chapitre 4 analyse des résultats...

Chapitre 4. Analyse des résultats expérimentaux 99

Chapitre 4 Analyse des résultats expérimentaux


Table des matières

4.1. Phase de creusement : résultats expérimentaux ............................................................................. 101 4.1.1 Longueur de pré-voûte et fréquence des chutes locales au front ......................................................... 101 4.1.2 Évolution des tassements en surface.................................................................................................... 103

4.1.2.a Tassements dûs aux phases d’enfoncement du tube................................................................... 103 4.1.2.b Tassements dus aux phases de terrassement............................................................................... 107

4.1.3 Évolution des déplacements internes devant le front........................................................................... 107 4.1.3.a Evolution des déplacements internes au cours de l’enfoncement............................................... 107 4.1.3.b Evolution de l’extrusion au cours du terrassement..................................................................... 109

4.1.4 Évolution des contraintes internes ....................................................................................................... 117

4.2. Phase de chargement : résultats expérimentaux............................................................................. 117 4.2.1 Durée des paliers de chargement ......................................................................................................... 117 4.2.2 Évolution des tassements ..................................................................................................................... 118 4.2.3 Évolution des déplacements internes et de l’extrusion ........................................................................ 119 4.2.4 Évolution des contraintes internes (essais 6, 7 et 8) ............................................................................ 126

4.2.4.a Position des capteurs internes de pression.................................................................................. 126 4.2.4.b Exploitation des résultats............................................................................................................ 127

4.2.5 Surcharge de rupture............................................................................................................................ 131

4.3. Conclusion .......................................................................................................................................... 132


4.1. Phase de creusement : résultats expérimentaux

4.1.1 Longueur de pré-voûte et fréquence des chutes locales au front

La phase de creusement du tunnel consiste en une succession de phases d’enfoncement du tube puis de terrassement du matériau se trouvant à l’intérieur. La longueur terrassée varie d’une phase à l’autre et d’un essai à l’autre, en fonction de la stabilité observée du front de taille. Les deux tableaux présentés en Annexe B donnent les valeurs de pré-voûte en bas et en haut du front au début et à la fin de chaque phase de terrassement, pour tous les essais. On y indique également la fréquence des chutes locales observées. La phase de creusement de l’essai 1 n’ayant pas été filmé, nous ne disposons que de très peu d’informations concernant les longueurs de pré-voûte et le nombre de chutes locales. On notera que, d’une manière générale, la phase de creusement des essais avec boulons s’effectue dans de bien meilleures conditions de stabilité que celle des essais sans boulon. En effet, en présence des boulons, les ruptures locales sont quasiment réduites à zéro, comme le montre la Figure 4.1, alors qu’au contraire, dans le cas sans renforcement elles sont beaucoup plus nombreuses, entre 9 et 13.

0

2

4

6

8

10

12

14

1 2 3 4 5 6 7 8

N° de l'essai

Nom

bre

tota

l de

chut

es lo

cale

sau

cou

rs d

u cr

euse

men

t

Essais sans boulonEssais avec boulons

Figure 4.1. Nombre de chutes locales au front au cours de la phase de creusement pour les essais 2 à 8

De plus, dans le cas d’un front boulonné, le terrassement peut facilement être mené jusqu’à une valeur de pré-voûte proche de zéro, ce qui est loin d’être le cas pour les essais sans boulon car la fréquence importante des chutes locales nous oblige à être prudent. Ceci est illustré par la Figure 4.2 qui représente la valeur limite de pré-voûte en haut du front atteinte pour les différentes phases de terrassement de chaque essais. Les marques noires représentent les essais sans boulon alors que les marques grises représentent les essais avec boulons. Les marques entourées correspondent à la pré-voûte minimale atteinte avant qu’une importante chute locale survienne alors que les marques qui ne sont pas entourées correspondent à la pré-voute finale obtenue sans chute prématurée du front.


-1

1

3

5

7

9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

N° de la phase de terrassement

Vale

ur li

mite

de

pré-

voût

e en

hau

t [cm

]Essai 1 Essai 3Essai 2 Essai 4Essai 5 Essai 6Essai 7 Essai 8chute prématurée du front

Figure 4.2. Valeur de la pré-voûte limite (en haut du front) due soit à une chute prématurée du front (marque entourée), soit à la fin du terrassement sans qu’aucune chute n’intervienne

La figure ci-dessus met en évidence deux zones distinctes : la plupart des marques noires, c’est-à-dire des essais sans boulon, se situent au-dessus d’une valeur de pré-voûte de 4 cm (trait horizontal en pointillé) alors que la plupart des marques grises, c’est-à-dire des essais avec boulons, se situent en-dessous d’une valeur de pré-voûte de 4 cm. De plus, pour les essais sans boulon, la valeur limite de pré-voûte correspond presque systématiquement à une chute locale importante alors que, pour les essais avec boulons, elle correspond, mises à part quelques exceptions, à la fin du terrassement sans qu’aucune chute ne soit survenue. Ainsi, un front boulonné demeure vertical et stable alors qu’un front non renforcé reste incliné à cause des chutes locales continues venant du haut lors de son terrassement. Ceci est schématisé sur la Figure 4.3, "PV" signifiant pré-voûte.

Figure 4.3. Effet du boulonnage sur l’inclinaison du front de taille durant le terrassement

La présence des boulons semble donc conférer une sorte de cohésion au massif et retient la tendance à un mouvement d’extrusion. Ceci va être confirmé dans les paragraphes suivants par l’analyse des différentes mesures, notamment les déplacements internes.

Essai sans boulon : front incliné

PVhaut

PVbas > PVhaut

Tunnel

Essai avec boulon : front vertical

PVhaut = PVbas

Tunnel Boulons


4.1.2 Évolution des tassements en surface

Deux sources de tassement sont à distinguer lors de la phase de creusement, comme le montre la Figure 4.4 pour l’essai 2 : l’une est due au terrassement lorsque le tube est fixe (section BC) et l’autre est liée à l’enfoncement du tube (section AB). Des graphiques similaires sont présentés en Annexe C pour les sept autres essais et pour les rangées de capteurs situées dans l’axe ainsi qu’à 20 et 40 cm de l’axe du tunnel.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 5000 10000 15000 20000 25000Temps [s]

Tass

emen

t [m

m]

0

10

20

30

40

50

60

Pos

ition

du

tube

dan

s la

cuv

e [c

m]

(a) à 27 cm du bord frontal de la cuve(b) à 37 cm du bord frontal de la cuve(c) à 47 cm du bord frontal de la cuve(d) à 57 cm du bord frontal de la cuve(e) à 67 cm du bord frontal de la cuve(f) à 77 cm du bord frontal de la cuve(g) à 87 cm du bord frontal de la cuvePosition du tube dans la cuve

(a)

(b)

(c)

(g)

(d)

(e)(f)

Figure 4.4. Evolution typique des tassements en surface (dans l’axe du tunnel) au cours de la phase de creusement, exemple de l’essai 2

4.1.2.a Tassements dûs aux phases d’enfoncement du tube On définit x comme étant la distance horizontale séparant l’extrémité du tube (qui avance au cours de l’enfoncement) et un point A fixe situé en surface (Figure 4.5) : x est compté négativement tant que le tube n’est pas passé au niveau du point fixe A et, inversement, x est compté positivement lorsque qu’il a dépassé le point fixe A.

