Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Renforcement des sols par inclusions rigides : effet d’un chargement complexe en surface

Laboratoire principal - Référent principal GERS - CG  -  THOREL Luc      tél. : +33 240845808

Directeur du laboratoire principal BLANC Matthieu  -

Laboratoire 2 - Référent GERS - SRO  -  BADINIER Thibault  -    -  tél. : +33 181668094

Spécialité de la thèse Géotechnique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Nantes

Etablissement d'inscription UNIVERSITE DE NANTES

Ecole doctorale Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)

Directeur de thèse prévu THOREL Luc  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - CG

Co-directeur de thèse prévu BLANC Matthieu  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - CG

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Le renforcement des sols mous par Inclusions Rigides (IR) verticales est une technique aujourd’hui assez répandue dans le cas des remblais et des dallages, considérés sous des chargements répartis verticaux. Les charges de surface sont, au travers de la Plateforme de Transfert de Charge (PTC), concentrées principalement vers les IR, réduisant les efforts transmis au sol compressible, et par conséquent les tassements d’ensemble.
Cependant, d’autres configurations de chargement et de géométrie, non étudiées lors du PN ASIRI (2012), mais faisant l’objet du Projet ASIRI+ (2019-2023) sont rencontrées dans la pratique. La présente étude se concentrera sur deux aspects :
1) La fondation superficielle sous chargement combiné (incliné, excentré) monotone et non-monotone ;
2) Le chargement de surface mobile (charge roulante) dans le cas particulier de faibles épaisseurs de PTC.

Le cas de la fondation superficielle est fréquemment rencontré dans la pratique. Les dimensions de la fondation font qu’elle ne sollicite que quelques IR, et non pas un grand nombre comme c’est le cas pour les dallages, pour lesquels des techniques d’homogénéisation sont envisageables. Ici, le transfert est local et il est nécessaire de mieux comprendre le fonctionnement afin d’en optimiser le dimensionnement.
Peu de références sont disponibles dans la littérature sur des résultats expérimentaux in situ. Quelques essais ont été réalisés en centrifugeuse (Blanc et al., 2014 ; Rault et al. 2018), mais principalement sous charge verticale centrée ou sous charge inclinée centrée mais sans générer de moment. Sur le plan de la simulation numérique, les références sont rares, sans doute aussi parce que la simulation est nécessairement 3D. Les recommandations ASIRI (2012) proposent d’utiliser des modèles simplifiés, respectivement MV1 à MV3 pour un chargement purement vertical et MH1 à MH3 pour un chargement latéral (effort incliné ou moment).
Au cours de ce travail de doctorat, plusieurs approches seront utilisées afin de d’observer, de mieux comprendre et d’analyser les mécanismes en jeu dans le but de parvenir à des méthodes de dimensionnement. Pour ce faire, dans le cadre du PN ASIRI+ (https://asiriplus.fr), le(la) doctorant(e) pourra être impliqué(e), en fonction du planning de cette action, dans la réalisation et l’interprétation d’expérimentations en vraie grandeur (intensité de l’effort respecté, instrumentation de taille réelle, phasage de l’installation bien pris en compte,…), d’expérimentations sur modèles réduits centrifugés (étude paramétrique sur l’inclinaison, l’excentrement de la charge, l’épaisseur de la PTC, la rigidité en flexion de la fondation, la nature de la sollicitation – monotone ou cyclique¬ – , la combinaison des efforts H et V – « swipe tests » , la présence ou non d’un géosynthétique de renforcement à la base de la PTC,…) et aura à manipuler les modèles analytiques ainsi que les modèles numériques.

Pour la charge roulante, il s’agit de cerner le domaine de validité des approches statiques identifiées dans la partie précédente, puis de proposer d’éventuelles autres recommandations.
Une configuration bidimensionnelle sera étudiée dans un premier temps, tant du point de vue expérimental que théorique. Les paramètres étudiés seront en premier lieu l’effet de l’intensité de la charge sur le transfert de charge pour une épaisseur de PTC identique, puis plusieurs épaisseurs de PTC seront testées pour une charge semblable à une charge de service. La nature de la PTC (avec ou sans cohésion) sera également étudiée, ainsi que le renforcement géosynthétique à la base de la PTC. Le mouvement cyclique de la charge roulante comportera deux variantes : roulement mono-directionnel ; roulement alterné.
Ensuite, une configuration tridimensionnelle sera mise en œuvre avec le robot téléopérateur embarqué dans la centrifugeuse de l’Université Gustave Eiffel, sur lequel un outil simulant un essieu sera adapté. Plusieurs questions seront abordées, selon un programme incluant les résultats des essais 2D :
- Effet de la position de la zone de roulement par rapport aux rangées d’IR (au droit d’une rangée ou entre deux rangées), pour un roulement monodirectionnel ou bidirectionnel ;
- Effet d’une zone de roulement aléatoire incluant des mouvements dans le plan horizontal.

