Etude du comportement mécanique des terrains anisotropes lors de travaux de génie civil

Study of the mechanical behaviour of anisotropic grounds during civil engineering construction

• Auteur / Autrice : Thomas Le Cor
• Direction : Véronique Merrien-Soukatchoff
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 25/11/2014
• Etablissement(s) : Rennes, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie civil et génie mécanique (LGCGM)
• Partenaire(s) de recherche : : Université européenne de Bretagne (2007-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe Dacquin
• Jury : Président / Présidente : Pierre Breul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Merrien-Soukatchoff, Pierre Breul, Joëlle Riss, Luc Thorel, Marie-Pierre Dabard, Jérôme Simon, Damien Rangeard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joëlle Riss, Luc Thorel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux hétérogènes (physique)

Éléments finis, Méthode des

Murs de soutènement

Anisotropie

Schistes

Briovérien

Mots clés libres

Ecrans de soutènement

Rock mechanics

Brioverian

Schists

Anisotropy

Retaining walls

Finite element method

Inhomogeneous materials

Résumé

Les travaux de recherche présentés dans ce manuscrit ont été menés dans le cadre d’une convention CIFRE avec le Groupe Dacquin. Le sous-sol rennais est composé, en majorité, de schistes datés du Briovérien. Ces terrains, qui peuvent être rencontrés sur une grande partie du massif armoricain, présentent des degrés d’altération et de fracturation extrêmement variables à l’échelle du bassin rennais. Cette variabilité est très difficile à prendre en compte dans le cadre de la réalisation de soutènement, tant au niveau de la conception qu’au niveau de l’exécution. Dans un premier temps, des modélisations basés sur la méthode des éléments finis (logiciel PLAXIS 2D ©) ont été entreprises afin d’évaluer l’influence de la prise en compte d’une anisotropie du terrain sur le comportement de la paroi, en termes de moments et de déplacements. Le modèle utilisé permettait de prendre en compte une anisotropie élastique combinée à un critère orienté de plasticité de type Mohr-Coulomb. Les résultats obtenus avec ce modèle, pour différentes orientations du critère de plasticité, ont été comparés à ceux obtenus avec un modèle élastique isotrope et critère de plasticité de type Mohr-Coulomb. La même étude a été menée avec un second logiciel éléments finis (CESAR-LCPC) afin de comparer les résultats obtenus. Dans les deux cas une influence importante de l’orientation du critère de plasticité a été observée pouvant conduire à des résultats plus défavorables, selon l’orientation, que ceux obtenus avec le modèle isotrope. Ces résultats ont confirmé la nécessité de mieux caractériser l’anisotropie dans des matériaux tels que les schistes Briovériens. La caractérisation du matériau a donc été menée dans un second temps sur des prélèvements répartis sur la ville de Rennes et ses alentours (lors de travaux d’excavations ou sur des talus). Elle a permis de balayer les caractéristiques des schistes de l’échelle microscopique jusqu’à l’échelle macroscopique. La caractérisation microscopique, basée sur des observations au microscope à balayage électronique, des essais de diffraction des rayons X et des observations de lames minces, a permis de mettre en évidence des variations dans la pétrographie des échantillons (schistosité, granulométrie, teneur en argiles) permettant de les différencier en deux types : grès et siltites. La caractérisation à l’échelle macroscopique a été divisée en trois axes : la caractérisation de la matrice rocheuse et de son anisotropie (essais de compression uniaxiale, mesures de vitesses de propagation d’ondes et essais au scléromètre), la caractérisation de discontinuités exprimées (cisaillement direct) et la caractérisation de la résistance à l’usure (essais de broyabilité et Micro-Deval modifiés). Les siltites se sont révélées être extrêmement sensibles à l’eau (forte diminution des caractéristiques mécaniques mesurées) tandis que les échantillons gréseux l’étaient dans une moindre mesure. L’ensemble des essais réalisés a permis d’établir des ordres de grandeurs de variations des propriétés mécaniques des schistes du Briovérien. Enfin la classification des schistes briovériens élaborés par des géotechniciens pour la seconde ligne de métro de Rennes a été complétée en vue de mieux définir les classes intermédiaires de résistance.

Research work presented in this phD thesis was financed by a CIFRE grant given to Groupe Dacquin. Ground from the city of Rennes is, for the majority of it, composed of schists from the Brioverian era. These schists which can be encountered in the entire Armorican massif, present a weathering and a fracturing degree highly variable. This variability is hardly considered for the construction of retaining structure whether during the design step or the execution step. First, modellings using the finite elements method (PLAXIS 2D ©) have been carried out in order to evaluate the influence of ground anisotropy on the retaining wall behaviour (horizontal displacements and bending moments). The model used combined elastic anisotropy with an oriented plasticity criterion (type Mohr-Coulomb). Results obtained with this model, for different orientations of the plasticity criterion, were compared with the ones from the elastic isotropic model (with a Mohr-Coulomb plastic criterion). The same study was carried out with another finite elements software (CESAR-LCPC) in order to compare the results between the two sofwares. In both cases, an important influence of the orientation of the plasticity criterion was noted and lead to higher efforts in the wall, for certain orientations, compared to the isotropic model. These results confirmed the need of a better characterization of the anisotropy in materials such as Brioverian schists. In a second time, the characterization of the material was carried out on samplings spread over the city of Rennes and its area (during excavation work or on natural banks). Characterization was conducted from the microscopic to the macroscopic scale. Microscopic characterization based on observations with a scanning electron microscope, XRD analyses and thin section observations showed variations in the petrography of the samples (schistosity, granulometry, clay content) that lead to the differentiation of two types: sandstone and siltstone. The characterization at the macroscopic scale was divided into three parts: characterization of the rock matrix and its anisotropy (uniaxial compression tests, ultrasonic wave velocities and Schmidt hammer test), characterization of opened discontinuities (direct shear test) and the characterization of wear resistance (grindability and Micro-Deval tests). Siltstone samples were extremely sensitive to the water content (important decrease of the mechanical characteristics measured) whereas sandstones were less sensitive. The tests carried out lead to the definition of ranges for the mechanical properties of the Brioverian schists. Classification of Brioverian schists established by geotechnical engineers for the second subway line of Rennes was completed in order to better define the transitional states of strength of the material.