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dans les argiles molles
Ngoc-Thanh Nguyen
To cite this version:
Ngoc-Thanh Nguyen. Modélisation du comportement des fondations profondes dans les argiles molles. Géotechnique. Laboratoire Sols, Solides, Structures - Risques; IP Grenoble, 2008. Français. �tel-01150871�
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THÈSE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’IP Grenoble
Spécialité : « Mécanique : Conception, Géomécanique, Matériaux » Préparée au Laboratoire Sols, Solides, Structures - Risques Dans le cadre de l’Ecole Doctorale « Mécanique et Energétique »
présentée et soutenue publiquement par
NGUYỄN Ngọc Thanh
le 10 mars 2008___________________________
MODELISATION DU COMPORTEMENT DES FONDATIONS
PROFONDES DANS LES ARGILES MOLLES
___________________________
Directeur de thèse : M. Pierre FORAY
Co-directeur de thèse : M. Etienne FLAVIGNY
JURY
M. M. BOULON Professeur à l’UJF Président
Mme. F. MASROURI Professeur à l’INPL-Nancy Rapporteur
M. R. FRANK Professeur à l’ENPC Rapporteur
M. P. FORAY Professeur à l’IP-Grenoble Directeur de thèse
M. E. FLAVIGNY Maître de conférences à l’UJF Co-directeur
M. J-P. NAUROY Docteur-ingénieur de l’IFP Examinateur
Kính tặng bố mẹ tôi
A mes parents, mes frères et sœurs
A ma famille
Je voudrais tout d’abord exprimer ma reconnaissance et ma sympathie à Monsieur Pierre FORAY, Professeur à l’INPG, directeur de thèse, et à Monsieur Etienne FLAVIGNY, Maître de Conférence à l’UJF, mon co-encadrant, pour m’avoir accueilli dans l’équipe GéO et accompagné au cours de ma thèse. Leurs confiances, leurs disponibilités, leurs conseils, leurs encouragements et le grand intérêt qu’ils m’ont porté ont été précieux pour moi.
Mes sincères remerciements s’adressent à Monsieur Marc BOULON, Professeur Emérite à l’UJF, pour m’avoir fait l’honneur d’accepter de présider le Jury de cette thèse, ainsi que pour tous ses encouragements.
Je voudrais remercier chaleureusement Monsieur Roger FRANK, Professeur à l’ENPC et Madame Farimah MASROURI Professeur à l’ENPL-Nancy, d’avoir bien voulu accepter d’être rapporteurs, pour leurs lectures attentives et pour toutes leurs remarques constructives sur le manuscrit.
Je tiens à remercier Monsieur Jean-François NAUROY, docteur-ingénieur au département géotechnique de l’IFP et Monsieur Serge LAMBERT, directeur technique de KELLER-France d’avoir bien voulu acepter d’être examinateurs, de leurs disponibilités, de leurs relectures minutieuses du manuscrit.
Pour réaliser cette thèse, j’ai eu la chance d’obtenir une bourse de doctorat BDI-PED du Centre National de Recherche Scientifique (CNRS). J’aimerais remercier vivement cet organisme. Un remerciement s’adresse également au CLAROM (Club pour les actions de Recherche sur les Ouvrages en Mer) qui m’a invité à participer au projet de “Sols marins grande profondeur” pour étudier le comportement des sédiments très mous des grands fonds marins.
Je voudrais maintenant remercier tous les membres du laboratoire 3S-R pour leur disponibilité et leur esprit de convivialité. Mes remerciements s’adressent particulièrement à Marcos, Luisa, Emmanuel, Gabriela, Jérémy, Lionel, Florent, Julien, « petit » Luc, « vieux » Luc, Carole, Anca, Elma, Gelet, Xianwei, Mohammad, pour leur gentillesse, leur soutiens, leurs encouragements pendant mon séjour.
Une pensé à la mémoire de Jane et Mark qui ont passé leur dernière nuit ensemble au sommet de l’Aiguille de Bionnassay près du Mont Blanc. Je vous remercie beaucoup et je ne dois pas oublier vos sympathies et vos sourires.
Je tiens à remercier également tous mes amis vietnamiens (Thao, Hung, Khoa, Huy, Hong, Tuan, Lam, Linh, Van, Ha et etc) qui ont partagé des grands moments et m’ont donné leurs encouragements au cours de ma thèse.
