Étude de la stabilité d'une structure tubulaire sous confinement : Effet d’une interface en coulis cimentaire

Study of the Stability of a Tubular Structure under Confinement : Influence of a Cementitious Grout Interface

• Auteur / Autrice : Sajid Kamil Zemam
• Direction : Mahdia Hattab, Mohamad Jrad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Marion Martiny-Weitig
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Norman Mathieu, Frédéric Bumbieler, Saïd Taïbi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carl Labergère, Jean-Claude Dupla
• DOI : 10.70675/5ec7b58bz2f38z4e49z9c26zb9307eb39ddd

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tunnels -- Construction

Tubes en acier

Tunnels

Stabilité

Roches argileuses

Mortier liquide

Flambage (mécanique)

Mots clés libres

Argile

Stabilité

Interaction

Clay

Stability

Buckling

Résumé

L'objet du projet sont des micro-tunnels creusés dans une roche argileuse équipés d'un tube en acier permettant d'assurer la stabilité des parois de la roche et garantir les bonnes conditions d'usage de ces derniers. Pour que la structure reste mécaniquement stable tout au long de la vie de l'ouvrage, le dimensionnement doit prendre en compte le risque de flambage et de ruine plastique. L'injection d'un matériau cimentaire entre le tube métallique et la roche hôte qui vise à limiter sa corrosion, peut diminuer la résistance au flambage sous contact du tube. L'objectif de la thèse est d'examiner l'impact du coulis cimentaire sur le comportement de la structure tubulaire et en particulier sur sa résistance au flambage. L'enjeu est d'améliorer la compréhension du comportement de la zone d'interface représentée par le coulis mis sous confinement. L'autre question importante concerne la caractérisation de la rigidité du milieu confinant bi-matériaux et son impact sur la stabilité du tube, l'épaisseur du coulis pouvant varier circonférentiellement. Les travaux comportent un volet expérimental et un volet numérique visant à identifier par une approche inverse le comportement mécanique de l'interface. Une étude des propriétés mécaniques du coulis a été réalisée au moyen d'essais œdométriques. Concernant la structure, les travaux s'appuient sur une démarche expérimentale utilisant le banc de flambage disponible au laboratoire LEM3. Ainsi, pour étudier le comportement mécanique, des essais sur éprouvettes et maquettes à échelle réduite ont été réalisés, ils ont permis de caractériser la tenue au flambage de la structure sous une pression externe transmise par une interface complexe.

This doctoral research addresses the study of micro-tunnels excavated in claystone and reinforced with a steel liner, whose primary function is to stabilise the surrounding rock walls and to ensure adequate service conditions throughout the lifetime of the structure. Guaranteeing the long-term stability of such systems requires that the design process explicitly accounts for the risks of buckling and plastic collapse. In this context, the injection of a cementitious grout between the steel tube and the host rock is generally employed as a protective measure against corrosion. However, while this practice offers clear durability benefits, it may simultaneously reduce the buckling resistance of the tube when subjected to external loads. The main objective of the thesis is therefore to investigate the influence of cementitious grout on the mechanical behaviour of the tubular structure, with a particular emphasis on its buckling resistance. A specific focus is placed on the interface zone formed by the confined grout, whose behaviour plays a critical role in the overall stability of the system. An additional aspect of the study involves the characterisation of the stiffness of the bi-material confining medium and its impact on the mechanical response of the tube, especially in situations where the grout thickness varies circumferentially, thereby creating heterogeneous confinement conditions. To address these questions, the research adopts a combined experimental and numerical approach. The numerical investigations are based on an inverse identification method, enabling the characterisation of the interface's mechanical behaviour. On the experimental side, the mechanical properties of the grout were examined through oedometer tests, while the buckling response of the tubular structure was studied using the buckling test bench available at the LEM3 laboratory. Tests were conducted on both individual specimens and reduced-scale models, which provided valuable insights into the buckling performance of the structure under external pressure transmitted through a complex grout-steel-rock interface.