A

B C


Figure 4.5. Vue latérale de la cuve – Définition de x, distance entre l’extrémité du tube (qui avance) et un point A fixe situé à la surface du massif

La Figure 4.6 représente les sept profils de tassement représentés dans le repère attaché au front, en fonction de la distance x (précédemment définie). On constate que ces sept courbes expérimentales se rassemblent dans un même fuseau, mettant en évidence la qualité des mesures, l’homogénéité du massif ainsi que la stationnarité du phénomène.

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9-80 -60 -40 -20 0 20 40

Distance x (entre l'extrémité du tube et un point fixe en surface) [cm]

Tass

emen

t [m

m]

(a) capteur situé à 27 cm du bord, dans l'axe du tunnel(b) capteur situé à 37 cm du bord, dans l'axe du tunnel(c) capteur situé à 47 cm du bord, dans l'axe du tunnel(d) capteur situé à 57 cm du bord, dans l'axe du tunnel(e) capteur situé à 67 cm du bord, dans l'axe du tunnel(f) capteur situé à 77 cm du bord, dans l'axe du tunnel(g) capteur situé à 87 cm du bord, dans l'axe du tunnel

(a)

(e)

(b)

(c)

(d)(f)

(g)

Figure 4.6. Essai 2 – Tassements (dans l’axe du tunnel) au cours de l’enfoncement du tube en fonction de la distance x, pour les sept capteurs

La Figure 4.7 correspond à la Figure 4.6 en représentant les sept capteurs sans les dissocier (points gris sur la figure) et en déduisant un profil type de tassement dû à l’enfoncement du tube (courbe noir sur la figure).

A (point fixe)

Bor

d fr

onta

le d

e la

cuv

e Massif

Tunnel

x < 0

x > 0 Sens d’enfoncement


-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9-80 -60 -40 -20 0 20 40


Tass

emen

t [m

m]

Essai 2 - Points expérimentaux

Essai 2 - Profil de tassement déduit

Figure 4.7. Essai 2 – Profil des tassements (dans l’axe du tunnel) au cours de l’enfoncement du tube en fonction de la distance x entre l’extrémité du tube et un point fixe en surface

Le profil type ainsi déduit se décompose en trois parties. Tant que le tube n’a pas atteint le point de mesure donné (i.e x < 0), les tassements restent insignifiants. Par contre, dès que le tube dépasse ce point (i.e x > 0), la pente du profil devient plus forte mettant bien en évidence l’influence prépondérante du frottement sol/tube sur l’origine des tassements du fait du cisaillement du sol situé au-dessus du tube. Puis, lorsque le tube se situe à environ 30 cm au-delà du point considéré (soit environ un diamètre), la pente du profil redevient plus faible : le remaniement du sol se termine. Toutefois, cette partie finale du profil est difficile à déduire avec certitude, puisque seul le capteur situé à 27 cm du bord frontal de la cuve permet d’avoir des informations et, étant donné que l’enfoncement du tube s’arrête à 54 cm de bord frontale de la cuve, cela signifie que les points expérimentaux de la Figure 4.7 s’arrêtent à x = 54 – 27 = 27 cm. Une analyse similaire est menée pour tous les essais et les résultats sont présentés en Annexe D. Pour certains essais, notamment les essais 1, 4 et 8, de légers refoulement de terrain (tassements négatifs) de l’ordre de 0.05 mm sont enregistrées sur la première partie du profil, c’est-à-dire lorsque l’extrémité du tube n’a pas encore atteint le point fixe de mesure. La Figure 4.8 donne l’amplitude finale du tassement au niveau des deux capteurs situés à 27 et 37 cm du bord frontal de la cuve. Ces deux capteurs ont enregistrés les tassements les plus importants puisque la distance de frottement sol/tube y est la plus grande.


-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9-80 -60 -40 -20 0 20 40


Tass

emen

t [m

m]

Tassement final du capteur situé à 27 cmdu bord frontal de la cuve

Tassement final du capteur situé à 37 cmdu bord frontal de la cuve

Figure 4.8. Essai 2 – Tassement total dû aux phases d’enfoncement du tube et enregistré par les 2 cap-teurs les plus proches du bord frontal de la cuve (dans l’axe du tunnel) en fonction de la vitesse

d’enfoncement

On représente ensuite ces deux valeurs de tassement total dû aux phases d’enfoncement en fonction de la vitesse d’enfoncement du tube (Figure 4.9) pour l’essai 2 ainsi que pour tous les autres essais.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Vitesse d'enfoncement [mm/min]

Tass

emen

t tot

al [m

m]

(dû

aux

phas

es d

'enf

once

men

t)

Capteur situé à 27 cm du bord frontal de la cuve

Capteur situé à 37 cm du bord frontal de la cuve

Essa

i 3

Essai 6

Essa

i 7Es

sai 5

Essa

i 4

Essa

i 2

Essa

i 1

Essa

i 8

Figure 4.9. Tassement total dû aux phases d’enfoncement du tube et enregistré par les 2 capteurs les plus proches du bord frontal de la cuve (dans l’axe du tunnel) en fonction de la vitesse d’enfoncement

Les deux droites représentées sur la figure ci-dessus sont les régressions linéaires de tous les essais, excepté l’essai 6. La correlation est très bonne, mettant en évidence le lien entre les tassements et la vitesse d’enfoncement : plus la phase d’enfoncement est rapide, plus les tassements engendrés sont


importants (cf. essai 3). Toutefois, on ne peut conclure que ces deux grandeurs soient liés par une relation linéaire. Concernant l’essai 6, les tassements semblent sur-estimés en comparaison avec les essais 5, 7 et 8 qui possèdent pourtant une vitesse d’enfoncement du tube très proche. Aucune explication pour cela ne peut cependant être donnée. 4.1.2.b Tassements dus aux phases de terrassement Concernant les tassements liés aux phases de terrassement, une analyse quantitative similaire n’a pu être menée pour deux raisons : premièrement, parce que les tassements engendrés durant ces phases de terrassement (alors que le tube est fixe) sont très faibles, voire parfois du même ordre de grandeur que la précision des capteurs LVDT en surface et deuxièmement parce que le peu de tassement enregistré ne peut pas toujours être relié à une phase d’excavation du front. Autrement dit, l’interprétation s’avère aléatoire selon les phases et les essais, c’est pourquoi aucun résultat d’évolution des tassements durant les phases de terrassement du front ne peut être déduit de cette approche expérimentale.

4.1.3 Évolution des déplacements internes devant le front

Le système de mesure des déplacements internes devant le front n’a été mis en place qu’à partir du quatrième essai. L’exploitation des résultats portera donc sur deux essais sans boulon (essais 5 et 7) et deux avec boulons (essais 6 et 8). Lors de la phase de creusement, deux sources de déplacements internes du massif doivent être distinguées, comme précédemment : l’une est due aux phases d’enfoncement du tube, l’autre aux phases de terrassement. 4.1.3.a Evolution des déplacements internes au cours de l’enfoncement On rappelle que les déplacements internes (aussi appelés extrusions) sont mesurés à l’aide de prolongateurs de capteur (dont l’extrémité constitue le point de mesure) positionnés dans le massif durant sa confection. Ils sont reliés à des capteurs LVDT situés à l’arrière extérieur de la cuve grâce à de petites fentes réalisées sur la paroi arrière de la cuve. Pour l’exploitation qui va suivre, la position de chaque point de mesure est repérée par rapport au bord frontale intérieur de la cuve, comme schématisé sur la Figure 4.10 pour l’essai 6 qui possède trois points de mesure, tous situés très près de l’axe du tunnel.