Enfin, je remercie chaleureusement mes parents, mes frères et sœurs pour leurs soutiens gigantesques, leurs sentiments, leurs encouragements.
Merci à tous,
Grenoble, mars 2008
dans les argiles molles
Résumé
L’objectif de la thèse est la modélisation du comportement des ouvrages dans les sols mous, du type de ceux rencontrée en Asie du Sud-Est ou dans les grands fonds marins. Il s’agit d’un travail essentiellement numérique, qui comporte également une partie expérimentale significative concernant la détermination du comportement mécanique de ces argiles très molles. On a abordé l’étude tridimensionnelle des groupes de pieux, puis celle des fondations mixtes radier-pieux et enfin la solution alternative du renforcement des sols mous par colonnes ballastées. On a précisé les interactions entre les différents pieux (ou colonnes) des groupes et celles entre radier, sol et pieux. Les effets de l’entraxe et de la longueur des pieux (ou des colonnes) sur l’efficacité des groupes ou des fondations mixtes ont été également considérés. On a mis particulièrement en évidence l’effet négatif du radier dans la partie supérieure des pieux ainsi que la distribution non-uniforme du frottement latéral autour de ceux-ci. En ce qui concerne les colonnes ballastées, on montre le rôle essentiel de la prise en compte de leur mise en place dans la simulation numérique, et qu’une expansion de type pressiométrique des colonnes permet de retrouver les facteurs de réduction des tassements observés sur site.
Mots clés : argile molle, triaxial, frottement latéral, résistance en pointe, fondation mixte, groupe de pieux, colonnes ballastées, mise en place de colonnes, effet de groupe, effet d’entraxe.
Title: Modelling of the behaviour of deep foundations in soft clays
Abstract
The thesis aims at modelling the behaviour of foundations in soft soils, such as those found in South-East Asia or in the deep seabed. The work is essentially numerical but includes also a significant experimental part concerning the determination of the mechanical behaviour of very soft clays. A 3D numerical modelling has been developed for pile groups, piled raft foundations and the alternative solution of soil reinforcement by stone columns. The interactions between the different piles (or columns) of groups and those between raft, soil and piles have been detailed. The effects of pile (or columns) spacing and length on the efficiency of groups and mixed foundations were considered. The negative effect of the raft in the upper part of the piles, as well as the non-uniform distribution of friction around piles has been particularly highlighted. The key role of the simulation of the installation of the stone columns has been emphasized. It has been shown that a pressuremeter type expansion of the columns can reproduce the reduction in settlements observed in-situ.
Key works: soft clay, triaxial, friction lateral, point resistance, piled raft, pile group, stone columns, effect of installation of stone columns, group effect, and effect of pile spacing.
TABLE DES MATIERES
INTRODUCTION GENERALE ... 1
Problématique et motivation ... 1
Objectifs ... 2
Organisation ... 3
CHAPITRE 1 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ... 7
1. Introduction ... 7
2. Comportement de sols mous ... 8
2.1. Sols mous ... 8
2.2. Techniques d’essais spécifiques à l’argile molle en laboratoire ... 10
2.3. Module d’Young de l’argile molle ... 13
2.4. Coefficient de contraintes horizontales Ko ... 15
2.5. Courbe de compression des argiles molles ... 16
2.6. Bilan concernant d’argile molle ... 18
3. Pieu isolé ... 19
3.1. Capacité portante du pieu isolé dans un sol mou sous une charge axiale ... 19
3.2. Méthodes d'estimation du tassement d’un pieu isolé ... 24
4. Comportement des fondations mixtes et des groupes de pieux dans l’argile molle ... 28
