Étude du comportement des plateformes en sol traité sur inclusions rigides : approches expérimentales et numériques

Doctorant : Julien MANNAH

Laboratoire INSA : GEOMAS - Géomécanique, Matériaux, Structures

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

La technique de renforcement des sols par inclusions rigides (IR) a connu un développement rapide au cours des dernières années. Cette technique combine des inclusions rigides verticales traversant la couche de sol compressible et une plateforme de transfert de charge (PTC) installée entre l'ouvrage et les inclusions. Ces éléments transfèrent la charge vers des horizons porteurs en pied d'inclusions sans surcharger la couche de sol compressible. L'utilisation des plateformes de transfert de charge granulaires est courante dans les projets de renforcement du sol par inclusions rigides. Cependant, l'exploitation des ressources naturelles a fortement augmenté due à la croissance démographique et l'évolution du marché de la construction, d'où la nécessité de trouver des solutions alternatives afin de limiter la pression sur les ressources en matériaux granulaires. Dans ce contexte, un traitement de la couche supérieure du sol en place peut être envisagé afin de limiter le sol d'apport. Le projet national ASIRI « Amélioration des sols par inclusions rigides » a été mené en France entre 2005 et 2011 pour proposer des règles de mise en œuvre et de dimensionnement du renforcement de sol par IR. En 2019, un nouveau projet national (ASIRI+) a été initié pour compléter les recommandations ASIRI (2012) sur des sujets insuffisamment traités tel que celui des PTC en sol traité. Les travaux de la présente thèse intitulée « Étude du comportement des plateformes en sol traité sur inclusions rigides : Approches expérimentales et numériques » s'intègrent dans le cadre du projet national ASIRI+ et ont pour objectif d'apporter des éléments de compréhension sur les mécanismes développés au sein des plateformes sur IR et de proposer de nouvelles règles de dimensionnement. Les moyens mis en œuvre sont expérimentaux avec des essais en laboratoire à échelle 1, des caractérisations des différents traitements et des ouvrages réels instrumentés. Ces moyens sont aussi numériques par la modélisation numérique de ces renforcements de sol calibrée sur les résultats des expérimentations. Enfin, un volet environnemental complète cette étude avec une analyse de cycle de vie (ACV) qui prend en compte les impacts environnementaux des PTC granulaires et traitées. Les essais de caractérisation en laboratoire montrent bien l'effet du traitement sur les résistances mécaniques du sol traité. Des essais de résistance à la compression, flexion, traction (essai brésilien) et au cisaillement (essais triaxiaux) sont réalisés pour évaluer les performances mécaniques du sol traité. Plusieurs essais à échelle 1 permettent de tester le comportement des PTC en sol traité sur inclusions rigides où un comportement assimilable à celui d'une dalle est observé. Deux modes de rupture « poinçonnement et flexion » sont observés dans ces essais. L'instrumentation montre que le transfert de charge dans les PTC traitées est immédiat contrairement au cas des PTC granulaires où les mécanismes de transfert de charge sont un peu plus progressifs. L'effet de la présence d'une plateforme de travail sous les PTC traitées est aussi évalué dans ces essais. Le modèle numérique développé permet d'évaluer à travers une étude paramétrique l'effet de différents paramètres sur l'efficacité en contrainte et en tassement du système. Le schéma du cône de cisaillement (ASIRI, 2012) représente le mieux les mécanismes de transfert de charge dans la PTC traitée. La diffusion de la contrainte est assimilée à un tronc de cône, issu de la tête de l'inclusion et formant un angle <p par rapport à la verticale. Cela a été vérifié numériquement, analytiquement et expérimentalement. L'ACV réalisée prend en compte les effets environnementaux des PTC granulaires et traitées et montre qu'une analyse multicritère est requise pour chaque projet de renforcement du sol afin d'évaluer l'impact environnemental global.