Essai 6

à 59 cm du bord

à 66 cm du bordà 73 cm du bord

Position finale du tube

Surface du massif

Vue latérale de la cuve

Bor

d fro

ntal

de

la c

uve

Vue de face du tunnel

Prolongateurs reliés à des capteurs LVDT à l'arrière de la cuve

3 points de mesure des déplacements internes au-devant

du front

59 cm

73 cm

66 cm

Figure 4.10. Position des 3 points de mesure des déplacements internes par rapport au bord frontal de la cuve (exemple de l’essai 6)

La variation des déplacements internes au cours des phases d’enfoncement du tube peut se traduire soit par une réduction, soit par une augmentation des valeurs comptées positivement lorsque le sol se décomprime. En effet, comme le montre la Figure 4.11 pour l’essai 6, toutes les phases d’enfoncement, exceptée la dernière, provoquent une compression donc un refoulement du massif à l’avant du front, qui devient très visible lorsque l’extrémité du tube se trouve à proximité du capteur. Par contre, pour la dernière phase, on mesure un déconfinement du terrain puisque les déplacements internes augmentent. Ce phénomène se retrouve également pour les essais 5, 6 et 8 dont les courbes de l’évolution de l’extrusion au cours du temps sont présentées en Annexe E.


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 5000 10000 15000 20000Temps [s]

Dép

lace

men

t int

erne

[mm

]

0

10

20

30

40

50

Pos

ition

du

tube

dan

s la

cuv

e [c

m]

à 59 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 66 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 73 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelPosition du tube

Essai 6

à 59 cm du bordà 66 cm du bordà 73 cm du bord

Figure 4.11. Essai 6 – Evolution des déplacements internes devant le front dans l’axe du tunnel, au cours du creusement

La présence d’une pré-voûte lors des phases d’enfoncement joue le rôle de bouchon à l’extrémité du tube, à cause des frottements existants entre le matériau à l’intérieur du tube et le tube lui-même. Ainsi, en enfonçant le tube, ce bouchon vient en butée contre le massif situé au-devant du front et le comprime, d’où les valeurs négatives d’extrusion mesurées. Mais lorsque le front arrive suffisamment près des capteurs et que le bouchon est détruit par terrassement, alors le massif se décomprime, d’où l’augmentation des valeurs d’extrusion à la fin de la dernière phase d’enfoncement. 4.1.3.b Evolution de l’extrusion au cours du terrassement La variation des déplacements internes au cours des phases de terrassement ne devient pertinente qu’à partir des deux dernières phases, voire de la dernière pour certains essais. Avant celles-ci, quasiment aucun déplacement interne n’est enregistré lorsqu’on terrasse. L’évolution des déplacements internes devant le front est mesurée en 3 ou 4 points, situés au centre ou en haut du front, selon les essais. Les résultats obtenus lors de la dernière phase de terrassement sont présentés Figure 4.12 à Figure 4.15. Notons que pour l’essai 7, le capteur situé en bas n’a pas fonctionné au cours de cette phase de creusement mais correctement fonctionné lors de la phase de chargement en surface.


-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

73100 73200 73300 73400 73500 73600 73700 73800 73900

Temps [s]

Ext

rusi

on [m

m]

à 59 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 66 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 73 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnel

TerrassementMarinage

Fin

d'en

fonc

emen

t du

tube

(pos

ition

fina

le à

54

cm d

u bo

rd)

Essai 5


Figure 4.12. Essai 5 – Evolution de l’extrusion, en 3 points, au cours de la dernière phase de creusement

-0,06

-0,01

0,04

0,09

0,14

17900 18400 18900 19400 19900 20400

Temps [s]

Ext

rusi

on [m

m]

à 59 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 66 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 73 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnel

Marinage Terrassement

Déc

oupe

des

bou

lons

Fin

d'en

fonc

emen

t du

tube

(p

ositi

on fi

nale

à 5

4 cm

du

bord

) Essai 6




-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

73400 73500 73600 73700 73800 73900 74000 74100 74200 74300

Temps [s]

Ext

rusi

on [m

m]

à 58 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 63 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 58 cm du bord frontal de la cuve, 14 cm au-dessus de l'axe

Fin

d'en

fonc

emen

t du

tube

(pos

ition

fina

le à

54

cm d

u bo

rd)

Terrassement Terrassement Marinage

Démontage du système de

Essai 7

à 58 cm du bordà 58 cm du bordà 58 cm du bordà 63 cm du bord


-0,06

-0,04

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

71000 71200 71400 71600 71800 72000 72200

Temps [s]

Ext

rusi

on [m

m]

à 58 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 63 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 68 cm du bord frontal de la cuve, dans l'axe du tunnelà 62,5 cm du bord frontal de la cuve, 12 cm au-dessus de l'axe

Terrassement

Fin

d'en

fonc

emen

t du

tube

(pos

ition

fina

le à

54

cm d

u bo

rd)

Terrassement

Essai 8

à 58 cm du bordà 63 cm du bordà 68 cm du bordà 62,5 cm du bord

Figure 4.15. Essai 8 – Evolution des déplacements internes, en 4 points, au cours de la dernière phase de creusement

On constate que les déplacements internes varient de façon significative lorsque le front est terrassé. Plus le capteur est situé près du bord de la cuve (c’est-à-dire près du front), plus les variations sont importantes. Pour les essais 5 et 6, le capteur situé à 73 cm du bord de la cuve, c’est-à-dire à environ 73 - 54 = 19 cm du front final (soit 2/3 d’un diamètre), n’enregistre aucune variation. Cela signifie qu’à cette position on se situe au-delà de la zone d’influence du front.


On remarque également qu’avant et après une période de terrassement, une légère augmentation des déplacements internes est enregistrée cependant que la position du front reste fixe. Il s’agit donc d’un phénomène de relaxation. Afin d’obtenir le profil d’extrusion devant le front, la variation relative d’extrusion au cours d’une période de terrassement est tracée en fonction de la distance entre le capteur fixe et le front qui avance, pour les deux dernières phases de creusement. Pour les essais sans boulonnage, l’outil de terrassement utilisé étant une lame d’attaque tournant autour d’un axe, il est facile de connaître la position exacte du front à chaque instant en re-visionnant l’enregistrement vidéo de chaque essai, sachant qu’un tour correspond à 0.25 mm. Pour les essais avec boulons, l’outil de terrassement étant un aspirateur, on ne peut connaître la position et la forme du front à chaque instant, mais uniquement les valeurs de pré-voûte en haut et en bas du front, avant et après le terrassement. C’est pourquoi on suppose que la pré-voûte correspond à la valeur moyenne entre le haut et le bas, et que la vitesse de terrassement est constante entre les instants du début et de la fin du terrassement (connus grâce à l’enregistrement vidéo). La dernière phase d’enfoncement du tube, comprise entre l’avant-dernière et la dernière phase de terrassement, provoque de nombreuses chutes locales. La position du front dans le tube évolue donc, mais il est difficile de la connaître précisément puisque les chutes sont aléatoires. Connaissant la position du front avant et après l’enfoncement, on suppose qu’entre ces deux instants les déplacements internes sont linéaires. Cela se traduit par un "saut" du profil d’extrusion, comme on peut le voir sur les quatre figures suivantes (Figure 4.16 à Figure 4.19), où sont présentés les résultats de cette exploitation. Le nombre de capteurs dont les mesures sont exploitées varie d’un essai à l’autre, car il arrive qu’un capteur soit positionné trop loin du front final pour enregistrer un quelconque déplacement.

