Etudes expérimentale et numérique des plateformes granulaires renforcées par géosynthétiques sur sol mou

Experimental and Numerical studies of granular platforms reinforced by geosynthetics laid over soft subgrade soil

• Auteur / Autrice : Nisrine Abou Chaz
• Direction : Pascal Villard, Laurent Briançon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 04/04/2024
• 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 : Frédéric Victor Donzé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Delmas, Christelle Abadie
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Breul, Nicola Moraci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Méthode des éléments discrets

Sols mous

Chaussées -- Entretien et réparations

Géosynthétiques

Mots clés libres

Géosynthétique

Renforcement

Modélisation par élément finis et élément discrets

Expérimentation

Sol mou

Plateforme granulaire

Geosynthetic

Reinforcement

Finite element and discrete element modelling

Experimentation

Soft subgrade soil

Granular platform

Résumé

La mauvaise qualité de la couche de fondation est un défi important dans la construction de routes non revêtues. Les géosynthétiques (GSY) sont des solutions innovantes développés à partir des années 70. Selon le type de GSY utilisé, ils peuvent assurer un ou plusieurs rôles, notamment la séparation, le renforcement par les effets membrane et la stabilisation par l'imbrication des grains de sol dans les ouverture de la géogrille et/ou le frottement à l'interface sol-GSY. Il existe dans la littérature peu de méthodes de dimensionnement pour quantifier ces mécanismes, et elles présentent des limites en raison de leur calibration sur des paramètres spécifiques aux GSY et au sol utilisé et, parfois, dans des conditions de charge statique plutôt que cyclique. La complexité des mécanismes et le nombre importants de paramètres qui interviennent dans leur mise en place requirent une analyse plus poussée dans ce domaine.Pour répondre à ce problème persistant, une série d'études expérimentales et numériques a été menée. Le volet expérimental a étudié la performance du renforcement sous des charges cycliques verticales et de circulation en testant deux GTX tissés avec deux rigidités de traction différentes et deux épaisseurs de plateformes granulaires. En parallèle à l'expérimentation, un modèle numérique couplant couplant la méthode des éléments discrets et la méthode des éléments finis (à l'aide du logiciel SDEC) a été utilisé. Ce modèle visait à mettre en évidence l'impact du GSY et des paramètres du sol sur le rôle du renforcement et à fournir des données sur des phénomènes difficiles à mesurer expérimentalement.Les plots expérimentaux sont formés d'une couche de sol de fondation avec un CBR d'environ 1 %, recouverte par une plateforme granulaire compactée d'une épaisseur de 300 mm ou 500 mm. Le GTX est placé à l'interface entre la couche de fondation et la couche de base. Les résultats ont montré que, sous des charges verticales cycliques, le GTX n’apportaient pas de gain d’efficacité des plateformes de 500 mm d’épaisseur. Pour une plateforme de 300 mm d’épaisseur, les deux GTXs ont réduit de manière significative le tassement par rapport à une plateforme non renforcée de la même épaisseur (300 mm) et à une plateforme plus épaisse (500 mm). L'amélioration la plus importante a été observée avec le GTX le plus rigide. Trois essais ont été réalisés avec une charge de trafic appliquée par le Simulateur Accélérateur de Trafic (SAT). Il a été démontré que la charge de circulation exerçait une plus grande déformation dans la plateforme par rapport à la charge verticale, mais il était difficile d'arriver à une conclusion définitive sur la comparaison entre une plateforme renforcée et non renforcée.Dans le modèle numérique, une loi de comportement (1D) a été intégrée prenant en compte les variations du module de réaction du sol pendant les phases de chargement et de déchargement ainsi qu’avec les cycles, et décrivant la transition d'un comportement plastique à un comportement quasi-élastique du sol compressible. Par ailleurs, la plateforme granulaire purement frottant a montré son incapacité à supporter la charge cyclique verticale appliquée sur une plaque circulaire placée au centre du modèle. Cette limitation « numérique » a nécessité l’ajout d’une cohésion entre les particules de sol. Une fois calibré, le modèle numérique s'est avéré capable de reproduire le comportement des plates-formes renforcées par GSYs sur sol mou au cours du premier cycle et au fur et à mesure des cycles. Initialement, les efforts de frottement dépassaient l'effet membrane, mais à mesure que la déflexion augmentait avec les cycles, l'effet membrane devenait plus important. En plus, une étude paramétrique sur la compressibilité de la couche de fondation, la rigidité du GSY, le frottement à l’interface sol granulaire-GTX et les paramètres mécaniques de la couche a permis de mettre en évidence l’influence de ces différents paramètres sur les mécanismes.

Poor subgrade quality is a pervasive challenge in the construction of unpaved roads. Geosynthetics (GSYs) have emerged as innovative solutions since their initial usage in the late 1970s. Depending on the type of GSY employed, they can fulfil one or several roles, including separation, reinforcement by tensioned membrane effects, and stabilization by interlocking and/or friction at the soil-GSY interface. Few design methods exist in the literature to quantify these mechanisms, but they have limitations due to their calibration on specific GSY and soil parameters and, at times, under static rather than cyclic loading conditions. The various factors and parameters that influence the dominant mechanism and its corresponding contribution to platform enhancement underscore the necessity for further exploration in this area.To address this persistent issue, a series of experimental and numerical studies were conducted. The experimental part studied the performance of reinforcement under cyclic vertical and traffic loadings using two woven geotextiles (GTXs) with two different tensile stiffness and two base course thicknesses. Additionally, alongside the experimentation, a numerical model coupling the discrete element method and the finite element method (using Software-Defined Edge Computing) was employed. This model aimed to showcase the impact of GSY and soil parameters on reinforcement performance and provide insights into aspects challenging to measure through experimentation.The tested unpaved road sections are composed of a subgrade layer with a CBR around 1% covered by a compacted base course layer with thickness of 300 mm or 500 mm. The GTXs are placed at the interface between the subgrade and the base course layers. The results showed that the 500 mm base course reinforced platform did not exhibit reinforcement effects under vertical cyclic loading. However, the use of a 300 mm base course with GTX significantly reduced settlement compared to an unreinforced base course of the same thickness (300 mm) and to the thicker base course (500 mm). The most important improvement was observed with the highest-stiffness GTX. Moreover, three tests were performed under traffic loading applying by the Simulator Accelerator of Traffic (SAT). It was shown that traffic loading exerted greater deformation in the base course layer compared to vertical loading, but definitive conclusion can hardly be reached about the comparison between reinforced and unreinforced platform.In the numerical model, a behavioural law (1D) was integrated, considering the variation of the soil reaction modulus during loading and unloading phases and with cycles, and describing the transition of the soil from plastic to quasi-elastic behavior. In addition, the purely frictional base course layer revealed its incapacity to sustain the loading applied in the experimental. This inherent limitation prompted the incorporation of adhesion between soil particles to rectify this shortcoming in load-bearing capacity. Once calibrated the numerical model proved capable of accurately replicating the behavior of GTX-reinforced platforms in the first cycle and with cycles. It facilitated a quantification of the GTX friction effort and GTX tension effort with cycles. Initially, frictional forces outweighed the tensioned membrane effect, but as deflection increased with cycles, the latter became more prominent. This dynamic highlighted a diminishing dominance of the soil confinement mechanism with cycles, giving way to the increasing significance of the membrane effect. Furthermore, the subgrade softness, the GTX rigidity, the mattress-GTX interface parameters and the base course mechanical parameters influenced the behavior of the model.