Comportement non-linéaire des pieux sous séisme : Développement d'un élément fini biphasique

Doctorant : Thomas LHERMITTE

Laboratoire INSA : GEOMAS - Géomécanique, Matériaux, Structures

École doctorale : ED 162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'interaction entre le sol et la structure est déterminante pour le comportement sismique des ouvrages fondés sur pieux. Elle implique à la fois le comportement du sol, de la fondation et de la superstructure. L'échelle du problème est donc significative. Prendre en compte les non-linéarités lors du dimensionnement nécessite des modèles détaillés. Une approche de modélisation directe peut s'avérer coûteuse en temps de calcul ainsi qu'en mémoire. Bien que des méthodes simplifiées existent, certaines hypothèses peuvent être limitantes lorsqu'il s'agit de prendre en compte simultanément : les non-linéarités matérielles se développant dans le sol et dans la fondation, l'effet d'interaction de groupe de pieux, et des stratigraphies hétérogènes. L'objectif de ce travail est de condenser les non-linéarités du sol et du pieu tout en conservant une description de ces non-linéarités dans la hauteur du pieu. La non-linéarité du sol est condensée à l'interface entre le sol et le pieu, matérialisée par la fibre moyenne de ce dernier, tandis que la non-linéarité du pieu est modélisée par une approche multi-fibres. L'outil développé prend la forme d'un nouvel élément fini innovant utilisant une approche dite« biphasique ». Cette dernière permet de décrire une interaction continue entre la phase "sol" et la phase "pieu". Les non-linéarités étant condensées au sein de l'élément fini biphasique, le comportement du sol dans un groupe de pieux peut être intégré au moyen des matrices d'impédances générées préalablement par sous-structuration. Ceci permet une économie du nombre de degrés de libertés du système. Deux lois d'interaction sol-pieux ont été développées: l'une basée sur une formulation élasto-plastique et l'autre sur une formulation hypo-plastique. Divers éléments finis biphasiques, avec différentes fonctions de forme et degrés d'interpolation sont premièrement développé et validés sous MATLAB puis implémentés dans le Code_Aster. Les éléments sont validés en statique puis en dynamique par comparaison à des résultats issus de la littérature. Cette recherche est menée dans le cadre d'un contrat CIFRE avec la société Stabilis.

 

« Etude de la vulnérabilité sismique de structures de génie civil : dévelopement d'essais pseudo-dynamiques sous-structurés pour lacaractérisation de la perte de portance appliquée aux ouvrages poteaux-poutres »

Doctorant : Jean-Baptiste CHARRIE

Laboratoire INSA : GEOMAS

École doctorale : ED162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique)

La perte de portance suscite un intérêt croissant en raison du contexte socio-économique : mieux comprendre ce phénomène est nécessaire pour réduire les risques associés. De nombreux essais sont donc réalisés dans le domaine académique. Expérimentalement, les études sont rapidement limitées à cause des coûts et de la complexité de mise en place : une grande partie des essais sont réalisés de manières quasi-statique et sur des sous-assemblages. Le comportement dynamique de structure complète est généralement modélisé numériquement. Cependant, le niveau de confiance dans les modèles est très dépendant des lois de comportements et des paramètres utilisés. De plus, l’importance de la prise en compte du comportement dynamique globale des structures est soulignée aussi bien par l’état de l’art de la recherche que part les recommandations de calcul en vigueur. La méthode des essais pseudo-dynamiques sous-structurés (utilisée dans le génie parasismique) est donc ici adaptée à l’étude de la perte de portance. En se basant sur la méthode des éléments finis, la contribution des effets d’inertie et les efforts visqueux sont calculés ; seule la réponse statique équivalente de la structure est testée expérimentalement. La sous-structuration permet d’associer la partie expérimentale de la structure à un ensemble numérique plus large. L’expérience se concentre ainsi sur la partie critique de la structure, et le comportement dynamique global est tout de même reproduit. La méthode adaptée est appliquée à un portique 2D en béton armé. Les poutres de l’étage inférieur sont testées, et le reste est modélisé avec des éléments finis poutres multifibres non-linéaires. Un couplage de schéma explicite-implicite permet de garantir la convergence de l’ensemble numérique, sans compromettre la mesure expérimentale. Des mécanismes non-linéaires sont observés dans la structure physique. Les résultats d’essais sont présentés et discutés, car la méthode permet d’obtenir des informations supplémentaires sur la réponse de la structure par rapport à un essai quasi-statique.

