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HAL Id: tel-01541448 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01541448 Submitted on 19 Jun 2017 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Développement d’un modèle analytique d’interaction sol-structure pour l’étude du comportement mécanique des structures soumises à un mouvement de terrain : influence des déformations de cisaillement et de la plasticité Bakri Basmaji To cite this version: Bakri Basmaji. Développement d’un modèle analytique d’interaction sol-structure pour l’étude du comportement mécanique des structures soumises à un mouvement de terrain : influence des défor- mations de cisaillement et de la plasticité. Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]. Université de Lorraine, 2016. Français. <NNT : 2016LORR0290>. <tel-01541448> AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm UNIVERSITE DE LORRAINE Ecole Nationale Supérieure des Mines de Nancy Laboratoire GeoRessources Ecole Doctorale RP2E THESE Présentée en vue du grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LORRAINE en Mécanique - Génie Civil Par Bakri BASMAJI Développement d’un modèle analytique d’interaction sol- structure pour l'étude du comportement mécanique des structures soumises à un mouvement de terrain – influence des déformations de cisaillement et de la plasticité Soutenue publiquement le 15 décembre 2016 Devant le jury composé de Abdul-hamid Soubra Rapporteur- Professeur - Université de Nantes Fabrice Emeriault Rapporteur - Professeur - INP Grenoble Anne Pantet Examinateur - Professeure - Université du Havre Emad Jahangir Examinateur - Chargé de recherche-Mines ParisTech Didier Subrin Examinateur - Chef du pôle- CETU Sandrine Rosin Examinateur - Maître de conférences Université de Lorraine Laurent Sylvestre Invité - CEREMA Olivier Deck Professeur - Co-directeur de thèse- Université de Lorraine Marwan Al Heib Directeur de thèse- INERIS 1 Sommaire 1- Etude bibliographie ........................................................................................................ 7 1.1- Origine des mouvements de terrain .......................................................................... 7 1.1.1- Les affaissements miniers.................................................................................... 7 1.1.2- Le creusement de tunnels .................................................................................... 9 1.1.3- Effondrement localisé (Fontis) ........................................................................... 10 1.1.4- Retrait-gonflement du sol ................................................................................... 11 1.2- Description et prévision des mouvements en champ libre ...................................... 12 1.2.1- Les mouvements associés aux affaissements miniers et ses composants ........ 12 1.2.2- Les mouvements associés au creusement des tunnels ..................................... 13 1.3- Comportement des bâtiments soumis à des mouvements de terrain ...................... 14 1.3.1- Comportement des bâtiments vis-à-vis de la déformation horizontale ............... 15 1.3.2- Comportement des bâtiments vis-à-vis de la courbure du terrain ...................... 15 1.3.3- Comportement des bâtiments vis-à-vis de la pente du terrain ........................... 17 1.3.4- Comportement global ......................................................................................... 18 1.3.5- Définition de ∆ et de ∆0 ...................................................................................... 18 1.4- Interaction Sol-Structure .......................................................................................... 20 1.4.1- Les modèles analytiques de l'interaction sol-structure. ...................................... 22 1.4.2- L'interaction sol-structure associée à des mouvements de terrain ..................... 25 1.4.3- Le modèle analytique de Deck et Singh (2010) pour l'interaction sol-structure en cas de mouvement de sol ........................................................................................... 26 1.4.4- Modèle numérique de l'interaction sol-structure ................................................. 29 1.4.5- Les modèles physiques ..................................................................................... 34 1.5- Conclusion ............................................................................................................... 37 2- Justification des modèles analytiques utilisés du sol et IDENTIFICATION de leurs paramètres ......................................................................................................................... 39 2.1- Objectif .................................................................................................................... 39 2 2.2- Choix des modèles .................................................................................................. 39 2.3- Modèles de Winkler et Pasternak ............................................................................ 40 2.4- Paramètres des modèles analytiques ..................................................................... 42 2.4.1- Module de réaction de Winkler Kw ..................................................................... 42 2.4.2- Module de cisaillement de Pasternak Gp ........................................................... 45 2.5- Méthodologie pour calculer les paramètres de Winkler et Pasternak ...................... 46 2.5.1- Déplacement du sol à partir de la théorie de l’élasticité ..................................... 46 2.5.2- Déplacement du sol modélisé par les modèles de Winkler et Pasternak ........... 49 2.5.3- Ajustement des déplacements ........................................................................... 50 2.5.4- Comparaison des différentes expressions des modules .................................... 54 2.6- Validation des résultats ........................................................................................... 55 2.7- Conclusion ............................................................................................................... 58 3- Développement d’un modèle d’interaction sol-structure .............................................. 59 3.1- Modélisation de l'ISS en prenant en compte l'influence du cisaillement dans le sol 60 3.1.1- Modélisation du bâti ........................................................................................... 60 3.1.2- Mouvement des terrains en champ libre ............................................................ 61 3.1.3- Modélisation du terrain ....................................................................................... 62 3.2- Modèle final et résolution du système ..................................................................... 65 3.2.1- Cas sans décollement ........................................................................................ 65 3.2.2- Cas avec décollement ........................................................................................ 71 3.2.3- Conclusion ......................................................................................................... 76 3.3- Taux de transmission de la déflexion en fonction de la rigidité relative ................... 76 3.3.1- Choix des valeurs de rigidité du sol et du bâtiment ............................................ 