4.1. Groupe de pieux ... 30
4.2. Comportement des fondations mixtes ... 40
4.3. Modélisation numérique des groupes et des fondations mixtes ... 43
4.4. Commentaires ... 47
5. Renforcement d’argiles molles par des inclusions rigides ou des colonnes ballastées ... 48
5.1. Inclusions rigides ... 49
5.2. Colonnes ballastées ... 49
5.3. Dimensionnement des colonnes ballastées ... 52
5.4. Prise en compte de la mise en place ... 58
5.5. Etat de l’art sur la modélisation numérique des colonnes ballastées ... 62
6. Conclusion ... 65
CHAPITRE 2 COMPORTEMENT D’UNE ARGILE MOLLE DANS LES GRANDS FONDS MARINS……. ... 67
1. Introduction ... 67
2.1. Paramètres physico-chimiques ... 69
2.2. Mesure de la cohésion non-drainée au Fall-cône et au scissomètre ... 72
2.3. Essais triaxiaux ... 73
2.4. Analyse des résultats obtenus des essais triaxiaux ... 77
2.5. Paramètres de compressibilité à l’oedomètre ... 85
2.6. Mesure de modules en petites déformations ... 92
2.7. Bilan du comportement de l’argile « D » ... 94
3. Modélisation des essais oedométriques et des essais triaxiaux ... 96
3.1. Logiciel Plaxis ... 96
3.2. Modélisation des essais œdométriques ... 96
3.3. Modélisation des essais triaxiaux en Plaxis 2D ... 98
4. Conclusion ... 104
CHAPITRE 3 MODELISATION NUMERIQUE 2D DEFORMATION PLANE DES FONDATIONS PROFONDES DANS L’ARGILE MOLLE ... 105
1. Introduction ... 105
2. Modélisation d’un pieu isolé ... 106
2.1. Calage des paramètres des modèles utilisés pour modéliser les fondations dans l’argile molle ... 106
2.2. Résultats obtenus et commentaires ... 108
2.3. Simulation des fondations mixtes et des groupes de pieux ... 111
3. Analyse des mécanismes d’une fondation mixte ... 112
3.1. Frottement latéral ... 112
3.2. Résistance en pointe ... 115
3.3. Différences du comportement entre les groupes et les fondations mixtes ... 115
3.4. Pression sous le radier ... 116
4. Différences du comportement entre un pieu en contraintes totales et celui en contraintes effectives ... 117
4.1. Modélisation ... 117
4.2. Analyse des résultats ... 118
5. Modélisation en 2D de groupes et de fondations mixtes ... 120
5.1. Rappel de modélisation en 2D ... 120 5.2. Modélisation ... 122 5.3. Réponse charge-tassement ... 125 5.4. Frottement latéral ... 129 5.5. Résistance en pointe ... 130 6. Conclusion ... 132
CHAPITRE 4 MODÉLISATION NUMÉRIQUE 3D DES FONDATIONS PROFONDES DANS L’ARGILE MOLLE... 133
1. Introduction ... 134
2. Modélisation du pieu isolé en 3D - comparaison avec la 2D axisymétrique - rôle du maillage …… ... 134
2.1. Modélisation d’un pieu en élasticité... 135
2.2. Modélisation d’un pieu isolé dans un sol cohérent ... 136
2.3. Commentaires ... 137
3. Modélisation d’une fondation mixte ... 138
3.1. Groupe de pieux dans un sol élastique ... 138
3.2. Exemple de modélisation d’une fondation mixte ... 139
4. Modélisation en 3D des fondations mixtes et des groupes de pieux dans l’argile molle .... 141
4.1. Géométrie des fondations et sols modélisés ... 141
4.2. Mobilisation du frottement latéral le long du pieu ... 143
4.3. Résistance en pointe ... 152
4.4. Réponse charge–tassement ... 155
4.5. Coefficient d’efficacité d’un groupe et d’une fondation mixte ... 162
4.6. Effet du radier dans une fondation mixte ... 164
4.7. Comparaison des tassements des groupes et fondations mixtes ... 168
4.8. Etude de l’influence de la rigidité du radier ... 172
5. Différences entre les calculs en contraintes totales et en contraintes effectives dans le cas d’un sol réel « D » ... 176
5.1. Différents types de calcul effectués ... 176
5.2. Analyse des résultats ... 177
5.3. Bilan des calculs en contraintes totales et effectives ... 181
6. Modélisation d’essais en centrifugeuse et d’essais de chargement d’un groupe de pieux .. 182
6.1. Modélisation d’essais en centrifugeuse ... 182