Contribution à l'étude du comportement des structures renforcées par des armatures en fibres de carbone

Doctorant : Astérios VALOGIANNIS

Laboratoire INSA : GEOMAS

École doctorale : ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Steel corrosion is one of the main causes of mechanical deterioration of reinforced concrete structures during their lifetime. A promising alternative for their reinforcement is the Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars. These bars are also being studied in the context of reinforcing the underground structures that will host the radioactive waste produced in France, through related research projects carried out by the French National Agency for Radioactive Waste Management (ANDRA). The research conducted through this PhD thesis contributes to gaining more knowledge about the behavior of these bars by focusing on their interaction with concrete. Four types of carbon FRP (CFRP) bars were selected for this study, which differ, among others, in their surface treatment as follows: ribbed, sand-coated, smooth and twisted bars. Conventional steel bar is also used for comparison purposes. Steel-reinforced and CFRP-reinforced cubic concrete samples with 20 cm on each side are tested in pull-out loading to evaluate and quantify the concrete/bar bond behavior. Each CFRP bar exhibits a different bond performance attributed mainly to the composition and geometry of their outer surface, with ribbed bar presenting the highest bond strength among CFRP bars. Some of the CFRP-reinforced samples are also subjected to partial pull- out loading, while others remain unloaded. Cylindrical samples of 0.6-2.5cm thickness and 4.2cm in diameter obtained by core drilling from the CFRP-reinforced samples are studied using Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy, indentation and push-out tests. The objective is to understand the interface behavior and its failure mechanisms. One of the notable results is the poor concrete-carbon fibers bond and the good concrete-polymer bond. Bond strength values obtained from pull-out tests with CFRP bars are converted to anchorage length in beams. This additionally requires the determination of parameters resulting from the beams design. A steel- reinforced concrete beam is also studied for comparison purposes.

Rigid inclusions under wind turbine foundation: experimental behaviour and numerical studies

Doctorant : Adnan SAHYOUNI

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

Les éoliennes terrestres ont une durée de vie de 20 à 25 ans. Après cette période, l'exploitant est confronté au problème du rééquipement du parc. La question est d'autant plus explosive qu'un tiers des éoliennes terrestres en Europe ont atteint la fin de leur durée de vie. D'autre part, la technologie des éoliennes est en constante évolution. Aujourd'hui, la puissance du matériel tend à augmenter de manière significative, ainsi que la hauteur du mât. Cela génère des forces accrues à la base du mât. La semelle de fondation en béton armé n'est plus adaptée aux nouvelles contraintes selon les codes usuels. La solution actuellement envisagée est de déconstruire complètement la semelle en béton armé et de reconstruire une semelle plus lourde. FEDRE (Fondations d'Eoliennes Durables et REpowering) est un projet de recherche impliquant le laboratoire GEOMAS de l'INSA de Lyon, la société Menard et d'autres partenaires industriels. L'objectif de ce projet est de trouver des solutions pour la réutilisation des fondations existantes lors des phases de repowering, lorsqu'une éolienne est remplacée par une nouvelle machine potentiellement plus puissante. L'intérêt de la recherche du projet est d'étudier la complexité du transfert de la charge du vent cyclique, ainsi que l'effet mécanique de la structure sur le sol renforcé par des inclusions rigides, type CMC, en simplifiant le mécanisme complexe du système par l'étude de ses composants individuels. La recherche est divisée en trois domaines principaux : (1) l'instrumentation d'une fondation d'éolienne de nouvelle génération basée sur des CMC, (2) la modélisation numérique tridimensionnelle et non linéaire par la méthode des éléments finis en utilisant les données calibrées par l'instrumentation, et (3) le développement d'un macro-élément multi-échelle pour un sol renforcé par des inclusions rigides sous charge axiale, horizontale et un moment de renversement est développé et validé numériquement puis expérimentalement.

