Etude analytique, numérique et expérimentale du comportement mécanique des systèmes géosynthétiques : application au cas des barrières de sécurité des extensions d'ISDND

Analytical, numerical and experimental study of the mechanical behaviour of geosynthetic systems : Case of piggy-back landfill barriers

• Auteur / Autrice : Bekoin,Françis, Guillaume Tano
• Direction : Nathalie Touze-Foltz, Daniel Dias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 23/11/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France). Centre de Grenoble (2012-2019)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Delmas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Briançon, Franck Olivier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hussein Mroueh, Maria da Graça Alfaro Lopes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glissements de terrain

Géosynthétiques

Mots clés libres

Géosynthétiques

Modélisation numérique

Expérimentation grande échelle

Stabilité au glissement et déformation

Extensions d'ISDND

Barrières de sécurité

Geosynthetics

Numerical modelling

Large scale test

Translational stability and deformation

Piggy-Back landfill

Lining system

Résumé

Les géosynthétiques (GSY) sont des matériaux polymériques utilisés dans la construction d’ouvrages géotechniques et environnementaux, en remplacement et/ou en complément de matériaux naturels. Dans les installations de stockage de déchets non dangereux (ISDND), les GSY sont utilisés comme dispositif d’étanchéité et de drainage (barrière de sécurité) afin de prévenir les infiltrations de lixiviats vers la nappe phréatique.De nos jours, la rareté des sites adaptés à la construction de nouvelles ISDND conduit de nombreux opérateurs à opter pour la création de casiers de stockage en appui sur d’anciens casiers. Dans ces ouvrages en rehausse (extensions d’ISDND), une barrière de sécurité est généralement disposée entre les anciens casiers et les nouveaux casiers. Toutefois, dans cette configuration spécifique, les risques d’instabilité au glissement translationnel de l’ouvrage sont favorisés par la présence de plusieurs interfaces GSY représentant autant de surfaces de glissement préférentielles. Par ailleurs, ces risques sont accentués par le caractère compressible des déchets qui favorise l’apparition de tassements différentiels et/ou d’effondrements localisés (formation de cavités) sous la barrière de sécurité, susceptibles d’engendrer une perte d’intégrité (tensions / déformations excessives) de cette dernière. Dès lors, la compréhension des mécanismes associés à ces phénomènes de glissement translationnel et de déformation des GSY apparait capitale pour la réussite d’un tel projet.Dans ce contexte, les travaux objet du présent mémoire de thèse se sont attachés à mieux appréhender le comportement mécanique des systèmes GSY et de leurs interactions. Cette analyse a été effectuée sous l’angle de la stabilité au glissement translationnel (à l’échelle de l’ouvrage : grande échelle) et de l’intégrité structurelle des GSY au sein des barrières de sécurité sur cavité (petite échelle).Pour y parvenir, une analyse multi-approches associant étude analytique, modélisation numérique et étude expérimentale a été mise en oeuvre.Tout d’abord, le volet analytique a porté sur une analyse comparative de dix méthodes utilisées pour l’évaluation de la stabilité au glissement translationnel et de huit méthodes de dimensionnement des GSY de renforcement sur cavité. Ces études comparatives ont permis non seulement d’évaluer les écarts entre ces méthodes, mais aussi d’identifier celles qui se prêtent le mieux à une application en extension d’ISDND.Ensuite, une Méthode Rationnelle de Modélisation des systèmes Géosynthétiques (MeRaMoG) a été développée afin de prendre en compte fidèlement le comportement mécanique des GSY et de leurs interfaces (notamment la non-linéarité du comportement en traction des GSY). Grâce à la MeRaMoG qui a été validée expérimentalement, les mécanismes intervenant et contrôlant les phénomènes de glissement et de déformation des barrières de sécurité sur talus et sur cavité ont été investigués.Enfin, un Dispositif Expérimental grande-échelle pour l’étude de la Performance des GSY de renforcement sur Cavité (DEPGeC) a été développé. Le DEPGeC est un prototype permettant de simuler le comportement mécanique des GSY sur une cavité rectangulaire et sous une contrainte de confinement pouvant atteindre 100 kPa. L’utilisation du DEPGeC a permis d’évaluer l’influence de la contrainte de confinement, de la raideur du GSY de renforcement et d’un ancrage rigide sur les déformations des GSY.

Geosynthetics (GSYs) are polymeric materials that are used in engineering and environmental constructions to replace or in addition to natural materials. In landfills, GSYs are used as a lining system to prevent leachate infiltration into groundwater.Nowadays, the scarcity of suitable sites to establish new landfills leads more and more landfill owners to build new landfill cells over older ones. In such type of construction commonly called piggy-back landfill, a new GSY lining system is often implemented between old and new cells. However, in this specific configuration, the risk of translational instability of the construction is increased since the lining system involved several interfaces with low shear strength. Such instability is related to the failure of the various interfaces within the GSY lining system and hence to the sliding of GSY layers on each other. Moreover, the potential occurrence of differential settlements and / or localized collapses (cavity) which are related to the compressible nature of the waste within the old cell could tear (excessive tensile forces / strains) the GSY lining system under the overload of the new waste. Therefore, understanding the mechanisms controlling translational slip phenomena and deformation of GSYs is essential to ensure a proper design of such a project.In this context, this PhD thesis focused on better understanding of the mechanical behaviour of GSY systems and their interactions. The study was conducted using firstly a global analysis (large scale, all over the piggy-back landfill) of the lining system in terms of translational slips between the various GSYs. Secondly, this study investigated the integrity of the GSY lining system subjected to a cavity (small scale analysis).To achieve this goal, a multi-approaches investigation involving analytical study, numerical modelling and experimental study was performed.First, the analytical part focused on a comparative analysis based on ten methods used to assess the factor of safety of translational slip and on eight methods used for the design of GSY reinforcement over cavities. These comparative studies have not only assessed the differences between these methods, but also identified those best suited to be applied in the context of piggy-back landfills.Then, a rigorous method (MeRaMoG) that addressed the key aspects of the mechanical behaviour of GSYs and interfaces (e.g., the nonlinear axial stiffness of GSYs), was developed for the numerical modelling of multi-layered geosynthetic systems. Through MeRaMoG which was experimentally validated, the mechanisms controlling the translational slip and deformation of the geosynthetic lining system on side slopes and cavity were investigated.Finally, a new large-scale testing device (DEPGeC) was developed to assess the efficiency of a GSY reinforcement to bridge a cavity. The DEPGeC is a prototype that was used to simulate the mechanical behaviour of multi-layered GSY systems over a rectangular cavity and under a confining load of up to 100 kPa. Using the DEPGeC, the influence of the applied vertical load, the stiffness of the GSY reinforcement and a perfect anchorage on the deformations of GSY, was investigated.