A study of soil-nailed walls behaviour : application to the design of facing
Étude du comportement des murs de soutènement par clouage des sols en place : application au dimensionnement du parement
Résumé
Soil nailing is technique developped in France during the 70s for the retaining of excavations. Today, the facing of such structures is often designed to support the maximal tensions admissible in the reinforcements. The professionals generally admit that the service loads in the reinforcements are smaller than the calculated ones. Especially at the facing foot because of the construction phasage, from top to bottom. In 2015, The French Standardization for Geotechnical Structures Verification launched a revision of the standard concerning soil-nailing, especially about the facing design. In this context, this thesis aims at a better knowledge of soil-nailed walls behaviour and especially about the mobilization of the facing. The works consisted of a parametrical study on a centrifuge model (three nail lengths) and of a numerical modelling. On the centrifuge model, the nail tensions were observed, at each level, using Bragg grated optic fibers, placed at the core of the nails. The Bragg networks were placed 5 mm from each other (25 cm on the real wall). The displacements inside the soil were followed by a Particle Image Velocimetry like technique. The grains patterns were observed through a lateral translucid face. The experiments have shown a strong influence of the structure slenderness on displacements amplitude and on tensions allures. A 3D numerical model was also developped with CESAR-LCPC. It was realized with Finite Elements Method and the building phasage was respected. Nails were modelized by lineic elements whose nodes where shared with volumic elements. In order to simulate the friction law, an additional degree of freedom was introduced : the relative displacement between soil and nail. The deformation behaviour of the soil was simulated using Hardening Soil Model. The comparison of experimental and numerical results highlighted the influence of slenderness on wall behaviour as well as the limits of Finite Elements Method. In particular, the results are strongly dependant on the stiffness of soil and of the interface between soil and nail. This comparison also allowed to propose an improvement of the soil-nailing design. The PROSPER software choses a failure surface along which the displacement of soil mobilizes the reaction of the nails. This displacement is generally considered as homogenous but the results of the present work allow to propose an allure. Abacus have proposed for the distribution of this displacement and this design approach has been tested on an experimental wall.
Résumé de la thèse en français : Le clouage des sols est une technique de soutènement d’excavations développée en France dans les années 1970. En pratique aujourd’hui, les parements de tels ouvrages sont souvent dimensionnés pour reprendre les efforts de traction admissibles dans les renforcements. De manière générale, dans la profession il est notoire qu’au parement les efforts de service dans les renforcements sont en fait plus faibles que calculés, et ce d’autant plus à proximité du pied de parement en raison du phasage de construction de ces ouvrages, du haut vers le bas. En 2015 la Commission de Normalisation Française Justification des Ouvrages Géotechnique (CNJOG) a engagé une révision de la norme NF P 94 270, notamment pour clarifier la justification du parement. Dans ce contexte, cette thèse vise à améliorer les connaissances sur le fonctionnement des massifs de sol cloué en place et en particulier sur la mobilisation du parement. Les travaux réalisés ont comporté une étude paramétrique expérimentale sur modèle physique réduit en centrifugeuse géotechnique (trois longueurs de clous), complétée par une analyse par modélisation numérique en déformations. Sur le modèle réduit, la mobilisation des efforts dans les clous était observée à plusieurs niveaux à l’aide de fibres optiques munies de réseaux de Bragg, situées à l’axe neutre des clous. Les réseaux de Bragg étaient distants de 5 mm, soit 25 cm dans l’ouvrage réel modélisé. Les déplacements au sein du massif ont été suivis à l’aide d’une technique d’imagerie de type Particle Image Velocimetry (PIV), par suivi de motifs de grains de sables au travers d’une paroi latérale transparente du modèle physique à échelle réduite. Les essais ont montré une nette influence de l’élancement des ouvrages sur l’amplitude des déplacements et le profil des efforts mobilisés. Parallèlement, un modèle numérique tridimensionnel de calcul par éléments finis et respectant le phasage de construction a été développé sous CESAR-LCPC. Les clous ont été modélisés par des éléments linéiques partageant leurs nœuds avec les éléments volumiques par l’intermédiaire d’un degré de liberté supplémentaire, correspondant au déplacement relatif sol-clou. Le comportement en déformations du sol a été représenté par le modèle Hardening Soil Model (HSM). La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations numériques a permis de mettre en avant l’influence de l’élancement sur le comportement du mur mais a souligné les limites de l’utilisation des éléments finis, et en particulier la forte sensibilité aux raideurs du sol et de l’interface sol-clou. Cette comparaison a également permis de proposer une amélioration du dimensionnement des sols cloués. Le logiciel PROSPER réalise ce dimensionnement en choisissant une courbe de rupture le long de laquelle le déplacement du sol mobilise la réaction des clous. Ce déplacement est généralement considéré homogène mais les résultats de ce travail permettent d’en proposer une allure. Des abaques ont été établis donnant cette distribution en fonction du rapport d’élancement. Cette approche du calcul des efforts au parement dans les renforcements a été mise en œuvre dans le cas d’un ouvrage expérimental.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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