Etudes expérimentales des plateformes granulaires renforcées par géosynthétiques

Maître des conférences : Laurent Briançon

Laboratoire INSA : GEOMAS

Composition du jury : 

Rapporteurs : Breul Pierre - Reiffsteck Philippe - Tsuha Cristina
 
Jury :

Mme Baietto Marie Christine - Professeure - INSA Lyon
M. Breul Pierre - Professeur - Polytech Clermont
M. Ferrier Emmanuel - Professeur - UCBL1
M. Grange Stéphane - Professeur  - INSA Lyon
M. Plumelle Claude - Professeur émérite - Cnam
M. Reiffsteck Philippe - Directeur de recherche - UGE
Mme Tsuha Cristina - Professeure associée - Université de Sao Paulo

Techniques de modélisation multi-échelle de l'interface acier- béton pour le calcul de structures en béton armé à grande échelle

Doctorante : Maryam TRAD

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 MEGA

La caractérisation du comportement mécanique des structures en béton armé est un défi majeur, en particulier lorsque des sollicitations au-delà du niveau de dimensionnement sont considérées. Dans ce cas, des informations locales sur le comportement de fissuration du béton sont indispensables pour évaluer la performance structurale. Cela est observé dans le cas où les ouvrages de génie civil présentent des exigences d’étanchéité. La prise en compte de l’intéraction entre le béton et les armatures en acier dans les simulations numériques joue un rôle important dans l’estimation du phénomène de fissuration. Les approches existantes de modélisation numérique de cette interface acier-béton restent peu satisfaisantes principalement car elles demandent des temps de calcul élevés. Leur application à l’échelle d’un bâtiment industriel reste toujours fastidieuse (Phan et al., 2015). Le but de ce travail de thèse est de proposer des stratégies de modélisation de l’interface acier-béton ayant le coût numérique le plus bas possible et étant applicables à l'échelle de l'ouvrage. Pour cela, une approche multi- échelle est proposée. Cette approche consiste à définir un macro-élément capable de reproduire le comportement de l’acier et de l’interface acier-béton reliés au moyen d’une densité d’efforts d’adhérence. Cette approche est intégrée dans des calculs de structures bidimensionnels (2D) et tridimensionnels (3D). En parallèle, une méthode de modélisation de l’interface dans le cadre d’éléments poutres inspirée des travaux de (Yousefi et al., 2020) et de (Abtahi et Li, 2023) est présentée. Une extension de cette approche vers des éléments plaques est réalisée. Les différentes techniques proposées dans ce travail sont utilisées pour modéliser des tests expérimentaux de caractérisation du comportement de l'interface. Des exemples structuraux de poutres en flexion trois et quatre points sont également modélisés. Les applications présentées démontrent la robustesse des approches proposées et leur capacité à reproduire le comportement expérimental d'éléments structuraux en béton armé.

 

 

Generalization of 3D meso-structures for a micro-structural approach of soil behavior

Doctorant : Joao GONCALVES DE OLIVEIRA CHUEIRE

Laboratoire INSA : GEOMAS

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

In the field of granular materials, a link between the microscopic variables (contact force and displacement) and macroscopic variables (stress and strain) requires the usage of structures of the mesoscopic scale. A well-known mesostructure is the so-called Loops, geometrical figures formed by grains in contact. These structures tessellate the material domain into elementary partitions that account for the physics of granular materials. However, the definition of Loops is restricted to 2D conditions. In this thesis, we propose a definition and a procedure to extend the notion of Loops to the three-dimensional case. A weighted Delaunay Tessellation is used to divide a 3D specimen into tetrahedra, which are later merged to create the sought structures. The merging criterion is defined consistently with the one used for creating Loops in 2D. As the 3D structures do not match the mathematical definition of Loops, they will henceforth be called Clusters. To test this extension , a series of 3D DEM triaxial tests were performed in the software LIGGGHTS. Then, an application was developed to analyze the properties of Clusters during the loading path. It is shown that the average void ratio and deformability of Clusters increase with their size.
Furthermore, it is observed that the number of dense Clusters increases during macroscopic volumetric contraction whereas the number of loose Clusters increases during dilation.
Later, a relation between force chains, shear bands and Clusters is established. Finally, Loops and Clusters characteristics are compared, validating Clusters as extensions of Loops in 3D conditions.

