Comportement des sables sous sollicitation d’impact à faible vitesse : application au dimensionnement de couches de sol protégeant les structures des impacts rocheux

Behavior of sand subjected to low velocity impact loads : application to the design of soil layers to protect structures from impacting loads

• Auteur / Autrice : Tarik Oussalah
• Direction : Jean-Pierre Rajot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 18/06/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole nationale des travaux publics de l'Etat (Vaulx-en-Velin, Rhône ; 1975-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Risques rocheux et ouvrages géotechniques
• Jury : Président / Présidente : Claude-Henri Lamarque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Bost, Ali Limam, Norbert Gebbeken
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Daudeville, Vincent Labiouse, Robert Charlier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conception et construction

Protection

Ouvrages d'art

Mots clés libres

Dimensionnement

Structure de protection

Matériaux grenus

Impact

Chute de pierre

Éléments finis

Sable

Aléa

Design

Protect structure

Shelter

Graval materials

Impact

Rockfall

FEM

Sand

Hazard

Résumé

Les sols sont utilisés dans différents dispositifs de protection contre les chutes de blocs rocheux : pour couvrir des structures exposées, telles que les tunnels ou les galeries, ou construire des merlons. Une campagne d’essais expérimentaux instrumentés a été menée pour compléter l’observation des phénomènes, en particulier pour mieux caractériser la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface entre la couche de sol protectrice et la structure, dans différentes configurations d’impact. Plusieurs configurations d’impacts ont été considérées, caractérisées par l’épaisseur de sable (D), le diamètre équivalent du bloc rocheux (B, ou sa masse) et sa hauteur de chute libre (H). L’étude paramétrique expérimentale a comporté 43 essais, combinant systématiquement différentes valeurs de D, B et H de l’ordre de celles rencontrées en pratique. Suite au dépouillement des mesures, une expression de la pression induite à l’interface sol-structure pendant un impact au sommet de la couche de sol protectrice a été proposée. La démarche exposée pour établir, dans une configuration d’impact D, B et H, les valeurs des paramètres qui caractérisent les cinq grandeurs décrivant la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface sol-structure, peut être appliquée à d’autres natures de sols ou densités de compactage. Par ailleurs, un modèle numérique tridimensionnel simple de calcul en déformations, en dynamique explicite, a été développé. Le comportement en déformations du sol a été représenté par un modèle élastoplastique, avec critère de rupture de Mohr-Coulomb et faible dilatance. Les calculs ont été réalisés avec le logiciel ABAQUS. Enfin, une méthode de dimensionnement des couches de sol en protection de structures a été proposée. Cette méthode comporte deux étapes : (1) Pour la configuration d’impact B, D, H considérée, utiliser l’expression développée dans cette étude pour définir la distribution spatio-temporelle de pression induite à l’interface sol-structure, puis (2) Calculer en dynamique la structure soumise à cette impulsion de pression.

An extensive experimental parametric study has been carried out to characterize how impact loads of low velocity (lower than 100 km/h) are transmitted to a structure through a protective sand layer. Different rock fall conditions have been considered, corresponding to actual conditions in current practice. The experimental program consisted of 43 full scale impact tests on a sand layer protecting a concrete foundation mat, combining three sand layer thicknesses (1, 1.5 and 2 m), impacting blocs of equivalent diameters in the range of 0.42 to 1.79 m and five free falling heights, up to 33 m. Based on the analysis of pressure cells measurements for the different rock fall conditions, the pressure induced at the interface between the protective sol layer and the structure by an impact was expressed in terms of impact conditions, defined by layer thickness (D), size of the impacting bloc (B) and height of free fall (H). Procedures to derive the model parameters from the tests are explained in detail. A numerical model was developed to simulate an impact on a structure protected by a soil layer based on a deformation analysis approach. The Finite Element code ABAQUS was used. The bloc, the soil and the structure were considered as different bodies, having contact conditions between them. The stress‐strain relationship in the soil was assumed to be elastoplastic. Friction angle and dilation angles were derived from laboratory tests on the sand. The elastic modulus was assumed constant, equal to usual values for compacted sands. An approach is proposed for the design of soil layers to protect structures from impacting loads due to rock falls.