Etude du comportement dynamique d’un massif en sol renforcé par géotextile alvéolaire M3S®

Depuis 2007, la société Sol-Solution, en collaboration avec le laboratoire LaMI de l'Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand, mène des recherches pour étudier le comportement mécanique d'une structure de sol renforcée par une structure cellulaire M3S® et soumise à une épreuve dynamique. . Son objectif est d'étudier le comportement mécanique du renfort (déformation et ruine) et les mécanismes intercellulaires pouvant exister lors du choc.

Présentation du procédé M3S®

Introduction
Sol renforcé par géosynthétiques tridimensionnels

Renforcement de sol
Géosynthétiques

Mise en œuvre et applications du procédé M3S®

Principe du procédé
Mise en œuvre
Applications

Comportement mécanique et dimensionnement

Sol
Géotextile
Interface sol - géotextile
Modèle continu équivalent : méthode d’homogénéisation
Généralités sur le dimensionnement de ces ouvrages

Travaux de recherche effectués

Effet cabestan
Phénomène de pavés autobloquants et conséquence sur les liaisons intercellulaires
Essais de compression verticale sur modèles réduits
Potentiel dynamique de M3S®

Conclusion

Cette justification est commune à tous les ouvrages de rétention et consiste à vérifier la stabilité de la zone où est implanté l'ouvrage, au regard des risques de glissements de terrain majeurs. La stabilité générale concerne une surface environ trois fois la hauteur active de la structure de chaque côté.

Etude de trois sollicitations dynamiques

Introduction

Etude de l’action sismique

Introduction
Généralités
Approche expérimentale
Approche numérique
Approche normative
Conclusion sur le contexte d’une sollicitation sismique

Qki valeur quasi-permanente de l'action variable d'accompagnement défavorable i Aed valeur de calcul d'une action sismique. Celui-ci doit être déterminé en fonction de la classe de l'ouvrage étudié et de la zone sismique considérée.

Etude de l’action explosive

Introduction
Approche expérimentale
Conclusion sur la modélisation d’un phénomène d’explosion

Après la deuxième explosion, la superficie brûlée a augmenté, tout comme le nombre de déchirures causées par les fragments de l'explosion. Dans la continuité du programme de recherche de l'USAF des années 1990 sur l'influence des explosions sur les murs de soutènement en sol renforcé, Olen et al.

Etude du phénomène de choc

Introduction
Contexte d’occurrence
Approche normative du phénomène de choc
Approches empiriques et analytiques
Conclusion sur la modélisation d’un phénomène d’impact

La pénétration est alors supposée dépendre des propriétés géométriques et mécaniques de l'impacteur et de la structure. Ces recherches ont notamment permis de souligner que la durée de l'impact dépend de la masse de l'impacteur et non de la hauteur de chute. Des phénomènes d'impact sur les structures de protection peuvent survenir lors de la collision d'un véhicule ou après un éboulement.

Ainsi, ce chargement de choc dynamique a fait l'objet d'une étude approfondie, notamment d'éventuelles modélisations analytiques et numériques, où la méthode des éléments distincts se prête très bien à l'étude de la réponse d'un matériau granulaire impacté.

Modélisation numérique

Introduction
Choix de la méthode
Présentation de la dynamique moléculaire

Hypothèses
Principe de calcul
Lois du mouvement
Lois de contact
Dissipation d’énergie – Etat d’équilibre

Choix des modèles granulaires

Stratégies de modélisation
Modélisation discrète du sol
Modélisation discrète du géotextile
Bilan énergétique
Description macroscopique des matériaux

Conclusion

Le choix d'un modèle de contact implique de prendre en compte un nombre plus ou moins grand de ces paramètres microscopiques selon le type de matériau que l'on souhaite modéliser. Lorsque le contact est établi entre deux particules, la combinaison des paramètres de chaque particule permet de déterminer les caractéristiques mécaniques du modèle de contact. La valeur de l'angle de frottement macroscopique φ d'un matériau dépend de divers paramètres mécaniques et physiques des particules à motifs.

