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CE22 - Sociétés urbaines, territoires, constructions et mobilité

Amélioration des sols par inclusoins rigides : Sollicitations Dynamiques et Sismiques – ASIRIplus-SDS

ASIRIplus_SDS

Amélioration des Sols par Inclusions Rigides : Sollicitations Dynamiques et Sismiques

Construire sur des sols compressibles soumis à des sollicitations dynamiques ou sismiques

Ce projet s’inscrit dans le développement de la technique de renforcement et d’amélioration des sols par inclusions rigides (IR). Cette technique consiste à renforcer un sol compressible par un maillage d’IR verticales, le tout surmonté d’une plateforme de transfert de charge (le plus souvent constituée d’un matériau granulaire) qui permet de transférer, par effet de voûte et par cisaillement, les charges de la superstructure vers les IR. De la sorte le sol compressible est moins chargé et les tassements sont réduits. <br />Selon le type de superstructure, son usage et son implantation, les charges transmises vers les IR vont être différentes. Ici on s’intéresse à deux types de chargement : A) sollicitation dynamique de type ferroviaire ; B) Sollicitation sismique. <br />Le cas A s’intéresse à la vitesse de propagation des ondes surface dans un milieu homogène à inclusions verticales périodiques. L’application concerne le risque de résonnance entre la vitesse d’un train et la vitesse de propagation des ondes de surface dans la structure d’une voie ferrée, sol renforcé inclus. Si l’on connait les vitesses de propagation des ondes dans le sol et dans les IR en béton, on est à l’heure actuelle dans l’inconnu pour prédire la vitesse de propagation dans le milieu composite, du fait de sa géométrie, de la réflexion des ondes se propageant dans un milieu 3D. <br />Le cas B touche un grand nombre de zones géographiques où le risque sismique est élevé. Si l’on connait la réponse d’un massif de sol sous sollicitations sismique, que devient elle lorsque le sol est renforcé par IR ? Lorsque de plus une superstructure est installée sur le sol renforcé ? La compréhension des phénomènes en jeu, l’interaction cinématique et l’interaction inertielle lors de la sollicitation sismique sont des enjeux importants pour guider la pratique de l’ingénieur avec des modèles complexes ou simplifiés, mais dans tous les cas robustes. <br />Ces travaux se font en liaison étroite avec le PN ASIRI+, débuté en 2019.

Les deux sujets A et B suivent la même méthodologie : 1) modélisation physique sur modèles réduits ; 2) modélisation numérique.
Le sujet A utilise le banc MUSC (Mesure Ultrasonore Sans Contact) de l’Université Gustave Eiffel (campus de Nantes) pour la réalisation de modèles réduits. Ici les longueurs d’ondes sont mises à l’échelle. Côté simulation numérique, c’est principalement le Laboratoire de Planétologie et Géodynamique (campus de Nantes) qui apporte son savoir-faire, notamment via les techniques d’éléments spectraux et d’homogénéisation. Le tout en liaison avec SNCF Réseau (La Plaine Saint-Denis), Terrasol (Paris) et Ménard (Orsay) qui apportent la vision de l’ouvrage en vraie grandeur et des techniques de dimensionnement et de réalisation.
Le sujet B s’appuie sur la Centrifugeuse Géotechnique de l’Université Gustave Eiffel (campus de Nantes) et son simulateur de séismes embarqué pour étudier l’effet de séismes 1D, tout en reproduisant des contraintes semblables à celles d’un ouvrage en vraie grandeur. Ici les fréquences sont mises à l’échelle. Côté simulation numérique, plusieurs approches sont privilégiées : éléments finis 3D (CentraleSupélec, Gif/Yvette), macro-éléments (Ecole Centrale de Nantes) et modèles simplifiés (Terrasol, Ménard et CS). Le Cerema (Aix en Provence) partage son expertise de dimensionnement et d’identification des propriétés dynamiques des sols (associé à EDF et UGE). La connaissance à l’échelle de l’ouvrage en zone sismique est aussi apportée par EDF (Aix en Provence).

Le projet débute : pas de résultat à l’heure actuelle.

Les résultats de ce projet contribueront à l’accroissement de la connaissance, mais aura aussi un impact sociétal sur : 1) la mobilité (infrastructures ferroviaires) ; 2) l’énergie (production en zone sismique).
Sur le plan économique, la meilleure compréhension des phénomènes va vers un meilleur dimensionnement des ouvrages, et potentiellement des économies de réalisation mais aussi une ouverture vers les marchés de construction en zone sismique.