Enfin une troisième voie sera à entreprendre : la modélisation numérique des phénomènes observés en centrifugeuse. Selon, la configuration étudiée (2D ou 3D, petites ou grandes déformations, etc…), le doctorant devra prendre en main un code d’éléments finis adéquat. Par exemple, pour modéliser numériquement le poinçonnement de la PTC par une IR, les nouvelles méthodes couplant les visions Eulérienne et Lagrangienne avec possible remaillage seront comparées aux méthodes plus traditionnelles. De même, l’utilisation de lois de comportement prenant en compte un radoucissement post-rupture sera étudiée. Ainsi le doctorant aura calibré un modèle numérique à partir de données aux conditions limites bien maitrisées en centrifugeuse qu’il pourra alors confronter aux données in-situ obtenues dans le cadre du PN ASIRi+. Dans le cas de charge mobile, la méthode des algorithmes stationnaires permet de s’affranchir de la décomposition du mouvement et ainsi d’accélérer le du processus de calcul par élément fini (résolution du mouvement avec un nombre réduit d’étapes, voire une seule). Concernant les mécanismes impliquant de grandes déformations, on pourra tirer parti de récents développements associés aux éléments finis. Les méthodes de Particles Finites Elements Methods (PFEM) adoptent une posture intermédiaire entre approche Eulérienne et Lagrangienne. Les modèles sont discrétisés selon des maillages par éléments finis et les équations sont résolues selon les méthodes classiques. Cependant, le milieu constitué de particule est mobilisé librement, chaque particule transportant alors ses propriétés, il en résulte un milieu déformé qui est alors remaillé pour poursuivre le calcul. Ces méthodes permettent alors la modélisation de déformation importante en utilisant un formalisme d’élément fini associé à de petites déformations (Cremonesi et al., 2020).

Après une analyse bibliographique sur les différentes approches et sur l’objet lui-même du chargement superficiel isolé sur sol renforcé par IR, le travail comportera plusieurs volets :
- Analyse critique des méthodes analytiques existantes, de leurs limitations et de leur domaine de validité. Ces méthodes seront confrontées aux résultats expérimentaux existants.
- Analyse fine des expérimentations en vraie grandeur réalisées dans le cadre du PN (selon calendrier de réalisation).
- Etude paramétrique expérimentale en centrifugeuse.
- Modélisation numérique d’un cas étudié et étude paramétrique autour de ce cas.
Ces travaux seront principalement réalisés à Nantes, mais pourra nécessiter de se déplacer, selon les chantiers en cours.

