Prise en compte du gonflement des terrains dans le dimensionnement des revêtements des tunnels
Résumé
During the last decades, observations in tunnels have reported numerous damages in swelling grounds. This phenomenon concerns various formations spread in geologic eras and may affect future tunnels. This thesis aims at developing a design method for tunnel linings in swelling ground.
Based on information provided by in situ observations, laboratory tests and existing design methods, an elastoplastic behaviour law was been established to simulate the development of swelling in the ground following a change of state of stress and an ingress of water. In this model, the swelling law is assumed elastic and three-dimensional, with the swelling deformation being proportional to the logarithm of stress ; the model takes account of the possible anisotropy of swelling associated with the stratification of the ground.
The model was implemented in the finite element code CESAR-LCPC and was validated on two levels : on the one hand, on a sample of swelling material subjected to a swelling test and, on the other hand, on an instrumented tunnel directly concerned with the swelling phenomenon.
Specific swelling tests were used to identify the different swelling parameters. The calibration of the swelling law gave satisfactory results on several different swelling materials.
The model was then used to analyse the ground response observed on the Northern tube of Chamoise tunnel, for which in situ measurements highlighted the development of the swelling of marls under the invert ; this analysis lead to a closer agreement with the in situ measurements than conventional models ; in particular, the asymmetry of behaviour of invert was well reproduced with the model and computed displacements in the ground were closer to the observed results.
Based on information provided by in situ observations, laboratory tests and existing design methods, an elastoplastic behaviour law was been established to simulate the development of swelling in the ground following a change of state of stress and an ingress of water. In this model, the swelling law is assumed elastic and three-dimensional, with the swelling deformation being proportional to the logarithm of stress ; the model takes account of the possible anisotropy of swelling associated with the stratification of the ground.
The model was implemented in the finite element code CESAR-LCPC and was validated on two levels : on the one hand, on a sample of swelling material subjected to a swelling test and, on the other hand, on an instrumented tunnel directly concerned with the swelling phenomenon.
Specific swelling tests were used to identify the different swelling parameters. The calibration of the swelling law gave satisfactory results on several different swelling materials.
The model was then used to analyse the ground response observed on the Northern tube of Chamoise tunnel, for which in situ measurements highlighted the development of the swelling of marls under the invert ; this analysis lead to a closer agreement with the in situ measurements than conventional models ; in particular, the asymmetry of behaviour of invert was well reproduced with the model and computed displacements in the ground were closer to the observed results.
Au cours des dernières décennies, les retours d'expérience de tunnels ont mis en évidence de nombreux dommages causés par le phénomène de gonflement. Ce phénomène, qui concerne des formations variées très répandues dans les ères géologiques (terrains argileux ou anhydrite), est susceptible d'affecter un certain nombre de tunnels futurs. Cette thèse envisage de mettre au point une méthodologie de calcul des revêtements de tunnels en terrain gonflant.
En s'inspirant des retours d'expérience et des méthodes existantes, une loi de comportement élastoplastique a été établie pour simuler le développement de gonflement apparaissant dans le massif du fait d'un changement d'état de contraintes et d'une arrivée d'eau. La loi de gonflement supposée élastique et tridimensionnelle relie le logarithme de la contrainte à la déformation, en tenant compte d'une éventuelle anisotropie de gonflement associée à la stratification du terrain.
Après avoir été implanté dans le code par éléments finis CESAR-LCPC, ce modèle de gonflement a été validé à deux niveaux : d'une part, sur un échantillon de matériau gonflant soumis à un essai de gonflement et, d'autre part, sur un ouvrage instrumenté directement concerné par le phénomène de gonflement.
Des essais de gonflement spécifiques permettent d'identifier les différents paramètres de gonflement. Les tentatives de calage de la loi de gonflement ont donné des résultats satisfaisants sur plusieurs matériaux gonflants différents.
La modélisation numérique du tube Nord du tunnel de Chamoise pour lequel les mesures in situ ont mis en évidence le développement du gonflement des marnes sous le radier, a montré une meilleure concordance du modèle de gonflement avec les mesures in situ que les calculs classiques ; en particulier, on a pu retrouver une asymétrie marquée du comportement du radier et obtenir des déplacements dans le massif plus proches de la réalité.
En s'inspirant des retours d'expérience et des méthodes existantes, une loi de comportement élastoplastique a été établie pour simuler le développement de gonflement apparaissant dans le massif du fait d'un changement d'état de contraintes et d'une arrivée d'eau. La loi de gonflement supposée élastique et tridimensionnelle relie le logarithme de la contrainte à la déformation, en tenant compte d'une éventuelle anisotropie de gonflement associée à la stratification du terrain.
Après avoir été implanté dans le code par éléments finis CESAR-LCPC, ce modèle de gonflement a été validé à deux niveaux : d'une part, sur un échantillon de matériau gonflant soumis à un essai de gonflement et, d'autre part, sur un ouvrage instrumenté directement concerné par le phénomène de gonflement.
Des essais de gonflement spécifiques permettent d'identifier les différents paramètres de gonflement. Les tentatives de calage de la loi de gonflement ont donné des résultats satisfaisants sur plusieurs matériaux gonflants différents.
La modélisation numérique du tube Nord du tunnel de Chamoise pour lequel les mesures in situ ont mis en évidence le développement du gonflement des marnes sous le radier, a montré une meilleure concordance du modèle de gonflement avec les mesures in situ que les calculs classiques ; en particulier, on a pu retrouver une asymétrie marquée du comportement du radier et obtenir des déplacements dans le massif plus proches de la réalité.
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