Dimensionnement mécanique de l’alvéole

z Dimensionnement du soutènement et du revêtement de l’alvéole

Le dimensionnement mécanique des alvéoles consiste principalement à définir le soutènement et le revêtement en section courante. Le soutènement est dimensionné pour garantir la sécurité du chantier de construction sur une durée maximale d’un an. Le revêtement est dimensionné pour garantir sa stabilité mécanique sur une durée au moins séculaire, conformément à l’usage pour des ouvrages de génie civil tels que les tunnels routiers ou ferroviaires [61].

Les effets thermiques sont limités à quelques alvéoles.

Les études montrent par ailleurs que la tenue au séisme n’est pas dimensionnante [57].

Hypothèses géotechniques retenues

Le comportement instantané des argilites peut être modélisé par une loi élastoplastique avec apparition de déformations plastiques irréversibles avant d’atteindre la rupture. La prise en compte de ce comportement complexe n’est pas requise pour les calculs de dimensionnement, pour lesquels on a admis des simplifications conformes aux règles de l’art. Les argilites sont en particulier considérées comme étant élastiques jusqu’à la résistance au pic, puis se comportant de manière parfaitement plastique après rupture. Les caractéristiques retenues, déduites d’essais de laboratoire en retenant les bornes basses des résultats obtenus (quartile à 20 %), sont les suivantes :

69 Sans ventilation, la chaleur s’accumule dans le terrain à proximité de l’alvéole, alors que la ventilation l’évacue définitivement à l’extérieur. En conséquence, après l’arrêt de la ventilation, la température reste toujours en dessous de ce qu’elle aurait été sans phase de ventilation.

Température du béton de colisage entre 0 et 1000 ans

20

Nom bre d'années aprés la m ise en stockage

Température (C°) _{Colis B5,2}

- résistance à la compression simple de la masse rocheuse (Rc) : 12 MPa ; - cohésion : 4.5 MPa ;

- angle de frottement interne : 25° ; - module de Young : 3 800 MPa.

Le choix de ce modèle de comportement (élastique plastique parfait) avec des propriétés minimales conduit à une évaluation maximisante des contraintes appliquées sur le soutènement et sur le revêtement.

Le comportement différé des argilites soumises à une contrainte anisotrope est du type viscoplastique, ce qui signifie que la roche se déforme lentement lorsqu’elle est soumise à cette contrainte. Par souci de conservatisme, aucune valeur minimale de contrainte susceptible d’arrêter cette déformation différée n’a été introduite : la roche est donc supposée se déformer jusqu’à atteindre un état de contraintes isotropes. La loi viscoplastique retenue est du type Lemaître. Les caractéristiques assignées à cette loi, issues de l’extrapolation conservative d’essais de laboratoire, conduisent à prédire des déformations différées relativement élevées pour ce type de roche (de l’ordre de 1,2 % de convergence différée pour un tunnel non revêtu, sur 100 ans). L’effet favorable de la désaturation de la roche au voisinage de l’alvéole, qui ralentit les déformations différées et améliore les caractéristiques mécaniques de la roche, n’a pas été pris en compte, alors que ce phénomène pourra se faire sentir non seulement avant la fermeture de l’alvéole, mais aussi pendant plusieurs siècles au-delà⁷⁰.

Les contraintes initiales sont supposées isotropes dans le plan perpendiculaire aux alvéoles, avec une contrainte naturelle in situ de 12 MPa à 500 m de profondeur.

Principe du calcul et critères de dimensionnement

Pour tenir compte des incertitudes sur l’estimation des sollicitations auxquelles est soumis l’ouvrage et sur les caractéristiques des matériaux employés, la méthode utilisée est celle préconisée par les règlements tels que l’Eurocode[45]. Cette méthode fait appel à des coefficients de sécurité pour tenir compte des incertitudes sur l’estimation des sollicitations qui s’exercent sur l’ouvrage à dimensionner et sur les caractéristiques des matériaux employés.

Deux types de calculs numériques ont été effectués : des calculs par éléments finis, qui permettent de prendre en compte le détail de la géométrie de l’ouvrage, et, à titre de vérification et pour les études de sensibilité, des calculs par la méthode classique convergence – confinement⁷¹, qui est une approche simplifiée applicable à un ouvrage de section circulaire.

Les résistances de béton prises en compte ont été choisies de manière prudente, en prenant en compte, comme cela se fait de manière usuelle, le vieillissement du béton par l’intermédiaire de coefficients de sécurité définis par les règles de l’art. Or, le béton d’une alvéole est soumis à un environnement physico-chimique plus favorable que les bétons considérés pour l’établissement des règles de l’art, qui sont soumis aux intempéries climatiques et à des variations saisonnières de température.

Articulation entre soutènement et revêtement - synthèse de la problématique

Le rôle du soutènement est d’assurer la sécurité du chantier pendant la phase de construction. Le rôle du revêtement est d’assurer la stabilité de l’ouvrage pendant toute la durée d’exploitation.

Le dimensionnement du soutènement doit lui permettre de supporter les déformations instantanées directement liées à l’avancement du creusement de la galerie, et les déformations différées dues au comportement visqueux de la roche, avant la mise en place du revêtement. Le dimensionnement du revêtement doit lui permettre de résister aux déformations différées après sa mise en place.

