Du côté libanais, ce travail permet d’initier une collaboration de recherche entre
l’Université Libanaise et l’INSA de Rennes dans le domaine de Génie Civil. Certes, ce début
se fait par un travail en partenariat pour une thèse en cotutelle. Dans l’avenir, elle sera étendue
à la formation doctorale y compris l’échange des étudiants au niveau M2R et l’encadrement
continu des thèses en commun. L’échange réciproque des enseignants des chercheurs permet
de renforcer davantage la collaboration. Les retombées peuvent avoir des effets positifs sur les
trois niveaux suivants :
1- Scientifique
Dans ce cas, on peut avoir un apport scientifique important visant une bonne compréhension
du phénomène de renforcement ou d’amélioration des sols dans les zones urbaines avec prise
en compte des principaux paramètres. Les résultats attendus vont permettre aussi un meilleur
usage et une adaptation des règles de calcul et de dimensionnement. Ceci se traduit par un
renforcement de la collaboration de recherche entre les équipes de recherche de l’Université
Libanaise et françaises à l’INSA de Rennes.
2- Sur la formation
Les résultats des études peuvent être utilisés à la fois pour la formation des enseignants et
des étudiants. L’explication et l’interprétation des cas traités aux étudiants couvrant les
aspects expérimentaux et numériques (informations sur les cas réels, analyse des données
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et des résultats) seront bien appréciées. Le public visé sera au niveau du cycle ingénieurs
ou bien au niveau M2R Génie Civil à l’Ecole Doctorale des Sciences et de Technologie.
Finalement, on pourrait donner un fort appui aux bureaux d'études dans leur choix ou
l’adaptation des méthodes de calcul les plus appropriées.
3- Economiques et sociales
Dans ce contexte, on pourrait identifier des zones les plus vulnérables avec proposition des
cartes de risque pour les zones urbaines concernées. Les résultats attendus vont permettre un
renforcement de la stabilité des structures dans ces zones et minimisation des pertes
matérielles et humaines en particulier en cas des chargements sismiques.
Tableau 1. Séquences de travail et alternance de séjour
Semestre
S1
de
Sept. 2013
à
Fév. 2014
Lieu
Travail
Liban
Etude bibliographique : Etat de l’art des travaux
réalisés, recherche des cas réels documentés
publiés dans la littérature
Simulations des essais existants.
S2
Mars 2014
Août 2014
France
Préparation des matériaux et du matériel..
S3
Sept 2014
Fév 2015
Liban
Essais homogènes sur les matériaux
S4
Mars 2015
Août 2015
France
Expérimentation en chambre de calibration
S5
Sept 2015
Fév. 2016
Liban
Simulation des essais en chambre calibration
S6
Mars 2016
Août 2016
France
Rédaction du mémoire de thèse et soutenance
Les essais simples (essais homogènes) et les simulations numériques pourront être réalisés
dans l’un ou l’autre des laboratoires d’accueil, ce qui offre une certaine souplesse. Les essais
plus lourds (chambre de calibration) seront réalisés à l’INSA de Rennes qui dispose d’un hall
d’essais mécaniques de grande capacité (vérins, portiques, moyens de manutention…) et
d’une aide logistique adaptée en termes de personnel technique et de support de conception et
de fabrication (Centre Commun de Mécanique).
Références bibliographiques
Brauns H., Initial bearing capacity of stone columns and piles. Proc. Symposium Soil
reinforcing and stabilizing techniques in engineering practice, Vol. 1, 1978, pp.497-512.
Castro J., Sagaseta C., Consolidation around stone columns. Influence of column
deformation, Int. J. Numer. Anal. Meth. Geomech. 2009; 33:851–877.
Corneille S., Etude du comportement mécanique des colonnes ballastées chargées par des
semelles rigides, Thèse de doctorat, Institut national polytechnique de Lorraine, 2007.
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Datye K.R., Settlement and bearing capacity of foundation system with stone columns, Proc.
Symposium on soil and rock improvement techniques including geotextiles reinforced earth
and modem piling methods, A-1-1 A-1-27, 1982.
Dhouib A., Blondeau F., Colonnes Ballastées, Presses de l’École National des Ponts et
Chaussées, Paris, 2005.
Guetif Z., Bouassida M., Debats J.M., Improved soft clay characteristics due to stone column
installation, Computers and Geotechnics 34:104-111, 2007.
Kan K., Simulation numérique du comportement hydro-mécanique des colonnes ballastées et
du sol environnant, mémoire de Master recherche, INSA de Rennes, juin 2012.
Mekaoussi.A., Karech.T., Rangeard D., Martinez.J, Analysis of a reduced model of stone
columns by the finite element method, Séminaire International Risques et Génie Civil, Batna
2012.
Nguyen N.T., Foray P., Flavigny E., Prise en compte de l’effet de la mise en place dans la
modélisation numérique en 3D des colonnes ballastées dans l’argile molle, 18ème Congrès Français
de Mécanique, Grenoble, 27-31 août 2007.
Phan V.T.P., Renforcement des sols compressibles par colonnes ballastées, Thèse de doctorat,
INSA de Rennes, 2010.
Phan V.T.P., Lambert S., Rangeard D., Martinez J., Simulation en laboratoire de la mise en
place de colonnes ballastées, Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de
l’Ingénieur JNGG 2010.
Priebe H.J., The design of vibro replacement, Ground engineering, Technical paper 12-61 E,
Offenbach, Germany, 1995.
Six V., Analyse du comportement des colonnes ballastées : influence des conditions initiales,
Thèse de doctorat, Université des Sciences et Technologies de Lille, 2006.
Y M., Simulation numérique de la modification du sol compressible environnant sous l’effet
de la mise en place des colonnes ballastées, mémoire de Master recherche, INSA de Rennes,
juin 2011.
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