 

Contributions à l’analyse dynamique et la caractérisation de la vulnérabilite physique de structures de génie civil face aux aléas naturels

[HDR - soutenance publique]

Maître de conférences : David Bertrand

Laboratoire INSA : GEOMAS

Rapporteurs : Acacry Vincent, Gatuingt Fabrice, Nicot François

Jury : 

• M. Carcassès - Univ. Toulouse 3 - Professeure (Examinatrice)
• F. Gatuing - ENS Paris Saclay - Professeur (Rapporteur)
• F. Nicot - USMB - Professeur (Rapporteur)
• V. Acray - INRIA - Dir. Rech. INRIA (Rapporteur)
• B. Richard - IRSN - Dr. Ing. HDR (Examinateur)
• S. Grange - INSA Lyon - Professeur (Examinateur)
• A. Gabor - Univ. Lyon 1 - MCF HDR (Examinateur)

Chaque matin sous terre. Les voyageurs affluent sur les quais du métro B. Avec 180 000 voyages par jour, la ligne qui relie Villeurbanne à Oullins se verra augmentée de deux stations supplémentaires, vers Saint-Genis-Laval dès 2023.
Par quelle magie l’Homme a-t-il réussi à dompter les terrains en construisant des tunnels capables de supporter des rails et des trains ? Pour Florent Prunier, co-responsable du Mastère Spécialisée Tunnels et Ouvrages Souterrains de l’INSA Lyon et Gilles Depauw, diplômé du Mastère et ingénieur tunnel, point de magie ici mais plutôt « un peu de sciences, beaucoup de technologies et un soupçon d’audace ». 
Alors que le tunnelier « Coline » vient de sortir de terre après un an d’excavation du futur prolongement de la ligne B, Florent Prunier et Gilles Depauw reviennent sur les grands enjeux de la construction du tunnel. Au menu : mastodonte de métal, cailloux et boue colmatante.

« Coline », une bête pas comme les autres
C’est à plus de 20 mètres de profondeur sous les rues de la métropole lyonnaise que la ligne du métro B a vu son tracé grandir depuis la station Gare d’Oullins jusqu’aux Hôpitaux Sud à Saint-Genis-Laval. Le tunnelier Coline, qui a parcouru 2,4 km et excavé 163 000 m³ de matière durant les derniers mois, vient d’être démonté et extrait après avoir fini sa course au puits Orsel.
Véritable usine d’excavation, la machine dont le poids atteint les 2200 tonnes, a nécessité deux mois et demi de démontage. « L’entrée et la sortie de terre d’un tunnelier sont souvent des opérations délicates, surtout en zone urbaine. Les bâtis du secteur d’Oullins où le tunnelier a fini sa course est une zone sur laquelle le bâti est vieux, parfois en pisé. Il fallait limiter les tassements en surface lors du montage et démontage du tunnelier qui arrivait et repartait en pièces détachées », avance Florent Prunier.

 
Puits d’entrée, Saint-Genis-Laval

Grâce à sa roue de coupe de près de 10 mètres de diamètre, Coline a creusé, évacué les débris et permis la pose de voussoirs qui constitueront la paroi du tunnel de l’extension de ligne de métro. Du long de ses 122 mètres, l’imposante machine a grignoté les souterrains pendant douze mois, 24h/24 et 7j/7. Pour rejoindre l’itinéraire prévu, la machine a traversé les dormants des rues du Grand Revoyet, la Grande Rue d’Oullins, la place Anatole France et la rue de la République.