Cette méthode consiste à utiliser la gravité pour reproduire la structure naturelle d'un matériau granulaire.

Modèles d’impact sur une nappe alvéolaire en vue en plan86

Impact sur une seule cellule

Présentation des différentes modélisations
Protocole et mesures
Analyse des résultats
Conclusions

A partir des pentes de ces différentes courbes, on voit également que la vitesse de pénétration de l'impactant dans la cellule est généralement la même, quelle que soit la valeur de la rigidité interparticulaire du sol. L'indice de vide du sol dépend principalement du confinement induit par la bande géotextile et de la rigidité des particules du sol. En effet, si l'on veut obtenir des conditions très denses à l'intérieur de la cellule, on observera un équilibre entre les particules du sol se repoussant entre elles du fait de l'interpénétration des particules et la bande géotextile qui se met alors en tension et provoque la restriction du sol.

De ce fait, la recherche d’un équilibre entre « répulsion des particules du sol » et « confinement géotextile » conduit à une modification du volume cellulaire.

Impact sur une nappe

Présentation des différentes modélisations

La mesure de l'indice de vide au cours du temps dans l'ensemble du système confiné géotextile permet de quantifier la densification du milieu après impact. Les ruptures de liaisons géotextiles ont une forte influence sur l’évolution de l’énergie cinétique du système. Dans tous les sous-systèmes de sol, géotextile et blocs d’impact, le géotextile représente la quasi-totalité de l’énergie de déformation potentielle.

En lisant l'évolution de l'énergie de déformation, dans le cas du géotextile de base (celui dont les connexions peuvent se rompre), on connecte ensuite chacun d'eux.

Conclusion

Modèles d’impact sur un ouvrage en vue de profil

Introduction
Matériaux et modèles considérés

Matériau sol
Matériau géotextile
Matériau impactant
Autre combinaison de matériaux

Hypothèses générales sur le modèle
Mesures effectuées

Cinématique d’impact
Influence du pas de temps
Enfoncement et vitesse horizontale de l’impactant
Fragmentation du matériau

Conclusion

Au début de l'impact, l'impact pénètre dans la structure et compacte les particules de sol proches. Nous comparons ensuite l'évolution de la dépression et la valeur absolue de la vitesse d'impact au cours du temps. Concernant ce paramètre, on retrouve toujours cette différence en "2 phases" de l'évolution de la courbe de vitesse.

Permet une plus grande pénétration de l'agent d'impact dans la structure tout en augmentant la dispersion de l'énergie d'impact.

Expériences d’impacts sur modèles réduits

Introduction

Compte tenu des nombreuses hypothèses émises pour l'élaboration des deux modèles numériques présentés précédemment, l'approche expérimentale s'avère indispensable pour évaluer la significativité des observations issues de ces modèles. Ce chapitre présente dans un premier temps une série de remarques préliminaires qui précisent le contexte et les objectifs de cette démarche expérimentale à travers deux tests d'impact sur des structures de modèles réduits. Enfin, les étapes de réalisation de cette dernière seront présentées, ainsi que l'analyse des résultats qui en résultent.

Contexte et objectifs de l’expérience

Choix d’une expérience sur modèles réduits
Choix de l’impactant
Essais sur deux configurations
Objectifs des expérimentations sur modèles réduits

Parmi les avantages de l'utilisation de modèles réduits, leur plus grande facilité de mise en œuvre a permis de créer deux configurations différentes basées sur la variation d'un élément constitutif de la structure pour étudier son influence sur la réponse mécanique à l'impact. En revanche, les plastiques ont un module d’élasticité 15 fois inférieur et tolèrent de très grandes déformations avant de se rompre. A l'échelle de la structure, ces deux matériaux définissent des limites en termes de réponse mécanique, la structure renforcée de papier peut présenter un comportement « fragile » et la structure renforcée de plastique un comportement.

Les zones mobilisées de la structure lors de l'impact sont donc identifiées ainsi que les éventuelles fractures intervenant au niveau des renforts ou au niveau des connexions intercellulaires.