Le projet débute : pas de résultats à l’heure actuelle.

La technique de renforcement des sols compressibles par Inclusions Rigides (IR) verticales est aujourd’hui très répandue en France et à l’étranger. Cette technique de fondation composite mêlant des éléments profonds et superficiels, a été initialement développée pour des ouvrages de type remblai (pour des infrastructures de transport), mais s’étend aujourd’hui aux éoliennes et aussi aux bâtiments industriels (type plateformes logistiques), de logements ou bureaux (moins de 4-5 étages), écoles, hôpitaux, etc. Elle s’insère ainsi sur tout le territoire, urbi et orbi, impacte le choix des fondations des constructions et des ouvrages linéaires de transport (routes et voies ferrées), touchant ainsi de façon peu visible, mais réelle, les citoyens dans leur cadre de vie et pour leur mobilité.

Les problématiques traitées ici concernent le comportement du massif de sol renforcé par IR:
i) sous sollicitations dynamiques : Modification de la vitesse de propagation des ondes surface dans un milieu à inclusions périodiques
ii) sous sollicitations sismiques : Effets inertiel et Cinématique

La méthodologie employée s'appuie sur l'approche expérimentale de modélisation physique sur modèles réduits combinée à la modélisation numérique, le tout en liaison avec le terrain.

La propagation des ondes de surface dans un sol est modifiée par la présence d'hétérogénéités (les IR verticales), mais de quelle façon? C'est pour répondre à cette question qui concerne en priorité les applications ferroviaires, que des modèles réduits "géophysiques" seront réalisés, en s'appuyant sur le principe de la mise à l'échelle des longueurs d'ondes, et mises en œuvre sur le banc MUSC de l'Ifsttar. Sur le plan numérique, la méthode des éléments spectraux associée à la technique d'homogénéisation non-périodique seront mises en œuvres.

Dans le cas d'une sollicitation sismique, la présence de renforcement par IR modifie nécessairement la réponse du sol, mais de quelle manière? Pour étudier les effets inertiels et cinématiques d'un ouvrage fondé sur sol mou renforcé par IR, des modèles réduits "géotechniques" seront testés avec le simulateur de séismes embarqué dans la centrifugeuse de l'Ifsttar. Ici ce sont les fréquences qui sont mises à l'échelle. Une caractérisation dynamique fine des sols utilisés en centrifugeuse sera réalisée en parallèle.La méthode numérique dite de macro-élément mais aussi celle dite des courbes de transfert seront mises en œuvre pour les modèles simplifiés, tandis que des éléments finis 3D non-linéaires seront utilisés pour simuler les ouvrages sous sollicitation sismique (tel que ceux étudiés en centrifugeuse), avant de passer à des études paramétriques d'ouvrages de référence.

Le consortium mis en place pour tenter d'accroitre la connaissance sur ces problématiques dynamiques regroupe, autour de l'Ifsttar, un ensemble de partenaires impliqués à divers degrés de l'aval vers l'amont : i) SNCF-réseau, Ménard, LGP, centrale-supelec; ii) EDF, Cerema, Terrasol, Ménard, centrale-supélec, centrale Nantes.
Des équipements expérimentaux exceptionnels associés à des modélisation numériques avancées, sophistiquées ou simplifiées permettront d'observer, de comprendre et de simuler différentes configurations, en vue d'apporter de nouvelles connaissances et de les mettre à disposition de l'Ingénierie de la construction.

Coordinateur du projet

Monsieur Luc THOREL (IFSTTAR- Département Géotechnique, environnement, risques naturels et sciences de la terre)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

MENARD
EDF EDF CEIDRE
TERRASOL
SNCF Réseau / DGII / DTR VA EGV SNCF RESEAU
Cerema-Med Cerema Direction Territoriale Méditerranée
MSSMAT Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux
GeM INSTITUT DE RECHERCHE EN GÉNIE CIVIL ET MÉCANIQUE
LPG LABORATOIRE DE PLANETOLOGIE ET GEODYNAMIQUE
IFSTTAR - GERS IFSTTAR- Département Géotechnique, environnement, risques naturels et sciences de la terre

Aide de l'ANR 718 012 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2020 - 48 Mois

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