Publications récentes
Almeida M.S.S., Fagundes D.D.F., Thorel L., Blanc M. 2020 Geosynthetic-Reinforced piled embankments: numerical, analytical and centrifuge modelling. Geos Int doi.org/10.1680/jgein.19.00011 27(3), 301–314.
ASIRi (2012). Recommandations pour la conception, le calcul, l’execution et le controle des ouvrages sur sols ameliores par inclusions rigides verticales, Presses Ponts. IREX, Paris.
Blanc M., Rault G., Thorel L., Almeida M. 2013. Centrifuge investigation of load transfer mechanisms in a granular mattress above a rigid inclusions network. Geotext Geom.36,92-105./dx.doi.org/10.1016/j.geotexmem.2012.12.001.
Blanc M., Thorel L, Girout R. Almeida M. 2014 Geosynthetic reinforcement of a granular load transfer platform above rigid inclusions: comparison between centrifuge testing and analytical modelling. Geos int,21, 37-52. DOI: 10.1680/gein.13.00033
Blanc M., Thorel L., Macé D., Neel A., Rault G. 2014 Raft above rigid inclusions - Centrifuge investigation of complex loading. 8th ICPMG Int. Conf. Phys Mod Geot, Perth 14-17jan 591-596.
Cremonesi et al. 2020 SotA PFEM Arch. Comp. Meth. Eng 27(5), 1709-1735
Fagundes D.D.F. Girout R., Almeida M.S.S, Blanc M., Thorel L., 2015 Behaviour of piled embankments without reinforcement Geotechnical Engineering Vol.168, GE6, 514-525. doi.org/10.1680/geng.14.00155
Fagundes D.D.F., Almeida M., Thorel L., Blanc M. 2017 Load transfer mechanism and deformation of reinforced piled embankments. Geotext Geom. doi.org/10.1016/j.geotexmem.2016.11.002, vol. 45(2), 1-10.
Girout R., Blanc M., Dias D., Thorel L. 2014. Numerical investigation of a load transfer platform above a piled network reinforced with geosynthetic – Validation on centrifuge tests. Geotext. Geom.. 42, 525-539. DOI 10.1016/j.geotexmem.2014.07.012.
Girout R., Blanc M., Thorel L., Da Fagundes D., Almeida M.S.S. 2016 Arching and deformation in a piled embankment: centrifuge tests compared to analytical calculations. J. Geot Geoenv Eng DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001557. 142(12)
Girout R., Blanc M., Thorel L.,Dias D. 2018 Geosynthetic reinforcement on piled-supported embankment Geos. Int. 25, 1 37–49. doi.org/10.1680/jgein.17.00032.
Kearsley E.P. et al. 2014. Centrifuge modelling of Ultra Thin Continuously Reinforced Concrete Pavements. Proc. Phys Mod Geot Gaudin & White (Eds) Taylor & Francis
Lukiantchuki JA et al. 2018. Centrifuge modelling of traffic simulation on a construction waste layer.Int J Phys Mod Geot 18(6): 290–300, doi.org/10.1680/jphmg.17.00012
Rakitin B., Xu M. 2014. Centrifuge modeling of large-diameter underground pipes subjected to heavy traffic loads Can. Geot J. 51: 353–368 dx.doi.org/10.1139/cgj-2013-0253.
Rault G., Blanc M., Macé D., Thorel L., 2012. Semelle sur inclusions rigides soumise à des sollicitations inclinées : expérimentations en centrifugeuse. Rapport ASIRI. 169p.
Simon B., Briançon L., Thorel L., 2020. Amélioration des sols par inclusions rigides : le rôle des géosynthétiques dans la plateforme de transfert de charge. RFG 162, 1.doi.org/10.1051/geotech/2020003

Mots-clefs: Inclusions Rigides, Renforcement de sol compressible, Chargement superficiel localisé, Modélisation Physique et Numérique, Centrifugeuse Géotechnique