Recours aux lois de similitudes

Outil d’aide à la conception
Principe général de l’établissement des lois de similitudes
Equation générale de la dynamique
Equation de conservation de la masse
Equation de l’élasticité linéaire
Equation de plasticité : critère de Coulomb
Synthèse des facteurs d’échelle pour une expérience à échelle géométrique 1/10 e
Exploitation des facteurs d’échelle

L'équation de conservation de masse appliquée au prototype et au modèle conduit aux expressions suivantes. L'équation de plasticité selon le critère de Coulomb appliquée au prototype et au modèle conduit aux expressions suivantes. Expériences réalisées sous la gravité terrestre, donc g est le même pour le prototype et le modèle à partir duquel.

Une fois les expériences définies, nous nous appuierons sur tous les facteurs d’échelle pour évaluer leur représentation en vraie grandeur.

Présentation de l’expérimentation

Zone d’essai et sol support
Zone de réalisation des ouvrages et mise en place des coffrages
Caractéristiques et mise en place du renforcement alvéolaire
Caractéristiques et mise en place du matériau de remplissage
Caractéristiques de l’impactant
Caractéristiques des caméras rapides

Pour éviter tout mouvement lors de l'impact, des blocs de béton ainsi qu'un remblai de terre ont été placés contre chaque mur. Les essais de traction sur bande de papier démontrent un comportement quasi-élastique avec une raideur initiale d'environ 250 kN/m. De ce fait, l'avant d'un véhicule est irrégulier, tant au niveau de la géométrie que des propriétés mécaniques (rigide pour le pare-chocs et déformable pour les pneumatiques).

Ce bélier avait la forme d'un cylindre d'un diamètre de 5 cm et d'une longueur de 15 cm.

Résultats et observations

Analyse de la cinématique extérieure
Courbes enfoncement, vitesse, accélération
Démontage des 2 ouvrages

En comparant les deux essais d'impact, on constate que la pénétration maximale de l'impact est plus grande pour la structure renforcée en papier que pour la structure renforcée en plastique (respectivement, lors de l'impact, la vitesse diminue rapidement avec le temps : le phénomène d'impact ne dure qu'environ 27 ms pour la structure renforcée plastique et 40 ms pour la structure renforcée papier. A partir de ces coupes, les zones de la structure mobilisées lors de la réponse mécanique ont été identifiées, mettant ainsi en évidence la présence d'un coin coulombien au-dessus du plan horizontal passant par le impacteur.

Exemple de profil en vue de face reconstitué après un impact, 15 cm en arrière de la façade de la structure (structure plastique).

Conclusion

Calage du modèle numérique

Introduction

Pour cela, ce chapitre revient à la modélisation en vue de profil, qui permet la gestion d'un réseau de multiples lits de cellules soumis à la gravité. Une nouvelle série de simulations est réalisée sur la base des paramètres caractéristiques des matériaux et de la force d'impact utilisée dans les expériences précédentes. Ensuite, une série de modifications des paramètres du modèle ont été effectuées afin de trouver une adéquation entre les résultats du modèle numérique et ceux des expériences.

Simulation de base

Présentation du modèle
Paramètres généraux du modèle
Paramètre de calage
Résultats
Conclusion sur le calage préliminaire

L'opération de calibrage entre le modèle et l'expérience se fait sur la courbe représentant l'évolution de la vitesse horizontale de l'impact en fonction du temps. A la fin de la simulation, on constate un certain nombre de différences par rapport aux résultats de l'expérimentation. Au début du choc, lors de la première phase, on observe une densification de l'environnement post-impact.

Qualitativement, la modélisation tend à mettre en avant les phénomènes observés expérimentalement (déformations et effondrement de la structure).

