Étude du comportement des revêtements de tunnels creusés au tunnelier : modélisation numérique du contact entre voussoirs

Numerical analyses of segmental tunnel lining : the behavior of segment joints

• Auteur / Autrice : Rim Trad
• Direction : Hussein Mroueh, Hanbing Bian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 20/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement
• Jury : Président / Présidente : Isam Shahrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacqueline Saliba
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Pantet, Marwan Al-Heib

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Calcul

Modèles mathématiques

Revêtements en béton -- Joints

Tunnels -- Conception et construction

Mots clés libres

Voussoirs

Méthode simplifiée par macroélément

Joint

Segmental lining

Macroelement

Tunnel

Behaviour

Résumé

Le creusement des tunnels en milieu urbain a connu un essor considérable ces dernières décennies, avec des projets de plus en plus ambitieux. L’un des enjeux majeurs des ingénieurs et d’assurer à la fois la sécurité des travaux de construction et celle des avoisinants, souvent dans un contexte de plus en plus complexe. Dans ce cadre-là, les ingénieurs cherchent à améliorer leur modèle de calcul de l’ouvrage souterrain, qui en plus de l’aspect tridimensionnel et fortement non linéaire, doit prendre en compte le comportement des éléments de l’ouvrage de soutènement, constitué principalement de voussoirs formant l’anneau des tunnels par assemblage mécanique en eux. Dans certaines configurations, la connaissance du comportement des liaisons entre voussoirs est primordiale, car elle peut influencer de manière substantielle les méthodes de calcul.Le cadre de cette thèse s’inscrit dans cet objectif de mieux comprendre et de proposer des améliorations aux outils de calcul des soutènements des tunnels revêtus par des anneaux de voussoirs.Le premier objectif de ce travail est d’évaluer la fiabilité des approches existantes dans la littérature sur l’influence de la présence des joints dans la structure d’un tunnel. Le deuxième objectif est de proposer une modélisation numérique pratique du joint avec une loi de comportement tenant compte de toutes les non-linéarités des paramètres matérielles et géométriques qui influent sur le comportement du joint.Une étude comparative numérique des différentes méthodes existantes dans la littérature est d’abord abordée. Sur la base de données issues de la littérature, il est noté que les différentes méthodes fonctionnent mais à condition de pouvoir les calibrer à des données de chantier parfois indisponibles. Une limitation des méthodes existantes est donc observée, d’où la nécessité de décrire le comportement du joint de la manière la plus pertinente en fonction de la géométrie et des caractéristiques des joints.Le deuxième objectif de la thèse est de proposer un modèle de calcul par élément fini tridimensionnel capable de prendre en compte le comportement local complexe des joints à travers une approche globale, sur la base d’essais de flexion quatre points de deux voussoirs et d’un joint longitudinal. Une étude paramétrique est appliquée sur cette simulation pour étudier l’influence des paramètres reliés aux non-linéarités matérielles et à la géométrie de l’interface sur le comportement du joint. Une loi de comportement du joint longitudinal (Moment en fonction de rotation) non-linéaire est proposée et validée avec les essais expérimentaux. Les calculs sont également étendus au comportement non linéaire du béton, avec la prise en compte de la plasticité et l’endommagement du béton.La dernière partie vise à fournir une approche pratique pour modéliser le macroélément du joint longitudinal par éléments finis unidimensionnels. Cette méthode simplifiée est capable de prendre en compte le comportement local complexe (prise en compte de toutes les non-linéarités des paramètres matérielles et géométriques qui influent sur le comportement du joint : Nombre de boulons, épaisseur de voussoir, chargement, l’endommagement, résistance de joint...) par une approche globale. La fiabilité du modèle proposée a été confirmée par de bonnes correspondances entre les résultats obtenus par simulation et le comportement observé des essais expérimentaux.

Tunneling in urban areas has grown considerably in recent decades, with increasingly ambitious projects. One of the major challenges for engineers is to ensure both safety during the construction work and its surrounding in an increasingly complex context. Engineers seek to improve their calculation models of the underground structure, beyond the three-dimensional and highly non-linear aspects, most take into account the behavior of the support structure elements, which mainly consist of segments forming the ring of the tunnels by mechanical assembly within them. In certain cases, knowing the detailed behavior of the joints connecting the segments is essential, as it can substantially influence the calculation methods.The framework of this thesis is in line with the objective of better understanding and proposing improvements to the calculation tools for tunnel lining with segmental rings.The first objective of this work is to evaluate the reliability of existing approaches in the current literature with regards to the influence of joints in the tunnel structure. The second objective is to propose practical numerical modeling for the joint with a behavioral law that takes into account all the non-linearities of the material and geometrical parameters that influence the joint behavior.A comparative numerical study of the existing methods is done and introduced in the literature review. Based on the data gathered from the study, it has been noted that the different methods generally work well, but on condition that they can be calibrated to data which is sometimes unavailable. Therefore, a limitation of the existing methods is observed, hence the need to describe the joint behavior in the most relevant way according to geometry and joint characteristics.The second objective is to propose a three-dimensional finite element model capable of taking into account the complex local behavior of the joints through a global approach, based on four-point bending tests of two segments and a longitudinal joint. A parametric study has been done on this model to study the influence of parameters related to material non-linearities and interface geometry on the joint behavior. A non-linear longitudinal joint behavior law (Moment versus rotation) is proposed and validated with experimental tests. The calculations are also extended to the non-linear behavior of concrete, taking into account the plasticity and damage on the concrete.The last part aims at providing a practical approach to model the longitudinal joint macro-element by one-dimensional finite element. This simplified method takes into account the complex local behavior, including the non-linearities of the material and geometrical parameters that influence the joint behavior (number of bolts, the thickness of the segment, loading, damage and joint resistance...) through a global approach. The reliability of the proposed model was confirmed by good correspondence between the simulation results experimental tests.