Prise en compte des non-linéarités de comportement des sols et des roches dans la modélisation du creusement d'un tunnel
Résumé
This thesis relates to the analysis of the behavior of civil engineering structures, from the point of view of both, the non-linear behaviour of soils and rocks and the resolution of tunnel excavation problems by means of the finite element method. Two categories of constitutive laws have been considered with particular attention to account for the non-linear behavior of the ground : hyperbolic models (Duncan and Chang, 1970 , modified Hardin and Drnevich, 1972) and elastoplastic models with strain hardening rules (modified Cam-Clay model, 1968); in latter case, different assumptions have considered to accounts for the non-linear response with the elastic range of deformation, including hyperelastic models which are derived from a complimental energy function and comply with the thermodynamics principals. These models have been applied to the simulation of a circular tunnel excavated in homogenous ground. The alternatives of the modified Cam-Clay model give, in case of anisotropic initial stresses, to compressive zones in springline and extensive zones in vault inside of rock mass. Stress paths analysis of the ground response around of the tunnel emphasise the influence of the initial stress state on failure mechanisms induced by ground excavation. The models have been also used to model the construction of Las Planas South tunnel, which was excavated in marls. The behaviour of the Las Planas marls has been studied from triaxial tests under high compressive stresses (isotropic and shear tests). The hyperelastic alternatives of the modified Cam-Clay model and the Duncan and Chang (1970) model lead to satisfactory results for most of the triaxial shear tests. On the other hand, the linear elastic alternative of the modified Cam-Clay model systematically overestimates the volumetric strains, generated during the tests. The numerical analysis of the construction of the Las Planas South tunnel, using the hyperelastic alternative of the modified Cam-Clay model is found to the best displacements observed from extensometer measurements, whereas the hyperbolic models tend to overestimate the displacements, induced by excavation in the rock mass.
Cette thèse a pour cadre général l'étude du comportement des ouvrages de génie civil, sous le double aspect, de la loi de comportement non-linéaire des sols et des roches, et de la résolution des problèmes du creusement des tunnels par la méthode de calcul aux éléments finis. Deux catégories de lois de comportement non-linéaires ont été plus particulièrement considérées : modèles hyperboliques (modèle de Duncan et Chang, 1970 ; modèle modifié de Hardin et Drnevich, 1972) et modèles élastoplastiques avec écrouissage (modèle Cam-Clay modifié, 1968) ; dans le dernier, différentes variantes ont été proposées pour tenir compte de la non-linéarité de la partie élastique, trois variantes de type hyperélastique, considérés à partir d'une fonction énergie complémentaire et obéissent aux principes de la thermodynamique Ces modèles ont été appliqués à la simulation du creusement d'une galerie à section circulaire en milieu homogène. Les variantes élastiques non-linéaires du modèle Cam-Clay modifié donnent, dans le cas de contraintes initiales anisotropes, en piédroit des zones en compression et en clé des zones en extension à l'intérieur du massif. L'étude des chemins de contrainte à proximité de la galerie met en évidence l'influence de l'état des contraintes initiales sur les mécanismes différents de rupture induits par le déconfinement. Les modèles retenus ont également été appliqués à la construction du tube Sud du tunnel de Las Planas, creusé dans des marnes. Le comportement de la marne de Las Planas a été étudié à partir d'essais triaxiaux réalisés sous fortes contraintes (essais isotropes et de cisaillement). Les variantes élastiques non-linéaires de type hyperélastique du modèle Cam- Clay modifié et le modèle de Duncan et Chang (1970) conduisent aux résultats les plus satisfaisants pour la plupart des essais de cisaillement. En revanche, la variante élastique linéaire du modèle Cam-Clay modifié surestime systématiquement les déformations volumiques. La modélisation de creusement du tunnel Sud de Las Planas à l'aide des variantes hyperélastiques du modèle Cam-Clay modifié conduit également à des simulations plus représentatives des mesures expérimentales que les autres modèles. Les modèles hyperboliques tendent à surestimer les déplacements induits, par le creusement, dans le massif encaissant.
Mots clés
mécanique sol
mécanique roche
géotechnique
tunnel
modélisation
simulation numérique
analyse numérique
creusement
ouvrage art
élasticité non linéaire
élastoplasticité
méthode élément fini
écrouissage
non linéarité
contrainte
essai triaxial
marne
calcul construction
calcul structure
charge triaxiale
loi de comportement
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