-0,01

0,01

0,03

0,05

0,07

0,09

0,11

0,13

0,15

4 6 8 10 12 14 16 18

Distance devant le front [cm]

Ext

rusi

on [m

m]

à 59 cm du bord frontal de la cuve (dans l'axe du tunnel)


Profil d'extrusion déduit

dernière phase de terrassement(à 66 cm du bord frontal)

dernière phase de terrassement(à 59 cm du bord du bord frontal)

avant-dernière phase de terrassement

(à 59 cm du bord frontal)

Figure 4.16. Essai 5 – Profils d’extrusion mesurés en deux points


0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

4 6 8 10 12 14


Ext

rusi

on [m

m]


Profil d'extrusion déduit

avant-dernière phasede terrassement

dernière phasede terrassement

dernière phased'enfoncement

Figure 4.17. Essai 6 – Profils d’extrusion mesurés en un point

-0,02

0,03

0,08

0,13

0,18

0,23

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22


Ext

rusi

on [m

m]

Capteur situé à 58 cm du bord de la cuve (au centre du front)Capteur situé à 63 cm du bord de la cuve (au centre du front)

Capteur situé à 58 cm du bord de la cuve (en haut du front)Profil d'extrusion déduit

Figure 4.18. Essai 7 – Profils d’extrusion mesurés en trois points


-0,002

0,008

0,018

0,028

0,038

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21


Ext

rusi

on [m

m]

à 58 cm du bord frontal de la cuve (dans l'axe du tunnel)à 63 cm du bord frontal de la cuve (dans l'axe du tunnel)à 68 cm du bord frontal de la cuve (dans l'axe du tunnel)à 62,5 cm du bord frontal de la cuve (12 cm au-dessus de l'axe)Profil d'extrusion déduit

Figure 4.19. Essai 8 – Profils d’extrusion mesurés en quatre points

L’essai 8 possède le plus grand nombre de capteurs de déplacement internes, trois au centre et un en haut du front. Les mesures enregistrées sont cohérentes puisque le degré de superposition des quatre profils est très bon. Pour l’essai 6, la phase d’enfoncement du tube provoque une augmentation du déplacement interne de 0.076 mm, au niveau du capteur situé à 59 cm du bord de la cuve, alors que les deux autres capteurs (situés respectivement à 66 et 73 cm) ne mesurent aucun déplacement. Cette variation semble sur-évaluée lorsque l’on trace le profil d’extrusion (Figure 4.17). C’est pourquoi, on ramène cette variation à seulement 0.01 mm, pour obtenir ainsi un profil plus cohérent. Une explication pour cette sur-évaluation du déplacement interne durant cette dernière phase d’enfoncement peut venir des phases précédentes d’enfoncement qui ont provoquées une compression importante du terrain à l’avant du front et, au cours de la dernière phase, la réponse du terrain est un déconfinement important. Pour les essais 7 et 8, un capteur de déplacement situé en haut du front, respectivement à 14 cm et 12 cm au-dessus du centre, permet d’avoir une idée sur la distribution de l’extrusion sur le front. L’essai 7 montre que l’extrusion y est moins importante qu’au centre (2 à 3 fois moins) alors que l’essai 8 montre qu’elle est du même ordre de grandeur qu’au centre du front. Cependant, l’essai 7 montre une certaine dispersion des profils pour les trois capteurs, il est difficile de conclure quant à la forme de la distribution de l’extrusion au front. En combinant les résultats de tous les capteurs, on voit que l’extrusion devient négligeable au-delà d’une distance au front comprise entre 13 et 17 cm. Ceci correspond donc à la profondeur de la zone d’influence du front. Les mesures d’extrusion faites sur le chantier du tunnel de Tartaiguille ont permis d’estimer la zone d’influence à 2 fois le rayon du tunnel, alors que les résultats expérimentaux du modèle réduit l’estime à environ 1 fois le rayon du tunnel (15 cm). Cette différence peut être reliée au mode de creusement : sur chantier, une longueur libre existe pour permettre la pose du soutènement au fur et à mesure du creusement alors que le soutènement du modèle réduit est pré-enfoncé pour avoir toujours une certaine longueur de pré-voûte. Dans ce dernier cas, le creusement s’effectue donc dans des conditions plus sécuritaires, perturbant une zone moins importante devant le front. Pour chaque essai, on déduit un profil d’extrusion en combinant les résultats des différents capteurs de façon à obtenir un profil cohérent. Les quatre profils expérimentaux ainsi obtenus sont tracés dans un


même repère à la Figure 4.20 (les courbes noires correspondent au cas sans boulon et les courbes rouges au cas avec boulons).

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

3 5 7 9 11 13 15 17


Ext

rusi

on [m

m]

ESSAI 5 - sans boulon

ESSAI 7 - sans boulon

ESSAI 6 - avec boulons

ESSAI 8 - avec boulons

Figure 4.20. Profils d’extrusion devant le front déduits expérimentalement

La superposition des deux paires de courbes, avec et sans boulonnage, est en bon accord. L’effet du boulonnage sur la réduction des déplacements devant le front est donc largement mis en évidence. Bien que les essais 6 et 8 soient réalisés avec deux types différents de boulon (étain ou PVC), les deux profils d’extrusion sont très proches. La Figure 4.21 et la Figure 4.22 ci-après extrapolent, à partir des résultats expérimentaux, deux profils d’extrusion (avec et sans boulon) de type hyperbolique possédant une équation identique à celle obtenue analytiquement au Chapitre 2, du type :

(IV.1) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

²² )(

rRAru

En donnant à R la valeur de 15 cm qui correspond effectivement au rayon du tube, la forme des profils d’extrusion obtenue est guère satisfaisante (Figure 4.22). Une valeur de R = 5 cm semble donner les meilleurs résultats possibles, c’est donc celle retenue pour tracer les deux profils d’extrusion de la Figure 4.21. La constante A de l’équation (IV.1) correspond à l’extrusion en paroi puisque u(r=R) = u(x=0) = A, où x est la distance devant le front. Pour R = 5 cm, l’extrusion au front vaut 0.50 mm dans le cas sans boulonnage, alors qu’avec boulonnage, elle est égale à 0.15 mm, soit un peu plus de trois fois moins.