76 3.3.2- Analyse et discussion des résultats ................................................................... 78 3.3.3- Comparaison entre les modèles d’ISS utilisant l'approche de Winkler et de Pasternak .................................................................................................................... 82 3.3.4- Conclusion ......................................................................................................... 83 3.4- Etude de sensibilité ................................................................................................. 85 3 3.4.1- Influence de la longueur du bâtiment ................................................................. 85 3.4.2- Influence du déplacement en champ libre ......................................................... 85 3.4.3- Relation entre R et Δ/L ....................................................................................... 86 3.5- Modèle d'ISS en prenant en compte l'influence du cisaillement dans le bâtiment ... 87 3.5.1- Modèle analytique du problème d’ISS ............................................................... 89 3.5.2- Sans décollement .............................................................................................. 90 3.5.3- Avec décollement ............................................................................................... 91 3.5.4- Conclusion ......................................................................................................... 93 3.6- Conclusion ............................................................................................................... 94 4- Prise en compte de la plasticité du terrain ................................................................... 95 4.1- Objectif .................................................................................................................... 95 4.2- Introduction .............................................................................................................. 95 4.3- Modèles d’ISS avec comportement élastoplastique pour le sol ............................... 97 4.3.1- Cas des fondations profondes ........................................................................... 97 4.3.2- Cas d’une poutre en contact avec le sol ............................................................ 98 4.3.3- Cas de soutènements souples ........................................................................... 99 4.4- Développement d’un modèle d’ISS prenant en compte la plasticité du terrain (cas de Winkler) ................................................................................................................... 100 4.4.1- Modélisation du terrain ..................................................................................... 100 4.4.2- Equations du système ...................................................................................... 102 4.4.3- Résolution du problème (Cas de Winkler)........................................................ 102 4.4.4- Résultats (modèle de Winkler) ......................................................................... 104 4.5- Développement d’un modèle d’ISS prenant en compte la plasticité du terrain (cas de Pasternak) ............................................................................................................... 108 4.5.1- Equations et résolution du système dans le domaine élastique ....................... 108 4.5.1- La solution en considérant la plasticité du sol .................................................. 110 4.6- Conclusion ............................................................................................................. 112 5- Validation des résultats ............................................................................................. 113 4 5.1- Objectif .................................................................................................................. 113 5.2- Validation numérique ............................................................................................. 113 5.2.1- Validation au moyen de modèles réalisés avec CESAR-LCPC ....................... 113 5.2.2- Comparaison avec les résultats de Potts et Addenbrooke ............................... 118 5.3- Comparaison avec le modèle de Farrell et Mair (2012) ......................................... 121 5.4- Comparaison avec le modèle de Goh et Mair (2010) ............................................ 128 5.5- Comparaison avec le modèle physique réduit de Nghiem (2015) ......................... 129 5.6- Conclusion ............................................................................................................. 131 6- Conclusion générale .................................................................................................. 133 5 Introduction générale et problématique Les mouvements de sol en surface peuvent produire des désordres sur les ouvrages construits en surface et les ouvrages enterrés. Ces mouvements peuvent trouver leur origine dans l'existence de mines et de carrières souterraines en France et à travers le monde en raison de l'exploitation des matières premières. Un grand nombre d'anciennes exploitations souterraines constituées de vides abandonnés à différentes profondeurs existe ainsi en Lorraine par exemple. Ces vides représentent un aléa parce que les terrains sus-jacents peuvent s'affaisser en cas d'effondrement de l'édifice minier. Cinque affaissements se sont produits dans le bassin ferrifère Lorrain dans les dernières 20 ans, ces affaissements ont endommagé plus de 500 bâtiments. Une autre origine fréquente est le creusement de tunnels en site urbain, l'extension de la ligne de métro de Londres et le projet de Grand Paris Express où plus de 200 km de travaux souterrains se déroulent dans des zones urbanisées, ce sont des exemples des mouvements de terrains qui peuvent induire des dommages sur les bâtis, le niveau du dommage dépend de l’interaction sol-structure. La bonne estimation du tassement des terrains et du déplacement des bâtiments après un mouvement de sol est nécessaire pour permettre d’estimer la dégradation attendue dans ce bâtiment. Si les méthodes numériques sont largement utilisées pour estimer ces déplacements, leur utilisation soulèvent de nombreuses questions pour justifier la pertinence des hypothèses réalisées et reste coûteuse en termes de temps. Elles sont particulièrement pertinentes pour étudier des configurations spécifiques. D’un autre côté, la problématique peut être étudiée par des modèles physiques réduits qui se révèlent néanmoins coûteux également (en temps et argent) et qui soulèvent également de nombreuses interrogations quant au choix des matériaux et du facteur d'échelle. Elles permettent de comprendre la réponse qualitative de bâtiments dans une zone de mouvement de sol, mais la généralisation des résultats reste difficile. D'ici vient l'importance de faire des modèles analytiques simples et efficaces, permettant d’aboutir à des résultats quantitatifs et de mener des études de sensibilité. Si le mouvement de sol en terrain vierge est facile à prévoir d'après plusieurs relations développées dans la littérature, uploads/Ingenierie_Lourd/ developpement-d-un-modele-analytique-d-interaction-sol-structure-pour-l-etude-du-comportement-mecanique-des-structures-soumises-a-un-mouvement-de-terrain-influence-des-deformations-de-cisaillement-e.pdf