6.2. Modélisation d’un essai de chargement sur pieu isolé et groupe de 5 pieux ... 184
6.3. Bilan ... 187
7. Conclusion ... 190
CHAPITRE 5 MODELISATION EN 3D DES COLONNES BALLASTEES AVEC PRISE EN COMPTE DE MISE EN PLACE ... 193
1. Introduction ... 193
2. Modélisation axisymétrique d’une cellule élémentaire avec une colonne ballastée ... 194
2.1. Augmentation de la valeur des contraintes initiales dans le sol autour de la colonne …….. ... 195
2.2. Modélisation par expansion latérale des colonnes ballastées ... 196
2.3. Modélisation par application d’un pré-chargement... 196
2.4. Résultats principaux ... 197
3. Modélisation tridimensionnelle de colonnes ballastées avec prise en compte de la mise en
place ... 201
3.1. Cellule élémentaire ... 201
3.2. Colonne ballastée isolée ... 210
3.3. Groupe de colonnes ballastées ... 215
3.4. Groupes de colonnes en utilisant les maillages de fondation mixte ... 221
4. Confrontations de la modélisation des groupes de colonnes ballastées aux essais en vraie grandeur ... 225
4.1. Modélisation d’un groupe de 42 colonnes ballastées ... 225
4.2. Modélisation d’une station d’épuration de Sainte-Menehould... 235
4.3. Confrontation avec un essai en vraie grandeur de colonnes ballastées ... 238
4.4. Bilan concernant les modélisations d’essais en vraie grandeur ... 243
5. Conclusion ... 244 CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ... 245 Conclusions ... 245 Perspectives ... 248 BIBLIOGRAPHIES ... 249 ANNEXE……. ... 263 A1 : Essai triaxial ... 263
A 1.1. Description de l’appareil triaxial ... 263
A 1.2. Cisaillement ... 264
1) Essais triaxiaux consolidations drainées ... 264
2) Essais triaxiaux consolidations non drainés... 265
A.1.3. Procédure de consolidation d’échantillon ... 267
A.1.4. Bilan les essais ... 268
A.1.4. Synthèse les essais... 269
A 2 : Modèle pour les argiles molles avec Plaxis ... 270
A.2.1 Modèle Mohr Coulomb ... 270
A.2.2. Modèle Soft Soil Creep Model (SSMC) ... 270
A.2.3. Modèle Soft Soil Model (SSM) ... 271
A3. Méthode pratique de Poulos ... 272
A.3.1 Tassement d’un pieu isolé ... 272
A.3.2. Facteur tassement d’un pieu isolé compressible ... 274
A.3.3. Calcul du tassement d’un groupe de pieux ... 275
A. 4. Passage la modélisation en 3D à celle en 2D ... 276
A. 5 : Modélisation des inclusions rigides ... 277
A.6.1. Rupture par expansion latérale de la colonne ballastée ... 280
A.6.2. Rupture par cisaillement généralisé ... 280
A.6.3 Rupture par poinçonnement d’une colonne flottante ... 281
A.7. Réseau des colonnes ballastés ... 281
A.8. Méthode de Priebe ... 282
A.9. Forage pressiométrique pour le sol de Sainte- Ménehould ... 285
A.10. Méthode de Poulos-Davis et Randolph ... 286
A.11. Pressiométrique ... 288
A.12. Courbes « t-z » pour les pieux au sein d’une fondation mixte ... 289
TABLE DES FIGURES
Figure 1-1: Coupes géotechniques des argiles du Golfe de Guinée : a) profil de teneur en eau, b) indice de plasticité, c) profil pénétrométrique, d) poids volumiques effectifs, e) contrainte de
préconsolidation et f) profil de cohésion non-drainée (Puech et al., 2005) ... 9
Figure 1-2 : Procédure SHANSEP et procédure Recompression : a) Consolidation et cisaillement (d’après Ladd, 1991), b) Relation de τh /σ’vc avec OCR d’une argile (d’après De Groot, 2003) 11 Figure 1-3 : Relation entre cu/σ’vc et l’indice plastique IP (Ladd, 1991) ... 12
Figure 1-4: Relation entre : a) cu/σ’vc et OCR, b) G50 /σ’vc et OCR (Seah et Lai, 2003) ... 13
Figure 1-5 : Comparaison entre la procédure SHANSEP et la procédure Recompression pour l’argile BBC (Boston Blue Clay ; Ladd et al., 1999) ... 13
Figure 1-6 : Relation du module E50 avec la contrainte verticale in-situ σ’vo (Watabe et al, 2002) ... 14
Figure 1-7 : Définition des zones d’utilisation des matériels d’essais pour la détermination des modules de déformation (Atkinson et al., 1991, Tatsuoka et al., 1997, Nasreddine et Magnan, 2004) ... 14