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18


Ext

rusi

on [m

m]

Essais sans boulon

Essais avec boulons

Profil d'extrusion extrapolé (cas sans boulon)

Profil d'extrusion extrapolé (cas avec boulons)

Profil d'extrusion extrapolé du typeu(r) = A.R²/r² avec R = 5 cm

Figure 4.21. Extrapolation d’un profil d’extrusion de type hyperbolique avec R = 5 cm

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18


Ext

rusi

on [m

m]

Essais sans boulon

Essais avec boulons

Profil d'extrusion extrapolé (cas sans boulon)

Profil d'extrusion extrapolé (cas avec boulons)

Profil d'extrusion extrapolé du typeu(r) = A.R²/r² avec R = 15 cm

Figure 4.22. Extrapolation d’un profil d’extrusion de type hyperbolique avec R = 15 cm

Une extrapolation du profil d’extrusion de type exponentielle a également eté réalisée (Figure 4.23 ci-dessous). Le calage avec les courbes expérimentales est meilleur qu’avec les deux profils hyperboliques précédents. Ainsi, dans le cas sans boulonnage, l’extrusion au front est estimée à 0.60 mm, alors qu’avec boulonnage, elle n’est que de 0.22 mm, soit presque trois fois moins.


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18


Ext

rusi

on [m

m]

Essais sans boulon

Essais avec boulons

Profil d'extrusion du front sans boulonProfil d'extrusion du front boulonné

Profil d'extrusion extrapolé du typeu(x) = b . exp(- m.x) avec m > 0

Figure 4.23. Extrapolation d’un profil d’extrusion de type exponentielle

4.1.4 Évolution des contraintes internes

Le système de mesure des contraintes internes dans le massif n’a été mis en place que pour les trois derniers essais, deux essais avec boulons (essais 6 et 8) et un essai sans (essai 7). Leur emplacement dans le massif est donné au paragraphe 4.2.4.a de ce chapitre, à la Figure 4.37. Durant la phase de creusement, l’exploitation des mesures de contraintes internes s’avère difficile du fait des faibles variations enregistrées puisqu’elles sont du même ordre de grandeur que la précision des capteurs ; toute analyse est par conséquent impossible. Seules les mesures de contraintes durant la phase de chargement seront donc exploitées (paragraphe 4.2.4).

4.2. Phase de chargement : résultats expérimentaux

4.2.1 Durée des paliers de chargement

L’augmentation progressive d’une surcharge en surface par palier d’environ 1 kPa s’effectue par le gonflement des chambres à air (cf. Chapitre 3, § 3.3). La surcharge est entièrement transmise au sol au bout d’environ 8 minutes, sauf pour le premier palier où il faut compter 15 minutes, le temps que les chambre à air se remplissent. La durée d’application de la surcharge pour un palier donné varie selon les essais, comme le montre le Tableau 4.1.


Essai 2 (sans boulon)

Essai3 (26 boulons)

Essai 4 (26 boulons)





Palier 1 17 18 23 101 37 118 179 Palier 2 10 10 13 78 18 105 4047* Palier 3 10 9 12 65 21 95 104 Palier 4 14 10 14 44 22 71 169 Palier 5 11 10 12 64 48 132 Palier 6 12 9 16 129 955* 91 Palier 7 13 11 32 737* 91 900* Palier 8 17 36 362 80 105 Palier 9 23 106 120 141

Palier 10 25 64 84 286 Palier 11 10 54 53 90 Palier 12 11 67 30 819* Palier 13 21 40 945* 99 Palier 14 557* 119 127 Palier 15 216 100 Palier 16 97 80 Palier 17 74 127 Palier 18 73 71 Palier 19 64 23 Palier 20 42 849* Palier 21 97 Moyenne 13 11 19 98 72 97 119

* palier incluant une nuit ou un week-end, non pris en compte dans le calcul de la moyenne

Tableau 4.1. Temps d’application (en minutes) de la surcharge en surface pour chacun des paliers de chaque essai

On constate que pour les essais 2 à 4 le temps d’application de la surcharge est relativement court, entre 11 et 19 minutes en moyenne, alors que pour les essais 5 à 8 il est beaucoup plus long, entre 72 et 119 minutes en moyenne. Ceci s’explique par la présence des capteurs de déplacements internes dans le massif à partir de l’essai 5. En effet, on verra dans le paragraphe 4.2.3 que l’évolution des déplacements internes est assez lente pour chaque palier de chargement et qu’ils commencent à se stabiliser au bout d’environ 90 minutes. C’est pour cette raison que les paliers de chargement des quatre derniers essais durent plus d’une heure, alors que pour les quatre premiers essais aucune précaution n’a été prise puisque les déplacements internes n’étaient pas mesurés.

4.2.2 Évolution des tassements

Les tassements engendrés au cours de la phase de chargement en surface n’ont pas pû être interprétés de façon pertinente : aucun profil de tassements le long de l’axe du tunnel en fonction du chargement surfacique n’a pû être exhibé que ce soit pour les essais avec ou sans boulons. La raison principale à cela provient de la difficulté à positionner correctement les capteurs LVDT à l’intérieur des tubes rigides qui traversent la planche de contre-pression et passent entre deux coussins d’air (cf. Chapitre 3,§ 3.5.6.a). A chaque nouveau palier de chargement, les coussins d’air se gonflent. Mais si cela ne se fait pas de façon simultanée pour les deux coussins entourant le tube rigide, alors un léger déplacement de ce dernier se produit. Le tube vient alors en butée contre le capteur, perturbant ainsi la mesure. Il a été envisagé de modifier le système de contre-pression, mais pour des raisons de délais cela n’a pû être fait.


4.2.3 Évolution des déplacements internes et de l’extrusion

Au cours de la phase de chargement en surface, les déplacements internes devant (capteurs LVDT) et au front (capteurs Laser) répondent de façon quasi instantanée à l’augmentation de pression en surface, comme on le constate pour les essais 5 à 8 sur les quatre figures suivantes (Figure 4.24 à Figure 4.27). Des représentations graphiques similaires pour les essais 2 à 4 sont données en Annexe E de ce document, mais pour ces trois essais seule l’extrusion au front a été mesurée en deux points par les capteurs Laser.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 Temps [heure]

Ext

rusi

on [m

m]

0

2

4

6

8

10

12

Cha

rgem

ent s

urfa

ciqu

e [k

Pa]

(a) 10 cm au-dessus du centre, au front(b) au centre, au front(c) au centre, à 5 cm devant le front(d) au centre, à 12 cm devant le front(e) au centre, à 19 cm devant le front(f) Chargement surfacique

Nui

t (10

heu

res)

Pos

e (4

heu

res) (b)

(a)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figure 4.24. Essai 5 – Evolution des déplacements internes (en différents points) et du chargement surfa-cique au cours du temps


0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25Temps [heure]

Ext

rusi

on [m

m]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Cha

rgem

ent s

urfa

ciqu

e [k

Pa]

(a) 10 cm au-dessus du centre, au front(b) au centre, au front(d) au centre, à 12 cm devant le front(e) au centre, à 19 cm devant le front(f) Chargement surfacique

Nui

t (14

heu

res)

Nui

t (14

heu

res)

(a)

(b)

(d)

(e)

(f)


0

1

2

3

4

5

0 1 2 3 4 5 6 7Temps [heure]

Ext

rusi

on [m

m]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Cha

rgem

ent s

urfa

ciqu

e [k

Pa]

(a) 10 cm au-dessus du centre, au front(b) au centre, au front(c) au centre, 4 cm devant le front(d) au centre, 9 cm devant le front(e) 12 cm en-dessous du centre, 4 cm devant le front(f) Chargement surfacique

(f)

(e)

(d)(c)

(a)

(b)



0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 10 20 30 40 Temps [heure]

Ext

rusi

on [m

m]

0

5

10

15

20

25

Cha

rgem

ent s

urfa

ciqu

e [k

Pa]

