Résumé
Les inclusions rigides (IR) sont des éléments verticaux élancés et minces utilisés pour transférer les charges de la superstructure sus-jacente, ou du remblai, à travers des sols compressibles vers, dans la plupart des configurations, les couches compétentes sous-jacentes. Lorsqu'ils sont utilisés comme partie d'un système de fondation d'une superstructure, ils diffèrent des fondations mixte radiers sur pieux et des pieux non connectés par la présence d'une plate-forme de transfert de charge (LTP) entre les têtes d'inclusion rigides et la superstructure. De plus, en conception courante, les inclusions rigides se distinguent des pieux par leur rigidité en flexion et axiale plus faibles ; des exceptions peuvent être rencontrées, par exemple dans le cas de système de fondation pour les piles de pont. Les inclusions rigides sont installées sous forme de grille dans un sol de faible caractéristique et sont utilisées pour augmenter la capacité portante et réduire le tassement vertical des fondations. Ils sont utilisés typiquement comme substitut économique aux pieux soit dans le cas de couches molles épaisses rendant l'utilisation de pieux inadaptée, soit dans les cas où l'exécution de la liaison rigide entre la tête des pieux et la fondation superficielle est difficile.
Au cours de la dernière décennie, sur la base de recherches sur les performances des IR et l’effet du LTP sous des charges statiques monotones, un ensemble de recommandations pour la conception et la conception d’un système de renforcement d’une IR sous charge statique a été proposé (Projet National ASIRI, 2012).
Dans les régions sismiques, les IR ont d’abord été appliqués au pont Rion-Antirion (Pecker, 2006) et sont progressivement devenues populaires. Plusieurs recherches ont mis en évidence que la LTP peut être considérée comme un système GSI (Geotechnical Seismic Isolation) car elle peut réduire la transmission d'énergie entre le sol et la semelle en permettant un certain glissement entre la semelle et la tête des IR.
Au cours de la dernière décennie, certaines études sur le système de fondation avec IR soumis à des charges dynamiques ont été publiées. Dans le cadre du programme de recherche français ASIRIplus-SDS (programme de recherche ANR), des recherches sur le comportement dynamique des inclusions rigides ont débuté en 2020 à l'Université Gustave Eiffel. Dans cette première phase, des travaux à la fois expérimentaux et numériques ont été entrepris : les travaux expérimentaux, du fait des rigidités choisies, ont concerné plus particulièrement le cas des inclusions rigides utilisées pour le système de fondation d'un pilier de pont. Le programme expérimental s'est concentré sur l'effet de la hauteur du centre de gravité de la superstructure rigide sur les performances de ces inclusions relativement rigides combinées à une LTP. L'analyse s'est basée sur une comparaison avec le cas d'une fondation superficielle.
Cependant, la réponse dynamique d’une fondation rigide renforcée par des inclusions représente un problème complexe d’interaction sol-structure (SSI). En particulier dans les sols argileux, il reste clairement nécessaire de continuer à explorer les phénomènes SSI impliqués dans la réponse de telles fondations en conditions sismiques.
Dans ce cadre, la recherche proposée se concentrera sur la comparaison des performances des inclusions rigides avec une rigidité axiale et en flexion dans la gamme de cas de conception plus classiques avec les pieux non connectés et les systèmes de fondation mixte radiers sur pieux dans des sols argileux.
Le programme de la thèse est structuré en plusieurs tâches :
1 – Etude bibliographique
2 – Conception du dispositif expérimental
3 – Programme expérimental et analyse des résultats
4 – Modélisation numérique
1 – La bibliographie se concentrera sur l’état de l’art de la conception des trois systèmes de fondation sous chargements sismiques et sur les travaux expérimentaux et numériques antérieurs.
2 – Cette tâche consistera à concevoir les tests sur modèles réduits en centrifugeuse. Plus particulièrement, à partir de la bibliographie, et en relation avec les praticiens, les maquettes à échelle réduite des trois systèmes de fondations seront conçues en tenant compte des limites expérimentales. De plus, le profil du sol, l'instrumentation et la procédure expérimentale des essais dynamiques sur modèles réduits centrifugés seront détaillés.
3 – Le programme expérimental sera basé sur la comparaison des performances dynamiques des trois systèmes de fondation en prenant en compte les réponses dynamiques et résiduelles de la superstructure ainsi que les contraintes induites à l'intérieur des pieux ou des inclusions rigides. L’effet de l’interaction sol structure reposera sur le traitement des données de capteurs ponctuels mais également sur l’analyse d’images. L'étude expérimentale, qui consistera en 6 essais, apportera des données importantes sur les performances des trois types de fondations et fournira une base de données pour la modélisation numérique.
4 - En complément du travail expérimental, un travail numérique sera réalisé en parallèle. Un modèle sera calibré sur les résultats expérimentaux et également validé. Une fois validées, des études paramétriques seront réalisées pour analyser l'effet de la variation de divers paramètres afin d'améliorer les paramètres qui ont un effet majeur sur les performances des différents types de systèmes de fondation.
Conditions de travail
Dans ce projet, le programme expérimental sera réalisé à Université Gustave Eiffel - Campus de Nantes (ex IFSTTAR) au sein du laboratoire Gers-cg. Cette centrifugeuse est le seul équipement pour des applications géotechniques en France, et une des plus grandes centrifugeuses au monde (rayon de 5,5m, 2 tonnes embarquées, accélération maximale de 100×g). La centrifugeuse géotechnique est équipée d’un simulateur de séismes embarqué permettant l’application de sollicitation mono (sinus) ou multi fréquentielle selon 1 direction avec une accélération maximale prototype de 0.5g. Les travaux numériques seront encadrés par Kotronis Panagiotis, professeur à l’Ecole Centrale de Nantes.
Profil du candidat
Le candidat devra être en possession d’un master intégrant une formation en géotechnique, géomécanique ou en géotechnique sismique. Des connaissances en expérimental ainsi qu’en modélisation par éléments finis seront fortement appréciées. Idéalement le candidat devra avoir également des connaissances en Matlab/python ainsi qu’en analyse de données. Les travaux expérimentaux étant réalisés au sein d’une équipe technique expérimentée le candidat devra avoir un esprit d’équipe afin de mener à bien la campagne expérimentale.
Références
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Allmond J.D., Kutter B.L. 2014 – Design considerations for rocking foundations on unattached piles. J. Geotech. Geoenviron. Eng., 140(10) DOI: 10.1061/(ASCE)GT.1943-5606.0001162.
Douglas, J., Ulrich, T., & Negulescu, C. (2013). Risk-targeted seismic design maps for mainland France. Natural Hazards, 65(3), 1999–2013. https://doi.org/10.1007/s11069-012-0460-6
ASIRI (2012). Recommendations for the Design, Construction and Control of Rigid Inclusion Ground Improvements. Presses des Ponts et Chaussées.
Ha J.-G., Ko K.-W., Jo S.-B., Park H.-J, Kim D.-S. 2019 – Investigation of seismic performances of unconnected piles foundations using dynamic centrifuge tests. Bulletin of Earth. Eng. 17, pp2433-2458. https://doi.org/10.1007/s10518-018-00530-y
Nohra C., Soriano-Camelo C., Escoffier S., Li S., Thorel L. 2024 - Dynamic centrifuge modelling of the effect of a superstructure on the dynamic response of rigid inclusions 5th European Conference on Physical Modelling in Geotechnics 2-4 October 2024, Delft, the Netherlands, 6p.
Pecker A. 2006 - Enhanced seismic design of shallow foundations: example of the Rion Antirion Bridge. 4th Athenian Lecture on Geotechnical Engineering, 23p.
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