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - CG - THOREL Luc tél. : +33 240845808
Directeur du laboratoire principal	BLANC Matthieu -
Laboratoire 2 - Référent	GERS - SRO - BADINIER Thibault - - tél. : +33 181668094
Spécialité de la thèse	Géotechnique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Nantes
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE DE NANTES
Ecole doctorale	Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (SIS)
Directeur de thèse prévu	THOREL Luc - Université Gustave Eiffel - GERS - CG
Co-directeur de thèse prévu	BLANC Matthieu - Université Gustave Eiffel - GERS - CG
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Le renforcement des sols mous par Inclusions Rigides (IR) verticales est une technique aujourd’hui assez répandue dans le cas des remblais et des dallages, considérés sous des chargements répartis verticaux. Les charges de surface sont, au travers de la Plateforme de Transfert de Charge (PTC), concentrées principalement vers les IR, réduisant les efforts transmis au sol compressible, et par conséquent les tassements d’ensemble. Cependant, d’autres configurations de chargement et de géométrie, non étudiées lors du PN ASIRI (2012), mais faisant l’objet du Projet ASIRI+ (2019-2023) sont rencontrées dans la pratique. La présente étude se concentrera sur deux aspects : 1) La fondation superficielle sous chargement combiné (incliné, excentré) monotone et non-monotone ; 2) Le chargement de surface mobile (charge roulante) dans le cas particulier de faibles épaisseurs de PTC. Le cas de la fondation superficielle est fréquemment rencontré dans la pratique. Les dimensions de la fondation font qu’elle ne sollicite que quelques IR, et non pas un grand nombre comme c’est le cas pour les dallages, pour lesquels des techniques d’homogénéisation sont envisageables. Ici, le transfert est local et il est nécessaire de mieux comprendre le fonctionnement afin d’en optimiser le dimensionnement. Peu de références sont disponibles dans la littérature sur des résultats expérimentaux in situ. Quelques essais ont été réalisés en centrifugeuse (Blanc et al., 2014 ; Rault et al. 2018), mais principalement sous charge verticale centrée ou sous charge inclinée centrée mais sans générer de moment. Sur le plan de la simulation numérique, les références sont rares, sans doute aussi parce que la simulation est nécessairement 3D. Les recommandations ASIRI (2012) proposent d’utiliser des modèles simplifiés, respectivement MV1 à MV3 pour un chargement purement vertical et MH1 à MH3 pour un chargement latéral (effort incliné ou moment). Au cours de ce travail de doctorat, plusieurs approches seront utilisées afin de d’observer, de mieux comprendre et d’analyser les mécanismes en jeu dans le but de parvenir à des méthodes de dimensionnement. Pour ce faire, dans le cadre du PN ASIRI+ (https://asiriplus.fr), le(la) doctorant(e) pourra être impliqué(e), en fonction du planning de cette action, dans la réalisation et l’interprétation d’expérimentations en vraie grandeur (intensité de l’effort respecté, instrumentation de taille réelle, phasage de l’installation bien pris en compte,…), d’expérimentations sur modèles réduits centrifugés (étude paramétrique sur l’inclinaison, l’excentrement de la charge, l’épaisseur de la PTC, la rigidité en flexion de la fondation, la nature de la sollicitation – monotone ou cyclique¬ – , la combinaison des efforts H et V – « swipe tests » , la présence ou non d’un géosynthétique de renforcement à la base de la PTC,…) et aura à manipuler les modèles analytiques ainsi que les modèles numériques. Pour la charge roulante, il s’agit de cerner le domaine de validité des approches statiques identifiées dans la partie précédente, puis de proposer d’éventuelles autres recommandations. Une configuration bidimensionnelle sera étudiée dans un premier temps, tant du point de vue expérimental que théorique. Les paramètres étudiés seront en premier lieu l’effet de l’intensité de la charge sur le transfert de charge pour une épaisseur de PTC identique, puis plusieurs épaisseurs de PTC seront testées pour une charge semblable à une charge de service. La nature de la PTC (avec ou sans cohésion) sera également étudiée, ainsi que le renforcement géosynthétique à la base de la PTC. Le mouvement cyclique de la charge roulante comportera deux variantes : roulement mono-directionnel ; roulement alterné. Ensuite, une configuration tridimensionnelle sera mise en œuvre avec le robot téléopérateur embarqué dans la centrifugeuse de l’Université Gustave Eiffel, sur lequel un outil simulant un essieu sera adapté. Plusieurs questions seront abordées, selon un programme incluant les résultats des essais 2D : - Effet de la position de la zone de roulement par rapport aux rangées d’IR (au droit d’une rangée ou entre deux rangées), pour un roulement monodirectionnel ou bidirectionnel ; - Effet d’une zone de roulement aléatoire incluant des mouvements dans le plan horizontal. Enfin une troisième voie sera à entreprendre : la modélisation numérique des phénomènes observés en centrifugeuse. Selon, la configuration étudiée (2D ou 3D, petites ou grandes déformations, etc…), le doctorant devra prendre en main un code d’éléments finis adéquat. Par exemple, pour modéliser numériquement le poinçonnement de la PTC par une IR, les nouvelles méthodes couplant les visions Eulérienne et Lagrangienne avec possible remaillage seront comparées