[PDF] Développement dun modèle numérique de couplage fluide

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UNIVERSITE DE LORRAINE

Ecole Nationale Supérieure des Mines de Nancy

Laboratoire GeoRessources

Ecole Doctorale RP2E

THESE

Présentée en vue du grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE LORRAINE

en Mécanique - Génie Civil Par

Bakri BASMAJI

Développement d"un modèle analytique d"interaction sol- structure pour l'étude du comportement mécanique des structures soumises à un mouvement de terrain - influence des déformations de cisaillement et de la plasticité

Soutenue publiquement le 15 décembre 2016

Devant le jury composé de

Abdul-hamid Soubra Rapporteur- Professeur - Université de Nantes Fabrice Emeriault Rapporteur - Professeur - INP Grenoble Anne Pantet Examinateur - Professeure - Université du Havre

Sommaire

1.1.1-

1.1.2-

1.1.3-

1.1.4-

1.2.1-

1.2.2-

1.3.1-

1.3.2-

1.3.3-

1.3.4-

1.3.5-

1.4.1-

1.4.2-

1.4.3-

1.4.4-

1.4.5-

&KRL[GHVPRGqOHV

2.4.1-

2.4.2-

2.5.1-

2.5.2-

2.5.3-

2.5.4-

3.1.1-

3.1.2-

3.1.3-

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4.3.1-

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4.4.2-

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4.5.1-

4.5.1-

2EMHFWLI

5.2.1-

5.2.2-

Introduction générale et problématique

Les mouvements de sol en surface peuvent produire des désordres sur les ouvrages construits en surface et les ouvrages enterrés. Ces mouvements peuvent trouver leur origine dans l'existence de

mines et de carrières souterraines en France et à travers le monde en raison de l'exploitation des

matières premières. Un grand nombre d'anciennes exploitations souterraines constituées de vides

abandonnés à différentes profondeurs existe ainsi en Lorraine par exemple. Ces vides

représentent un aléa parce que les terrains sus-jacents peuvent s'affaisser en cas d'effondrement

de l'édifice minier. Cinque affaissements se sont produits dans le bassin ferrifère Lorrain dans les

dernières 20 ans, ces affaissements ont endommagé plus de 500 bâtiments. Une autre origine

fréquente est le creusement de tunnels en site urbain, l'extension de la ligne de métro de Londres

et le projet de Grand Paris Express où plus de 200 km de travaux souterrains se déroulent dans des

zones urbanisées, ce sont des exemples des mouvements de terrains qui peuvent induire des dommages sur les bâtis, le niveau du dommage dépend de l'interaction sol -structure.

La bonne estimation du

tassement des terrains et du déplacement des bâtiments après un mouvement de sol est nécessaire pour permettre d'estimer la dégradation attendue dans ce

bâtiment. Si les méthodes numériques sont largement utilisées pour estimer ces déplacements,

leur util isation soulèvent de nombreuses questions pour justifier la pertinence des hypothèses

réalisées et reste coûteuse en termes de temps. Elles sont particulièrement pertinentes pour

étudier des configurations spécifiques. D'un autre côté, la problématique peut être étudiée par

des modèles physiques réduits qui se révèlent néanmoins coûteux également (en temps et argent)

et qui soulèvent également de nombreuses interrogations quant au choix des matériaux et du facteur d'échelle. Elles permettent de comprendre l a réponse qualitative de bâtiments dans une zone de mouvement de sol, mais la généralisation des résultats reste difficile. D'ici vient l'importance de faire des modèles analytiques simples et efficaces, permettant d'aboutir à des résultats quantitatifs et de mener des études de sensibilité. Si le mouvement de sol en terrain vierge est facile à prévoir d'après plusieurs relations

développées dans la littérature, ce n'est pas le cas pour un bâtiment qui se trouve dans cette zone

de mouvement. En effet, le déplacement du sol en terrain vierge ne peut pas être transmis au

bâtiment sauf s'il est très souple par rapport au sol, alors que la transmission de ce mouvement

sera presque nulle si le bâtiment et très rigide par rapport au sol. On va trouver que la typol

ogie

des bâtiments, leurs dimensions, les propriétés de matériaux utilisés, les charges appliquées,

l'intensité des mouvements du sol et la nature du sol jouent un rôle important en déterminant les

déplacements finaux dans ce bâtiment et les contraintes développées dedans. Négliger un ou

plusieurs de ces paramètres conduit forcement à une mauvaise estimation du déplacement de ce

bâtiment, ce qui cause une mauvaise estimation de la dégradation attendue en cas de mouvement de sol. Cette thèse a pour objectif de développer une nouvelle méthodologie pour estimer les déplacements prévus dans un bâtiment soumis à un mouvement de sol.