(a) 12 cm au-dessus du centre, 8.5 cm devant le front(b) au centre, au front(c) au centre, 4 cm devant le front(d) au centre, 9 cm devant le front(e) au centre, 14 cm devant le front(f) Chargement surfacique

(f)(c)

(b)

(a)

(d)

(e)

Wee

k-en

d (6

5 he

ures

)

Nui

t (12

heu

res)

Nui

t (11

heu

res)

Nui

t (12

heu

res)


Les quatres figures précédentes mettent en évidence la cohérence des résultats de déplacements internes obtenus avec deux types de capteurs différents : les capteurs Laser (mesurant un déplacement au front) enregistrent des déplacements plus importants que les capteurs LVDT (mesurant un déplacement au-devant du front). La cohérence des résultats est également respectée pour un même type de capteur puisque le déplacement mesuré par un capteur LVDT est d’autant plus grand que le capteur est situé près du front. Pour un palier de chargement donné, il apparaît que les déplacements internes n’évoluent quasiment plus 90 minutes après le début de ce palier. Cependant, il a été indiquée au paragraphe 4.2.1 que pour les essais 2 à 4 la durée moyenne d’un palier n’est que de 11 à 19 minutes. Ces essais ne sont donc pas retenus. Dans l’analyse qui suit, seuls les essais 5 à 8 sont pris en compte car la durée moyenne de chaque palier y est suffisamment longue pour permettre aux déplacements internes et à l’extrusion d’évoluer suffisamment. La Figure 4.28 représente l’évolution dans le temps des déplacements internes relatifs aux différents paliers de chargement de l’essai 7, pour le capteur LVDT situé 4 cm devant le front, au centre. De tels graphiques sont également présentés en Annexe F pour tous les capteurs de déplacement interne et d’extrusion, pour les essais 5 à 8. En ne considérant que les 120 premières minutes après le début du chargement, on remarque qu’au final les déplacements internes n’évoluent guère. Pour les paliers de chargement dont la durée est inférieure à 120 minutes, une régression de type logarithmique est réalisée afin d’extrapoler le profil des déplacements internes.


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 20 40 60 80 100 120

Temps [min]

Dép

lace

men

t rel

atif

à un

pal

ier [

mm

]

(a) palier 1 : 2,4 kPa(b) palier 2 : 4,6 kPa(c) palier 3 : 5,9 kPaExtrapolation

(a)

(b)

(c)

Figure 4.28. Essai 7 – Evolution des déplacements internes relatifs, 4 cm devant le front, au centre (cap-teur LVDT), en fonction du temps pour les différents paliers de chargement surfacique

Pour chaque palier de chargement, on associe alors une valeur de déplacement interne relatif correspondant au déplacement relatif mesuré (ou extrapolé, le cas échéant) 120 minutes après le début du palier, représenté par un carré noir sur la Figure 4.28. En cumulant ces différentes valeurs de déplacements et en les représentant en fonction du chargement surfacique du palier donné, on obtient le graphique de la Figure 4.29.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 1 2 3 4 5 6 7Chargement surfacique [kPa]

Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)

au centre, 4 cm devant le front

Figure 4.29. Essai 7 – Evolution des déplacements internes 4 cm devant le front, au centre (capteur LVDT) en fonction du chargement surfacique


Cette interprétation est répétée pour et pour tous les capteurs de déplacement interne et d’extrusion au front, et pour les essais 5 à 8. Tous les résultats sont reportés en Annexe F. La Figure 4.30 présente les résultats ainsi obtenus, en prenant comme exemple l’essai 5.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 2 4 6 8 10 12

Chargement surfacique [kPa]

Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)

10 cm au-dessus du centre, au front

au centre, au front

au centre, à 5 cm devant le front



Figure 4.30. Essai 5 – Evolution des déplacements internes en fonction du chargement surfacique

On peut alors comparer les différents essais même s’ils ne possèdent pas des durées de palier de chargement surfacique identiques à l’origine. Les résultats de cette comparaison sont présentés dans les six figures suivantes (Figure 4.31 à Figure 4.36).

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16


Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)

Essai 5 - sans boulonEssai 7 - sans boulonEssai 6 - 24 boulonsEssai 8 - 25 boulons

Figure 4.31. Evolution de l’extrusion au front, au centre (capteur Laser), en fonction du chargement sur-facique


0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12 14 16


Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)

Essai 5 - sans boulon


Essai 6 - 24 boulons

Figure 4.32. Evolution de l’extrusion au front, 10 cm au-dessus du centre (capteur Laser), en fonction du chargement surfacique

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25


Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)

Essai 5 - sans boulon (5 cm devant le front)


Essai 8 - 25 boulons (4 cm devant le front)

Figure 4.33. Evolution des déplacements internes 4 à 5 cm devant le front, au centre (capteur LVDT), en fonction du chargement surfacique


0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 5 10 15 20 25


Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)

Essai 7 - sans boulon (9 cm devant le front, au centre)

Essai 8 - 25 boulons (9 cm devant le front, au centre)

Essai 8 - 25 boulons (8,5 cm devant le front, 12 cm au-dessus du centre)

Figure 4.34. Evolution des déplacements internes 9 cm devant le front, au centre et au-dessus du centre (capteur LVDT), en fonction du chargement surfacique

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 5 10 15 20 25


Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)




Figure 4.35. Evolution des déplacements internes 12 à 14 cm devant le front, au centre (capteur LVDT), en fonction du chargement surfacique


0

0,5

1

1,5

2

0 5 10 15 20


Dép

lace

men

t cum

ulé

[mm

](2

heu

res

aprè

s le

déb

ut d

e ch

aque

pal

ier)


Essai 6 - 24 boulons

Figure 4.36. Evolution des déplacements internes 19 cm devant le front, au centre (capteur LVDT), en fonction du chargement surfacique

On constate que, d’une manière générale, les déplacements internes devant le front, pour une valeur de surcharge donnée, sont plus importants pour les essais sans boulon que pour les essais avec boulons. Par contre, concernant l’extrusion au front (au centre et 10 cm au-dessus du centre), il est très difficile de constater une différence significative sur la réduction des valeurs. Ceci peut s’expliquer par les nombreuses chutes locales au front qui viennent perturbées les mesures des capteurs Laser. Si le capteur Laser est pointé vers une partie instable du front, alors on mesurera le déplacement de cette partie, et non celui du front dans sa globalité. Les valeurs d’extrusion seront alors sur-estimées. Les capteurs LVDT de déplacements internes situés au devant du front ne sont, eux, pas perturbés par ce type de phénomène et mesurent bien un déplacement d’ensemble de l’avant du front. D’ailleurs ceci se traduit par une continuité dans les mesures, ce qui n’est pas toujours le cas pour les capteurs Laser, comme on pourra le constater sur les différents graphiques présentés en Annexe F. Comme pour la phase de creusement, la phase de chargement surfacique montre que les déplacements internes devant le front sont considérablement réduits par la présence des boulons au front. Même si la phase de chargement de l’essai 5 a été réalisé en pulvérisant de l’eau sur le front, les valeurs de déplacements internes sont cependant supérieures à ceux des essais avec boulons. Concernant les deux essais réalisés avec deux types de boulons différents, en étain pour l’essai 6 et en PVC pour l’essai 8, il est difficile d’évaluer l’influence sur les déplacements puisqu’aucun capteur n’a été placé au même endroit pour ces deux essais. Seul l’extrusion au centre du front est comparable : l’essai avec boulons en PVC engendrerait moins de déplacement que l’essai avec boulons en étain, mais comme on l’a expliqué précédemment, ces mesures d’extrusion au front ne sont pas totalement fiables car souvent perturbées par les instabilités locales.