Se saisir de la géologie lyonnaise
Avec 4 lignes de métro déjà existantes, la complexité géologique des sous-sols lyonnais était déjà connue pour rendre difficile les excavations au tunnelier. « À Lyon, les souterrains sont soit très durs, soit très mous. Sur le tracé du métro B, il a fallu que le tunnelier puisse assurer le soutènement en passant de roches très dures comme du granite, à des sols alluvionnaires mous et instables », ajoute l’enseignant géotechnicien du laboratoire GEOMAS. 

C’est ainsi qu’a été adoptée la solution du tunnelier à densité variable. « Concrètement, le tunnelier peut fonctionner selon deux technologies de pression : soit en mode ‘pression de terre’, soit en mode ‘pression de boue’. C’est une machine hybride qui permet autant de creuser dans du sol mou et friable que dans un sol dur et granitique », ajoute Florent Prunier.

Malgré les cartes du BRGM¹ et les travaux de reconnaissances préalables, il est toujours difficile pour les ingénieurs de connaître la composition exacte du sol que la machine s’apprête à creuser. Si les géologies différentes ont justifié un tunnelier à double confinement, la technique de pression de boue a nécessité un travail de recherche et développement important. Ce travail a occupé un ingénieur géologue et diplômé du Mastère spécialisé, Gilles Depauw. « Le tunnelier à pression de boue permet de creuser même dans des sols mous qui s’effondreraient sans ce système. La pression de boue appliquée au front de taille par l’intermédiaire d’une fine membrane d’imprégnation, appelée cake, garantit le support du sous-sol. Cette boue est composée d’eau et de bentonite mais pour les sols lyonnais, il a fallu développer quelque chose d’un peu différent », tente d’expliquer Gilles, désormais ingénieur tunnel chez Implenia.

La recette du cake parfait
En se baladant au bord du Rhône, il n’est pas rare de voir des alluvions et dépôts glaciaires sur le bord des rives. Ces petits galets, en apparence anodins, ont pourtant rendu la fabrication de la boue colmatante difficile. « Les sols alluvionnaires, très poreux, ont la capacité de laisser fuir la boue dans le terrain, ce qui risquait de faire chuter la pression nécessaire au soutènement. Pour contourner ce phénomène, nous avons élaboré une boue colmatante capable de boucher cette porosité. Pendant plusieurs mois, nous avons cuisiné des cakes de boues en laboratoire pour trouver la recette parfaite de cake en essayant différents types d’ingrédients », ajoute l’ancien étudiant.

Ainsi injectée dans les tuyaux du tunnelier Coline pour creuser les sous-sols limoneux, la boue disposait de sa propre centrale de traitement. « Au sein de la machine, la boue effectue un circuit. Une fois remontée à la surface, elle est séparée des galets qu’elle a rapportés de sa tournée pour être réutilisée et réinjectée. Bien sûr, nous parlons ici de milliers de mètres cube de boue », ajoute Gilles.
Les matériaux triés comme le sable et les galets sont recyclés pour le remblai sous les voies, en grave non-traitée. « Ce matériau a été utilisé en remplacement du béton, trop gourmand en énergie fossile et permettra de construire les sols sur lesquels se poseront les rails du prolongement de la ligne du métro B. En pressant la boue usagée pour séparer l’eau, on obtient des galettes d’argile qui ont été évacuées en carrière », conclut Gilles Depauw.

Désormais démonté depuis fin septembre dernier, le tunnelier Coline a été renvoyé en pièces détachées à l’usine de fabrication pour recyclage. À l’heure actuelle, les travaux de génie civil sont dans leur dernière ligne droite, à l’ouvrage des deux nouvelles stations prévues pour une mise en service dès 2023.  

[1] Le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) est l’établissement public français de référence dans les applications des sciences de la Terre pour gérer les ressources et les risques du sol et du sous-sol. C'est le service géologique national français.