aux méthodes plus traditionnelles. De même, l’utilisation de lois de comportement prenant en compte un radoucissement post-rupture sera étudiée. Ainsi le doctorant aura calibré un modèle numérique à partir de données aux conditions limites bien maitrisées en centrifugeuse qu’il pourra alors confronter aux données in-situ obtenues dans le cadre du PN ASIRi+. Dans le cas de charge mobile, la méthode des algorithmes stationnaires permet de s’affranchir de la décomposition du mouvement et ainsi d’accélérer le du processus de calcul par élément fini (résolution du mouvement avec un nombre réduit d’étapes, voire une seule). Concernant les mécanismes impliquant de grandes déformations, on pourra tirer parti de récents développements associés aux éléments finis. Les méthodes de Particles Finites Elements Methods (PFEM) adoptent une posture intermédiaire entre approche Eulérienne et Lagrangienne. Les modèles sont discrétisés selon des maillages par éléments finis et les équations sont résolues selon les méthodes classiques. Cependant, le milieu constitué de particule est mobilisé librement, chaque particule transportant alors ses propriétés, il en résulte un milieu déformé qui est alors remaillé pour poursuivre le calcul. Ces méthodes permettent alors la modélisation de déformation importante en utilisant un formalisme d’élément fini associé à de petites déformations (Cremonesi et al., 2020). Après une analyse bibliographique sur les différentes approches et sur l’objet lui-même du chargement superficiel isolé sur sol renforcé par IR, le travail comportera plusieurs volets : - Analyse critique des méthodes analytiques existantes, de leurs limitations et de leur domaine de validité. Ces méthodes seront confrontées aux résultats expérimentaux existants. - Analyse fine des expérimentations en vraie grandeur réalisées dans le cadre du PN (selon calendrier de réalisation). - Etude paramétrique expérimentale en centrifugeuse. - Modélisation numérique d’un cas étudié et étude paramétrique autour de ce cas. Ces travaux seront principalement réalisés à Nantes, mais pourra nécessiter de se déplacer, selon les chantiers en cours. Publications récentes Almeida M.S.S., Fagundes D.D.F., Thorel L., Blanc M. 2020 Geosynthetic-Reinforced piled embankments: numerical, analytical and centrifuge modelling. Geos Int doi.org/10.1680/jgein.19.00011 27(3), 301–314. ASIRi (2012). Recommandations pour la conception, le calcul, l’execution et le controle des ouvrages sur sols ameliores par inclusions rigides verticales, Presses Ponts. IREX, Paris. Blanc M., Rault G., Thorel L., Almeida M. 2013. Centrifuge investigation of load transfer mechanisms in a granular mattress above a rigid inclusions network. Geotext Geom.36,92-105./dx.doi.org/10.1016/j.geotexmem.2012.12.001. Blanc M., Thorel L, Girout R. Almeida M. 2014 Geosynthetic reinforcement of a granular load transfer platform above rigid inclusions: comparison between centrifuge testing and analytical modelling. Geos int,21, 37-52. DOI: 10.1680/gein.13.00033 Blanc M., Thorel L., Macé D., Neel A., Rault G. 2014 Raft above rigid inclusions - Centrifuge investigation of complex loading. 8th ICPMG Int. Conf. Phys Mod Geot, Perth 14-17jan 591-596. Cremonesi et al. 2020 SotA PFEM Arch. Comp. Meth. Eng 27(5), 1709-1735 Fagundes D.D.F. Girout R., Almeida M.S.S, Blanc M., Thorel L., 2015 Behaviour of piled embankments without reinforcement Geotechnical Engineering Vol.168, GE6, 514-525. doi.org/10.1680/geng.14.00155 Fagundes D.D.F., Almeida M., Thorel L., Blanc M. 2017 Load transfer mechanism and deformation of reinforced piled embankments. Geotext Geom. doi.org/10.1016/j.geotexmem.2016.11.002, vol. 45(2), 1-10. Girout R., Blanc M., Dias D., Thorel L. 2014. Numerical investigation of a load transfer platform above a piled network reinforced with geosynthetic – Validation on centrifuge tests. Geotext. Geom.. 42, 525-539. DOI 10.1016/j.geotexmem.2014.07.012. Girout R., Blanc M., Thorel L., Da Fagundes D., Almeida M.S.S. 2016 Arching and deformation in a piled embankment: centrifuge tests compared to analytical calculations. J. Geot Geoenv Eng DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001557. 142(12) Girout R., Blanc M., Thorel L.,Dias D. 2018 Geosynthetic reinforcement on piled-supported embankment Geos. Int. 25, 1 37–49. doi.org/10.1680/jgein.17.00032. Kearsley E.P. et al. 2014. Centrifuge modelling of Ultra Thin Continuously Reinforced Concrete Pavements. Proc. Phys Mod Geot Gaudin & White (Eds) Taylor & Francis Lukiantchuki JA et al. 2018. Centrifuge modelling of traffic simulation on a construction waste layer.Int J Phys Mod Geot 18(6): 290–300, doi.org/10.1680/jphmg.17.00012 Rakitin B., Xu M. 2014. Centrifuge modeling of large-diameter underground pipes subjected to heavy traffic loads Can. Geot J. 51: 353–368 dx.doi.org/10.1139/cgj-2013-0253. Rault G., Blanc M., Macé D., Thorel L., 2012. Semelle sur inclusions rigides soumise à des sollicitations inclinées : expérimentations en centrifugeuse. Rapport ASIRI. 169p. Simon B., Briançon L., Thorel L., 2020. Amélioration des sols par inclusions rigides : le rôle des géosynthétiques dans la plateforme de transfert de charge. RFG 162, 1.doi.org/10.1051/geotech/2020003
Mots-clefs:	Inclusions Rigides, Renforcement de sol compressible, Chargement superficiel localisé, Modélisation Physique et Numérique, Centrifugeuse Géotechnique

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