Evolution du modèle de base en changeant la forme de l’impactant

Présentation et analyse de la simulation
Remarques sur l’influence de la prise en compte d’une forme plus réaliste de l’impactant

Au début de la collision, la courbe d'évolution de la vitesse ressemble à celle de la simulation « de base ». L'observation la plus importante concerne le mouvement vertical de l'impacteur, qui est généralement plus important que celui observé dans la simulation « de base » (voir Figure 107). Ce phénomène s'explique par la pente de 45° de l'intersection vérin/châssis qui, au contact de la paroi, tend naturellement à « diriger » la dépression de l'impacteur vers le haut.

Commentaires sur l'influence de la considération d'une forme plus réaliste de l'impact réaliste de l'impact.

Evolution du modèle de base vers un modèle 2,5D

Simulation d’un cas extrême – l’ajout d’une paroi en tête du massif
Intégration d’un effort de rappel vertical
Remarques sur la faible influence d’une prise en compte de l’effort de rappel vertical 158
Objectifs
Simulation d’un cas extrême – le blocage total des rotations des particules
Recours à une loi de résistance au roulement
Paramètre de forme δ
Remarques sur l’augmentation de l’angle de frottement

Les résultats présentés nous montrent une influence très faible voire quasi nulle de la prise en compte de l'effort de rappel sur l'évolution de la vitesse horizontale de l'impacteur au cours du temps. On ne constate aucun changement dans la courbe de vitesse de l'impacteur en fonction du temps. Comparaison de la vitesse de choc horizontal dans le temps entre le modèle « de base » et les modèles « frottants » désignés par « φ ».

La figure précédente montre la forte influence de l’angle de frottement sur l’évolution de la vitesse de l’impacteur au cours du temps.

Remarques sur le calage du modèle « vue de profil »

Simulation tenant compte d’un paramètre d’amortissement local
Concernant l’expérimentation d’impact sur l’ouvrage en plastique

La figure 123 présente la courbe d'évolution de la vitesse d'impact horizontale issue de l'expérimentation et la modélisation « baseline » associée, dans le cas du renfort papier et dans le cas du renfort plastique. Comparaison du taux de réussite horizontal au fil du temps entre les modèles « de base » et les expériences de renforcement en papier (à gauche) (à droite). On constate que la courbe obtenue pour la structure renforcée par des bandes plastiques présente relativement peu de différence avec la courbe du modèle « base » considérant le renfort papier.

Les travaux de calibrage du modèle « base - plastique » ne sont donc pas allés plus loin.

Calage du modèle « vue en plan » à l’aide d’un amortissement numérique

Remarques préalables sur le calage du modèle « vue en plan »
Présentation du modèle
Présentation des résultats

La modélisation du renforcement via la loi d'attraction fictive entre les deux bords d'une même cellule semble donc insuffisante pour simuler des comportements mécaniques différents. En effet, on suppose que le contact entre les couches n'est pas constant pendant toute la durée de l'impact, tout comme la valeur de la contrainte de confinement appliquée. Cas de renfort papier - Comparaison de la vitesse d'impact horizontale dans le temps entre les modèles « vue de dessus » pour différentes valeurs d'amortissement α.

Exemple de renforcement plastique - Comparaison de la vitesse d'impact horizontal dans le temps entre des modèles "vue en plan" pour différentes valeurs d'amortissement α.

Conclusion

Réflexions autour des perspectives dégagées

Introduction
Sol renforcé par géocellulaires, un matériau composite

La compatibilité de fonctionnement
Le sol et ses caractéristiques
Le matériau géotextile et ses fonctions

Adapter l’ouvrage au contexte

Un procédé aux applications multiples
Exploiter la ruine de l’ouvrage

Conclusion

Le respect de ces trois recommandations de mise en œuvre détermine l'homogénéité du comportement mécanique des travaux réalisés. Cette interaction contribue à la propagation de la déformation de la structure impactée sur toute sa hauteur. Tous ces phénomènes tendent à accroître la répartition de l’énergie d’impact, mais impliquent un effondrement local de la structure.

Cependant, ces travaux ont pu souligner que seul le sol a une grande influence sur le comportement mécanique de la structure qu'il constitue.