Dans une première partie, une étude bibliographique sera consacrée à la présentation des

phénomènes de mouvements de terrains, à leurs conséquences sur les constructions, et aux

différentes approches utilisées pour estimer les déplacements des bâtiments suite à ces

mouvements.

Dans une

seconde partie, les paramètres utilisés pour le modèle qui décrit le comportement de sol

dans ce travail seront justifiés. La justification de ces paramètres constitue un réel obstacle pour

développer le modèle analytique de l'interaction sol structure.

Dans une troisième partie, un modèle analytique de l'interaction sol structure sera développé afin

de pouvoir estimer les déplacements et les efforts dans un bâtiment soumis à un mouvement de

sol. Le taux de transmission des mouvements en champ libre du terrain au bâtiment sera calculé

et tracé en fonction de la rigidité relative en flexion du bâti par rapport au terrain. L'apport de ce

travail de thèse concerne principalement la prise en compte de déformations de cisaillement dans

le sol et dans le bâti. Dans une quatrième partie, l'influence de la prise en compte du comportement élastoplastique

dans le sol sur les déplacements d'un bâtiment soumis à un mouvement de sol sera étudiée. Les

développements proposés utilisent également une approche analytique.

Dans une cinquième partie, un modèle numérique en utilisant le code CESAR sera développé afin

de valider les résultats analytiques. D'autres comparaisons sont également proposées sur la base

de résultats de plusieurs modèles numériques et expérimentaux développés principalement à

l'Université de Cambridge pour suivre les réponses de bâtiments pendant les extensions de tunnel

de Londres.

1- ETUDE BIBLIOGRAPHIE

1.1- Origine des mouvements de terrain

Plusieurs phénomènes sont à l'origine de mouvements de terrain comme les affaissements miniers, le retrait-gonflement des sols argileux, les fontis, la variation de niveau de nappes, le creusement de tunnels, etc.

Ce travail s"intéresse plus spécifiquement aux mouvements induits par des cavités souterraines

(mines, carrières, tunnels). C"est vis-à-vis de ces mouvements que les phénomènes d'interaction

sol structure seront étudiés. 1.1.1 - Les affaissements miniers

L"exploitation des matières premières (fer, sel, gypse, etc.) au moyen de mines et de carrières

souterraines laisse aujourd'hui des vides souterrains abandonnés à différentes profondeurs et

sous différentes conditions environnement ales et climatiques. Après l'arrêt des exploitations, des affaissements peuvent se produire suite

à la rupture des piliers

ou du recouvrement. Le problème des affaissements et leurs conséquences sur les bâtiments et

les ouvrages en surface peuvent se révéler essentiel dans une optique de gestion des risques associés à ces exploitations. On distingue principalement deux types d'affaissements : les fontis et les affaissements progressifs ou brutaux. Les affaissements progressifs ou brutaux se produisent à l"aplomb d"exploitations de grande extension et peuvent se produire de manière accidentelle pour les exploitations exploitées notamment par chambres et piliers. Ils se manifestent en surface par une cuvette d'affaissement de grande ampleur, de forme continue ou discontinue. Les différentes étapes de l'affaissement d'une mine sont présentées dans la Figure 1-1. L'affaissement est qualifié de brutal ou progressif selon qu'il se produit de manière quasiment insta ntanée ou quasi-statique (plusieurs semaines à

plusieurs mois). La différence d"évolution entre une nature brutale ou progressive s"explique par

de nombreux facteurs tels que le taux de défruitement, la profondeur et la nature du recouvrement, etc. (Vachat 1982). Les affaissements miniers provoquent l'apparition d'une cuvette en surface. Cette cuvette a une

géométrie tridimensionnelle qui dépend de plusieurs facteurs liés à la géométrie de l'exploitation,

la profondeur de l'exploitation, la méthode de l'exploitation et les propriétés mécaniques du sol.

On trouvera des informations plus complètes dans les thèses de Deck (2002), et Aissaoui (1999).

