Modélisation numérique de la technique de renforcement des sols par inclusion rigides

Numerical analysis of the rigid inclusion soil reinforcement technique

• Auteur / Autrice : Jiamin Zhang
• Direction : Daniel Dias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 22/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Villard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Thorel, Bastien Chevalier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuel Bourgeois, Anne Pantet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction sol-structure

Modélisation CFD

Mots clés libres

Modélisation numérique

Renforcement des sols

Interaction sol-Structure

Numerical modeling

Soil reinforcement

Sol-Structure interaction

Résumé

Depuis la fin des années 1970, la technique des inclusions rigides (Rigid Inclusions RI) est utilisée dans le monde entier pour résoudre des problèmes liés aux sols compressibles. Elle peut réduire efficacement les tassements excessifs et améliorer la résistance des sols compressibles pour des applications dans les infrastructures de transport telles que les autoroutes et les chemins de fer, ainsi que dans les installations industrielles à grande échelle. Différentes méthodologies ont été développées pour la conception des systèmes RI en tenant compte des mécanismes de transfert de charge par effet voûte dans le sol sous des charges statiques. Néanmoins, plusieurs éléments n'ont pas été suffisamment étudiés, notamment la réponse des sols renforcés par des inclusions rigides sous des charges complexes/cycliques et l'influence du renforcement géosynthétique (géotextile ou géogrille).Cette thèse vise à étudier le comportement des systèmes renforcés par RI et à améliorer la connaissance des mécanismes complexes développés à l'intérieur de la plateforme de transfert de charge (Load Transfer Plateform LTP) en utilisant des approches numériques. Tout d'abord, une évaluation critique d'une semelle isolée placée sur des sols meubles renforcés par quatre inclusions rigides à l'aide de la modélisation par différences finies (Finite Difference Modeling FDM) est réalisée pour mettre en évidence l'influence de l'épaisseur de la plate-forme de transfert de charge sur le système dans des conditions de chargement centrées et excentrées. Ensuite, des modèles de prédiction par réseau de neurones artificiels (Artificial Neural network ANN) sont incorporés dans les modèles numériques pour évaluer les paramètres clés de la plateforme de transfert de charge sur la performance du système, sur la base desquels des diagrammes de dimensionnement sont proposés. Ensuite, un remblai sur inclusions et renforcé par des géosynthétiques (Geosynthetic Reinforced Piled Embankment GRPE) en grandeur réelle et son analyse numérique en retour utilisant la modélisation par éléments finis (Finite Element Modelling FEM) sont présentés pour mettre en évidence l'apport des géosynthétiques. Enfin, un modèle de comportement plus sophistiqué est considéré pour modéliser la LTP et la réponse sous chargement cyclique d'un remblai sur inclusions rigides est étudiée. Les travaux présentés prennent en compte différents aspects du système renforcé par les IR, ce qui fournit des informations précieuses et facilite la pratique future de l'ingénierie.

The rigid inclusion (RI) technique has been widely used around the world to cope with soft-soil-related problems since the late 1970s. It can effectively reduce excessive settlements and enhance the soft soil strength for applications in transportation infrastructures such as roadways and railways, as well as in large-scale industrial or civil facilities. Different methodologies were developed for the design of RI systems considering the load transfer mechanism through soil arching under static loadings. Nevertheless, several elements were not sufficiently studied, including the response of a rigid inclusion reinforced soil under complex/cyclic loading and the influence of geosynthetic reinforcement (geotextile or geogrid).This dissertation aims at investigating the behavior of RI-reinforced systems and improving the knowledge of complex mechanisms developed inside the load transfer platform (LTP) using numerical approaches. First, a critical assessment of a single footing placed on soft soils reinforced by four rigid inclusions using finite difference modeling (FDM) is conducted to highlight the load transfer platform thickness influence on the system under centered and eccentric loading conditions. Then, artificial neural network (ANN) prediction models are incorporated into the numerical models to evaluate key LTP parameters on the system performance, based on which design charts are proposed. Next, a full-scale experimental geosynthetic-reinforced piled embankment (GRPE) and its numerical back analysis using finite element modeling (FEM) are presented to reveal the impact of the geosynthetics. Finally, a more sophisticated constitutive model is considered to model the LTP and the response of a piled embankment under cyclic loading is studied. The presented works consider various aspects of the RI-reinforced system, thus providing valuable insights and facilitating future engineering practice.