Analyse des mécanismes d'effondrement des couches de sol cohésives renforcées par géosynthétique sur cavité - CNRS - Centre national de la recherche scientifique Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Analysis of failure mechanism of cohesive soil layers reinforced with geosynthetics above cavities

Analyse des mécanismes d'effondrement des couches de sol cohésives renforcées par géosynthétique sur cavité

Résumé

The presence of a natural or anthropogenic cavity in a soil mass represents a major source of risk of disruption to surface infrastructures and, in the most serious cases, loss of human life. In order to limit these risks, a preventive solution is preferred. Reinforcement of embankments by geosynthetics in areas of potential collapse is nowadays a widely used solution because it is considered to be more technically and economically relevant. Indeed, traditional treatments, such as filling cavities or bridging them with reinforced concrete slabs, are very costly and require knowledge of the location of the cavity. Often used for granular backfill, the geosynthetic reinforcement solution is not so used for thin cohesive backfill. More precisely, the scientific obstacles that remain to be overcome are linked to the lack of knowledge of the failure modes of cohesive fillings in cavities and to the action of collapsed blocks on the water table. To answer these questions, a consortium of researchers (3SR), operational staff (INERIS) and a geosynthetics producer (AFITEXINOV) has been formed as part of the REGIC project (Reinforcement by Intelligent Geosynthetics on Natural or Anthropic Cavities), financed by ADEME. One of the objectives of the project is to develop and validate for this type of application the use of an innovative geosynthetic with double stiffnesses and instrumented with optical fibres.This thesis essentially aims to meet one of the project's objectives: the understanding of the collapse mechanisms of embankment reinforced by a geosynthetic sheet in the context of cohesive embankments. It is mainly a numerical modelling work, carried out using the SDEC calculation code that couples discrete elements and finite elements. It enables the simulation of the cavity opening phase and the loading phase up to the rupture of the cohesive fill, which is generally thin. The soil is modelled by discrete elements, the layer by finite elements. Discrete element modelling enables the behaviour of the soil under large deformations to be well reproduced numerically, but above all it enables the block failure of the cohesive soil layer to be represented (geometry of the failure lines, block rotation kinematics, etc.). The finite element method was chosen because it is better suited to simulate the continuity of the geosynthetic layer, its membrane and tensile behaviour (with an evolution of stiffness with the level of traction) and its interaction with the soil. This numerical work was validated by experiments on a reduced scale physical model and by in situ tests, which included in particular the analysis of the efficiency of the innovative geosynthetic whose tensile behaviour is qualified as "inverted bimodulus". Numerical modelling has provided access to variables or quantities that are difficult to measure in the laboratory and on site: distribution of vertical stresses transmitted by the ground to the geosynthetic sheet, analysis of load transfers transmitted to the edges of the cavity, etc.The numerical model developed within the framework of this thesis work constitutes a major element for the analysis of experimental phenomena and mechanisms. Indeed, the validation of the numerical model has made it possible to systematically extend its use to different geometries, different forms of surface loading and different reinforcement materials. Finally, this work leads to some practical proposals for the dimensioning of geosynthetics by an analytical method in the context of cohesive backfill.
La présence d’une cavité naturelle ou anthropique dans un massif de sol représente une source importante de risque de désordre pour les infrastructures en surface et, dans les cas les plus graves, de perte en vies humaines. Dans le but de limiter ces risques, une solution préventive est privilégiée. Le renforcement des remblais par géosynthétique sur zones d’effondrement potentiel représente, aujourd’hui une solution très utilisée parce qu’elle est considérée plus pertinente techniquement et économiquement. En effet, les traitements traditionnels, comme le comblement des cavités ou leur pontage par dalles en béton armé, sont très coûteux et suppose une connaissance de la localisation de la cavité. Souvent utilisée pour des remblais granulaires, la solution de renforcement par géosynthétique est peu employée pour les remblais cohésifs de faible épaisseur. Plus précisément, les verrous scientifiques qu’il reste à lever sont liés à la méconnaissance des modes de rupture des remblais cohésifs sur cavité et à l’action des blocs effondrés sur la nappe. Pour répondre à ces interrogations, un consortium regroupant des chercheurs (3SR), des opérationnels (INERIS) et un producteur de géosynthétique (AFITEXINOV) s’est constitué dans le cadre du projet REGIC (Renforcement par Géosynthétique Intelligent sur Cavités naturelles ou anthropiques), financé par l’ADEME. L’un des objectifs du projet est de développer et de valider pour ce type d’application l’emploi d’un géosynthétique innovant à double raideurs et instrumenté par des fibres optiques.Cette thèse vise essentiellement à répondre à un des objectifs du projet : la compréhension des mécanismes d’effondrement du remblai renforcé par une nappe géosynthétique dans le contexte des remblais cohésifs. Il s’agit principalement d’un travail de modélisation numérique, effectué à l’aide du code de calcul SDEC qui couple éléments discrets et éléments finis. Il permet de simuler la phase d’ouverture de la cavité et la phase de chargement jusqu’à la rupture du remblai cohésif généralement de faible épaisseur. Le sol est modélisé par éléments discrets, la nappe par éléments finis. La modélisation en éléments discrets permet de bien reproduire numériquement le comportement du sol sous des grandes déformations, mais surtout de représenter la rupture par blocs de la couche de sol cohésif (géométrie des lignes de rupture, cinématique de rotation des blocs, etc.). La méthode des éléments finis a été retenue car plus apte à simuler la continuité de la nappe géosynthétique, son comportement en membrane et en traction (avec une évolution de la raideur avec le niveau de traction) et son interaction avec le sol. Ces travaux numériques ont été validés par des expérimentations sur modèle physique à échelle réduite et par des essais in situ, qui inclut notamment l’analyse de l’efficacité du géosynthétique innovant dont le comportement en traction est qualifié de « bimodule inversé ». La modélisation numérique a permis d’accéder à des variables ou à des grandeurs difficiles à mesurer en laboratoire et sur site : distribution des contraintes verticales transmise par le sol sur la nappe géosynthétique, analyse des reports de charge transmises sur les bords de la cavité, etc.Le modèle numérique développé dans le cadre de ce travail de thèse constitue un élément majeur pour l’analyse des phénomènes et mécanismes expérimentaux. En effet, la validation du modèle numérique a permis d’étendre de manière systématique son utilisation à différentes géométries, différentes formes de chargement en surface et différents matériaux de renforcement. Enfin, ce travail aboutit à quelques propositions pratiques pour le dimensionnement du géosynthétique par une méthode analytique dans le contexte des remblais cohésifs.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03191338 , version 1 (07-04-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03191338 , version 1

Citer

Maria Delli Carpini. Analyse des mécanismes d'effondrement des couches de sol cohésives renforcées par géosynthétique sur cavité. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2021. Français. ⟨NNT : 2021GRALI002⟩. ⟨tel-03191338⟩

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