4.2.4 Évolution des contraintes internes (essais 6, 7 et 8)

4.2.4.a Position des capteurs internes de pression Au cours de la phase de chargement en surface, les contraintes internes horizontales et verticales ont été mesurées à trois endroits dans le massif, comme représenté sur la Figure 4.37. Les positions (a) et (c) se situent à 59 et 62 cm par rapport au bord frontal de la cuve ; la position (b) se situe à 69 et 72 cm du bord pour les essais 7 et 8 et à 89 et 92 cm du bord pour l’essai 6. Les positions (a) et (b) se situent quelques


centimètres au-dessus de l’axe du tunnel alors que la position (c) est nettement plus haute : à 25, 32 et 34 cm au-dessus de l’axe du tunnel respectivement pour les essais 6, 7 et 8. Pour une position donnée, les deux capteurs mesurant la contrainte horizontalement et verticalement sont situés à 2.5 cm de part et d’autre de l’axe (direction X sur la figure).

0

20

40

60

80

100

020406080100120140

Bor

d fr

onta

l de

la c

uve

Contrainte horizontaleContrainte verticaleEssai 6 (24 boulons)Essai 7 (sans boulon)Essai 8 (25 boulons)

Axe

Position finale du TUBE

Surface

(b) (a)

(c)

Figure 4.37. Vue transversale de la cuve – Emplacement des capteurs de contrainte interne verticale et horizontale en trois endroits (a), (b) et (c) dans le massif

4.2.4.b Exploitation des résultats La variation relative de contrainte interne est liée à l’augmentation de pression en surface, comme le montre les trois figures suivantes (Figure 4.38 à Figure 4.40), pour les trois essais instrumentés avec des capteurs internes de pression, l’essai 7 étant sans boulon alors que les essais 6 et 8 possèdent respectivement 24 et 25 boulons au front. Au niveau de la légende, les lettres a, b et c correspondent aux trois positions définies à la figure précédente (Figure 4.37) et les lettres V et H correspondent respectivement à la contrainte verticale et horizontale. Légende (Figure 4.38 à Figure 4.40) : (a.V) Position (a) dans le massif, contrainte verticale (a.H) Position (a) dans le massif, contrainte horizontale (b.V) Position (b) dans le massif, contrainte verticale (b.H) Position (b) dans le massif, contrainte horizontale (c.V) Position (c) dans le massif, contrainte verticale (c.H) Position (c) dans le massif, contrainte horizontale


0

2

4

6

8

10

12

14

0 5 10 15 20 25Temps [heure]

Con

train

te in

tern

e re

lativ

e [k

Pa]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Cha

rgem

ent s

urfa

ciqu

e [k

Pa]

Nui

t (1

4 he

ures

)

Nui

t (1

4 he

ures

)(a.H)

(a.V)

(b.H)

(b.V)

(c.H)

(c.V)

Chargement surfacique

Figure 4.38. Essai 6 – Evolution des contraintes internes relatives verticales et horizontales (en différents points du massif) et du chargement surfacique au cours du temps

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7Temps [heure]

Con

train

te in

tern

e re

lativ

e [k

Pa]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Cha

rgem

ent s

urfa

ciqu

e [k

Pa]

(a.H)

(a.V)

(b.H)

(c.H)

(b.V)

(c.V)




-5

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 Temps [heure]

Con

train

te in

tern

e re

lativ

e [k

Pa]

0

5

10

15

20

25

Cha

rgem

ent s

urfa

ciqu

e [k

Pa]

Wee

k-en

d (6

4,6

heur

es)

Nui

t (11

,9 h

eure

s)

Nui

t (10

,5 h

eure

s)

Nui

t (11

,9 h

eure

s)

(a.V)

(a.H)

(b.V)

(b.H)

(c.V)

(c.H)



Pour les premiers paliers de chargement, une fois que la pression en surface est atteinte, c’est-à-dire que les coussins d’air sont complètement gonflés, les contraintes internes n’évoluent quasi plus et se stabilisent à une certaine valeur. Par contre, pour les derniers paliers de chargement on constate que, au cours du palier, les contraintes diminuent en continu. Ceci est particulièrement vrai pour les contraintes internes horizontales et verticales correspondant à la position (a), c’est-à-dire la position la plus proche du front. On constate d’ailleurs qu’à partir d’un certain palier de chargement, la valeur de la contrainte à la fin de ce palier est inférieure à celle du palier précédent. On peut alors parler de début de rupture localisée puisque qu’à cet endroit le sol se décomprime. Ce phénomène intervient à différentes valeurs de chargement surfacique selon les essais comme le montre le Tableau 4.2. Valeur du chargement surfacique [kPa]

Nombre

de boulons Au début de la décompres-sion horizontale Au début de la décompres-

sion verticale Au cours de la rupture fi-

nale Essai 6 24 (en étain) 15.0 14.3 19.1 Essai 7 sans 5.9 5.9 8.6 Essai 8 25 (en PVC) 6.6 6.6 23.9

Tableau 4.2. Chargement surfacique à partir duquel le sol se décomprime, au niveau de la position (a), et chargement surface provoquant la rupture du front

En comparant les différentes valeurs de chargement surfacique, on constate que le massif se décomprime plus tard en présence de boulons. Ceci est particulièrement vrai si on compare les essais 6 et 7, puisque la valeur de chargement surfacique provoquant le début de la décompression verticale est quasiment multipliée par trois en présence de boulons. Par contre, pour l’essai 8, la valeur du chargement surfacique au moment de la décompression semble être sous-estimée, surtout si on la compare à la valeur du chargement surfacique provoquant la rupture finale du front. Ceci peut s’expliquer par un phénomène local d’instabilité, près de la position (a). Sur les figures suivantes (Figure 4.41 à Figure 4.43), on représente les valeurs de contraintes internes verticales (trait noir) et horizontales (trait gris) à la fin de chaque palier de chargement en fonction du chargement surfacique, pour les trois emplacements (a), (b) et (c) définis précédemment à la Figure 4.37.


-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0 5 10 15 20 25


Con

train

te in

tern

e re

lativ

e [k

Pa]

à la

fin

de c

haqu

e pa

lier

Contrainte verticaleContrainte horizontale

Essai 6 (24 boulons)Essai 7 (sans boulon)Essai 8 (25 boulons)

Figure 4.41. Evolution des contraintes internes dans le massif, à la position (a), en fonction du charge-ment surfacique

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 5 10 15 20 25


Con

train

te in

tern

e re

lativ

e [k

Pa]

à la

fin

de c

haqu

e pa

lier



Figure 4.42. Evolution des contraintes internes dans le massif, à la position (b), en fonction du charge-ment surfacique


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20 25


Con

train

te in

tern

e re

lativ

e [k

Pa]

à la

fin

de c

haqu

e pa

lier



Figure 4.43. Evolution des contraintes internes dans le massif, à la position (c), en fonction du charge-ment surfacique

On constate que les contraintes internes verticale et horizontale sont du même ordre de grandeur et linéairement dépendantes de l’augmentation de pression en surface. Concernant la position (a), à la Figure 4.41, on voit très clairement le moment où le sol commence à décomprimer puisqu’il s’accompagne d’une chute des contraintes internes verticale et horizontale.