À cet égard, retarder la pose du revêtement présente l’avantage de favoriser la détente du terrain, limitant ainsi les efforts à reprendre ultérieurement par le revêtement, mais l’inconvénient de

70 La roche se désature sur plusieurs dizaines de centimètres sous l’effet de la ventilation. La resaturation intervient après l’arrêt de la ventilation. Cette resaturation est très lente du fait de la très faible perméabilité de l’argilite

71 La méthode convergence confinement utilise les courbes effort – déformation du revêtement (ou du soutènement) et du terrain.

L’équilibre du système revêtement – terrain est trouvé à l’intersection de ces deux courbes.

prolonger la durée de fonctionnement du soutènement, qui doit en conséquence être renforcé. Il s’agit donc de trouver un compromis.

La loi viscoplastique retenue conduit à différer la pose du revêtement pour éviter de mettre en œuvre des quantités trop grandes de béton. Une pose du revêtement 6 mois après le creusement est envisagée.

Le soutènement est dimensionné pour tenir une année, laissant ainsi une flexibilité de plusieurs mois pour la pose du revêtement.

Par prudence, et suivant l’usage, la contribution du soutènement à la stabilité de l’ouvrage à long terme n’a pas été prise en compte dans le dimensionnement du revêtement.

Résultats pour le soutènement

Les résultats ci-après concernent les options de soutènement suivantes : pour des raisons de sécurité les boulons sont posés juste derrière le front, le béton projeté est mis en œuvre à une dizaine de mètres du front, car, d’après le calcul, le béton projeté n’est pas stable s’il est mis très près du front.

Les boulons d’ancrage, d’une longueur de 2,4 m, sont implantés selon une maille de 1,5 m x 1,5 m et associés à du treillis soudé. Ils assurent un épinglage superficiel à l’intérieur de l’argilite microfissurée.

L’épaisseur de béton projeté, de type B40, est dimensionnée à 25 cm en voûte pour une durée d’attente d’un an. Cette épaisseur ne serait que 15 cm pour une durée d’attente de 6 mois.

Le calcul montre par ailleurs que le front de taille est stable. Un renforcement provisoire du front n’est pas nécessaire.

Résultats pour le revêtement

Les résultats indiqués ici correspondent à un revêtement posé à 6 mois et dimensionné, comme les grands ouvrages de génie civil actuels, pour une durée de vie séculaire. Pour une galerie d’un diamètre excavé de 10,50 m (valeur moyenne sur l’ensemble des alvéoles), et en forme de fer à cheval, on obtient, pour du béton de type B60, une épaisseur en voûte de 70 cm. Au niveau du piédroit, l’épaisseur est de 95 cm. À la jonction entre le piédroit et le radier, qui est la zone la plus sollicitée, l’épaisseur de béton atteint 1,40 m.

Avec la forme choisie, le revêtement est sollicité uniquement en compression, et ne nécessite donc pas de ferraillage.

Analyse de la performance de durabilité du revêtement

La Figure 5.1.19 montre en fonction du temps l’évolution de la charge exercée par le terrain sur le revêtement. On voit que la pression exercée par le terrain sur le revêtement est de l’ordre de 3,5 MPa à 100 ans. L’augmentation de pression au-delà du siècle est inférieure à 0,5 MPa par siècle⁷². Le revêtement pourrait théoriquement supporter une pression de l’ordre de 8 MPa, on constate que les marges de sécurité et de dimensionnement prises en compte permettent d’envisager la stabilité de l’alvéole sur plusieurs siècles, en lien avec la faible vitesse d’accroissement de la poussée du terrain sur le revêtement.

72 Le choix de valeurs pénalisantes pour représenter les déformations différées des argilites conduit à surestimer la pression subie par le revêtement à 100 ans et son augmentation au-delà.

Chargement du revêtement en fonction du temps

Figure 5.1.19 Evolution du chargement du revêtement en fonction du temps Sensibilité du dimensionnement aux hypothèses

Comme indiqué précédemment, la désaturation en paroi des alvéoles tend à diminuer la vitesse des déformations différées. Pour estimer la sensibilité du dimensionnement à ce phénomène, l’effet d’une diminution de la vitesse des déformations différées de 25 %⁷³ a été analysé. Cette analyse montre que le revêtement tel qu’il a été dimensionné serait moins chargé de 0,5 MPa sur la période s’étendant de 100 à 300 ans après la construction. Cette diminution de la charge sur le revêtement à un siècle pourrait permettre d’envisager une réduction de l’épaisseur du revêtement d’une dizaine de centimètres.

Pour les alvéoles contenant des déchets faiblement exothermiques, la température intervient dans le dimensionnement, d’une part par l’effet de la dilation thermique du béton et de la roche, et d’autre part par l’accélération des déformations différées des argilites. Suivant la puissance thermique des colis et la durée de la phase de ventilation de l’alvéole avant sa fermeture, il pourrait être nécessaire d’augmenter l’épaisseur du revêtement de 20 à 40 %.

5.1.3.6 Matériaux constitutifs de l’alvéole et de la galerie d’accès et impact sur l’argilite et