Les déplacements verticaux sont à l'origine d'une pente et d'une courbure du terrain, alors que les

déplacements horizontaux sont à l'origine d'une déformation horizontale du terrain de type extensif vers l'extérieur de la cuvette et compressif vers l'intérieur de la cuvette. Figure 1-1 : Illustration du phénomène d'affaissement minier (Deck 2002)

Pour décrire les mouvements de terrain qui sont les résultats d'un affaissement minier, un certain

nombre de grandeurs sont définies (

Deck (2002) a regroupé les formules mathématiques permettant de décrire les affaissements en

surface ; deux grandes familles de fonctions apparaissent. La première est basée sur l'inverse de la

fonction exponentielle et la seconde sur la fonction tangente hyperbolique.

Le niveau de dommages d'une structure dépend

de sa typologie (matériaux, architecture et

forme), de l'amplitude de l'affaissement (déformation horizontale et courbure en particulier) et de

la position de la structure par rapport

à la cuvette d'affaissement.

Les différentes approches utilisées pour estimer le niveau de dommages d'une structure ont pris

en compte ces paramètres. Par exemple, NCB (1975) et Wagner et Schumman (1991) ont proposé des abaques afin d'estimer les endommagements de bâtiments en fonction de leur longueur et de la déformation horizontale du terrain. Wagner et Schumman (1991) proposent aussi un abaque

pour estimer la dégradation en fonction de la déformation horizontale et la pente du terrain. Il

existe également la méthode polonaise de Kwiatek (1998) qui utilise sept critères pour estimer la

dégradation d'un bâtiment (3 pour décrire la géométrie de la structure, 3 pour ses caractères

techniques et un paramètre pour décrire le terrain d'assisse).

Figure 1-2 : Illustration des mouvements de la surface des terrains et de la géométrie d'une cuvette

d'affaissement (Deck 2002) 1.1.2 - Le creusement de tunnels Le creusement des tunnels peut induire des mouvements en surface (

L'étude des mouvements associés au creusement des tunnels et leurs conséquences en termes de

dommage aux bâtiments et d'étude des phénomènes d'ISS ont fait l'objet de plusieurs études à

travers le monde Potts et Addenbrooke (1997), Withers (2001), Mair et Taylor (2001), Standing (2001), Viggiani et Standing (2001), Franzius (2003), Franzius et al. (2004), Dimmock et Mair (2008), Goh (2010), Goh et Mair (2011), Farrell et al. (2011) et Mair (2013).

A titre d'exemple, Giardina

et al. (2013) ont mené des études numériques et expérimentales afin

d'analyser le niveau de dommage d'une façade en maçonnerie suite à des travaux de creusement

de tunnel. Ils ont montré le rôle important que peut jouer l'initiation de l'endommagement d'un bâtiment sur les phénomènes d'ISS et le niveau de dommage final que peut subir l'ouvrage. Figure 1-3 : Mouvement induit par le creusement de tunnel (Serratrice et Magnan 2002) 1.1.3 - Effondrement localisé (Fontis) Une cloche de fontis correspond à une remontée localisée, par effondrements successifs des terrains au toit d'une cavité ( Figure 1-4 : Illustration du phénomène de fontis (Vachat 1982). 1.1.4 - Retrait-gonflement du sol

Les phénomènes de retrait-gonflement provoqués par la variation de la teneur en eau des sols

argileux peuvent produire des désordres sur les ouvrages en surface et sur les ouvrages enterrés.

Les maisons en maçonnerie restent les plus touchées par ce phénomène car leur résistance en

cisaillement est faible, ce qui les rendent vulnérables vis-à-vis du phénomène de retrait-

gonflement. Jahangir (2011), Olivella et al. (1996) et Denis et al. (2007) ont proposé des modèles

de l'ISS associés à des mouvements de sol de type retrait-gonflement.

Par exemple,

Jahangir

(2011) a proposé une méthodologie d'étude de l'interaction sol argileux-

structure pour estimer l'influence de la rigidité du bâti sur l'amplitude du retrait des sols argileux.

Le comportement hydromécanique du sol est modélisé par une surface d'état et la rigidité du bâti

par un ressort. Il a montré que plus le bâti est rigide plus l'amplitude du retrait du sol argileux est

faible. Il a également montré que l'influence de la raideur du bâti sur l'amplitude du retrait n'est

pas négligeable et qu'elle varie en fonction de l'état initial et la nature du sol. Figure 1-5 : Schéma de principe du phénomène de retrait-gonflement des argiles(BRGM)

1.2- Description et prévision des mouvements en champ libre

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