4.2.5 Surcharge de rupture

Lors de la rupture du front provoquée par l'application progressive de la pression en surface, il apparaît clairement que le mécanisme d'instabilité est radicalement modifié par les renforcements. Dans le cas sans boulonnage, la rupture intervient par la chute brutale de gros morceaux de terrain ; alors que pour les essais avec boulons, de petites masses proches de la clé de voûte tombent en continu. Dans ce cas, il est remarquable d'observer que le front reste stable malgré la formation d'une longueur libre de près d'une dizaine de centimètres.

Pré-voûte

Nombre de boulons

Remarque en haut en bas

Surcharge de rupture [kPa]

Moyenne [kPa]

Essai 2 - -1 0 8,4 Essai 7 - -1 -1 8,6

8,5 sans boulon

Essai 5 - Front humidifié -0.5 -0.5 12,4 non retenu Essai 3 26 0 0 7,6 non retenu Essai 4 26 0 0 12 Essai 6 24 -1 0.5 19,2

15,6 avec boulons

Essai 8 25 Boulons en PVC 0 0 23,9 non retenu

Tableau 4.3. Valeur de la surcharge de rupture pour chaque essai

En comparant les différents essais, on note que la surcharge critique de rupture est d’une manière générale plus grande en présence des boulons (Tableau 4.3) sauf pour l’essai 3 qui bien que réalisé avec 26 boulons possède la plus faible valeur de surcharge de rupture. La Figure 4.44 donne une représentation graphique de ces valeurs critiques de chargement.


0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25 30Nombre de boulon

Sur

char

ge d

e ru

ptur

e [k

Pa]

sans boulon

avec boulons en étain

avec boulons en PVC

Essai 5 (front humidifié)

Essai 3Moyenne = 8,5 kPa

Moyenne = 23,9 kPa

Moyenne = 15,6 kPa

Figure 4.44. Valeur de la surcharge de rupture en fonction du nombre et du type de boulon

Dans le cas sans boulon, les valeurs critiques de chargement obtenues pour les essais 2 et 7 sont très proches et donnent une valeur moyenne de 8.5 kPa. L’essai 5, réalisé en pulvérisant de l’eau sur le front, n’est pas pris en compte car l’eau a agit comme un renforcement, augmentant de fait la stabilité du front. Dans le cas avec boulons, la valeur critique de chargement obtenue pour l’essai 3 est manifestement sous-estimée au regard des valeurs obtenues pour les essais 4, 6 et 8. Rappelons que pour cet essai la vitesse d’enfoncement du tube lors de la phase de creusement est la plus importante de tous les essais. Ceci a entrainé des mouvements de terrain plus importants pouvant expliquer une chute prématurée du front de taille lors du chargement. La valeur critique moyenne des essais 4 et 6, réalisés avec des boulons en étain, est de 15.6 kPa, soit quasiment 2 fois plus que dans le cas sans renforcement. Pour l’essai 8, réalisé avec des boulons en PVC, le chargement limite est de 23.9 kPa, c’est-à-dire plus important que pour les essais avec boulons en étain. La nature même du matériau de renforcement pourrait avoir une influence sur l’amélioration de stabilité du massif. Toutefois, étant donné qu’un seul essai a été réalisé avec ce type de boulon, il est difficile d’évaluer quantitativement cet apport de résistance. De plus, signalons que la phase de chargement de l’essai 8 s’est déroulée sur plusieurs jours : la durée du deuxième palier de chargement (2.6 kPa) comprend un week-end de deux jours et les septième et douzième paliers (respectivement 8.3 et 12.3 kPa) inclus la durée d’un nuit. Le chargement prolongé du massif durant l’essai 8 a très certainement modifié la réponse du terrain durant les paliers de chargement suivants.

4.3. Conclusion

Une campagne expérimentale de huit essais a été menée afin de mettre en évidence l’apport du boulonnage frontal lors du creusement d’un tunnel. Pour ce faire, différents capteurs ont été utilisés pour mesurer les contraintes et les déplacements internes devant le front, l’extrusion au front et les tassements en surface. L’exploitation des grandeurs mesurées par ces différents capteurs montre que la présence des boulons au front vient modifier de façon significative le comportement du terrain, notamment à l’avant du front de taille :


- Durant la phase de terrassement du tunnel, les déplacement internes devant le front, au centre, sont réduits par un facteur trois grâce à la présence des boulons. Concernant les tassements en surface et les contraintes internes, une telle conclusion s’avère difficile à formuler puisque les valeurs enregistrées sont du même ordre de grandeur que la précision des capteurs.

- Durant la phase de chargement en surface, les déplacement internes devant le front sont considérablement réduits grâce à la présence des boulons. Concernant l’extrusion du front, l’apport du boulonnage est moins évident à montrer, du fait des nombreuses chutes locales qui viennent perturber les mesures. La chargement surfacique de rupture est quasiment deux fois plus important en présence de boulons. Ces différentes conclusions relatives aux grandeurs mesurées convergent dans le même sens, à savoir que la présence des boulons au front vient augmenter la résistance et donc la stabilité du front de taille du tunnel. Cependant, toute généralisation au cas réel de creusement de tunnel n’est pas immédiate et certaines précautions doivent être prises. Dans le chapitre suivant, on tente de se servir de ces résultats afin de valider le modèle analytique développé et présenté au Chapitre 2. Pour cela, les lois de la similitude reliant les grandeurs du modèle réduit à celles du prototype associé doivent être appliquées.

Pont d'embarquementPage de titreRésumé - AbstractSommaireNotationsIntroduction généraleChapitre 1 Renforcement du front de taille d'un tunnel par boulonnageChapitre 2 Modélisation théorique par une approche analytiqueChapitre 3 Modélisation expérimentale sur modèle réduit 3DChapitre 4 Analyse des résultats expérimentauxAnalyse des résultats expérimentauxPhase de creusement : résultats expérimentauxLongueur de pré-voûte et fréquence des chutes locales au frontÉvolution des tassements en surfaceTassements dûs aux phases d’enfoncement du tubeTassements dus aux phases de terrassement

Évolution des déplacements internes devant le frontEvolution des déplacements internes au cours de l’enfoncementEvolution de l’extrusion au cours du terrassement

Évolution des contraintes internes

Phase de chargement : résultats expérimentauxDurée des paliers de chargementÉvolution des tassementsÉvolution des déplacements internes et de l’extrusionÉvolution des contraintes internes (essais 6, 7 et 8)Position des capteurs internes de pressionExploitation des résultats

Surcharge de rupture

Conclusion

Chapitre 5 Validation du modèle analytiqueConclusion et perspectivesRéférences bibliographiquesAnnexe A Modèle analytique : résolution détaillée et résultatsAnnexe B Géométrie du front de taille lors de la phase de creusementAnnexe C Tassements durant la phase de creusementAnnexe D Tassements durant les phases d'enfoncement du tubeAnnexe E Déplacements internes durant la phase de creusementAnnexe F Déplacements internes et extrusion durant la phase de chargement en surfaceFolio administratif

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chapitre 4 analyse des résultats...

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