Figure 1-8 : Coefficient de contrainte horizontale Ko : a) argile de Sergipe (Ladd, 1991); b) argile d’Holocene et Pleitocene (Wateba, 2002) et c) argile de Bankok, (Seah et Lai, 2003) ... 15
Figure 1-9 : Corrélation Cc avec wn, eo, WL et IP (d’après Yoon et al., 2004) ... 17
Figure 1-10 : Courbes consolidations de l’argile d'Ariake (Hong et Tsuchida, 1999) ... 17
Figure 1-11 : Courbe de consolidation avec a) argile d’Ariake, b) argile Mexico (Mesri et al., 1975) et c) Détermination de ec (Chai et al., 2004) ... 18
Figure 1-12 : Variation du coefficient d’adhérence α (* mesuré et ** ligne de tendance de mesures) 21 Figure 1-13 :(a) variation du coefficient β (Saldivar et Jardine, 2005) et (b) relation du rapport τ/σ’v avec IP pour l’argile de la Mer du Nord (Jardine et Chow, 1996) (* mesuré, ** ligne de tendance)... 22
Figure 1-14 : Trois approches principales d’estimation du tassement d’un pieu isolé ... 24
Figure 1-15 : Méthode de transfert de charge (Coyle et Reese, 1966, GEO, 2006) ... 26
Figure 1-16 : Mobilisation du frottement latéral : a) Frank et Zhao (1982), b) Hirayame (1990) ... 27
Figure 1-17 : Modèle de mobilisation de courbe « t-z » par Liu et al., (2006) ... 27
Figure 1-18: Fondation mixte (a) et Groupe de pieux (b) ... 29
Figure 1-19 : Approches du comportement de groupes et de fondations mixtes dans les sols mous ... 30
Figure 1-20 : Résultats des essais des groupes de pieux dans les argiles (De Mello, 1969) ... 32
Figure 1-21 : Coefficient d’efficacité de capacité portante de groupes de pieux (Al-Mhaidib, 2005) . 32 Figure 1-22 : Coefficient de rigidité d’un groupe sous une charge verticale (Fleming et al., 1992) .... 34
Figure 1-23: Coefficient du tassement de groupe a) dans le sol homogène, b) dans le sol de Gibson (Fleming et al., 1992) ... 35
Figure 1-24 : Relation Rg et Rs (Mandolini et al., 2005) ... 36
Figure 1-26 : Coefficient correcteur de : a) déplacement, b) contrainte (Estephan, 2003) ... 37
Figure 1-27 : Coefficient d’interaction (Estephan, 2003) ... 37
Figure 1-28 : Principal de la méthode d’un radier équivalent (Terzaghi, 1967), (Tomlinson, 1986)... 38
Figure 1-29 : Principe de la méthode d’une pile équivalente ... 38
Figure 1-30 : Différentes fondations dans les sols mous ... 40
Figure 1-31 : Distribution des efforts entre les pieux (Mandolini et al., 2005) ... 42
Figure 1-32: Charge reprise par le radier (Mandolini et al., 2005)... 43
Figure 1-33: Les approches dans le comportent des fondations profondes ... 43
Figure 1-34 : a) Charge-tassement, b) frottement latéral et résistance en pointe pour un pieu avec un radier lié en tête en contact avec sol, c) comparaison des courbes charge-tassement pour une fondation mixte, un groupe de 5x5 pieux avec un radier isolé (d’après Santics et Mandolini, 2006) ... 46
Figure 1-35 : Principe d’un renforcement par inclusions rigides verticales (Briançon, 2002) ... 49
Figure 1-36: Mise en œuvre des colonnes ballastées par voie sèche (Document Keller) ... 50
Figure 1-37 : Domaine d’application des colonnes ballastées (Réf, Keller) ... 51
Figure 1-38 : Renforcement des sols par colonnes ballastées dans deux cuves de gaz liquide à l’Inde (document de Keller, http://www.keller-ge.co.uk/) ... 51
Figure 1-39 : Des colonnes ballastées sous trois grands réservoirs en Pakistan (document de Keller, http://www.keller-ge.co.uk/) ... 52
Figure 1-40: Principe de concentration des contraintes et de réduction des tassements ... 53
Figure 1-41 : (a) Prévision de la charge admissible en tête et du diamètre efficace d’une colonne ballastée en fonction de la résistance au cisaillement non drainé du sol (Thorburn, 1975) et (b) Réduction des tassements en fonction de l’entraxe entre colonnes ballastées (Greenwood, 1970) ... 55
Figure 1-42: Dimensionnement de la colonne ballastée (Dhouib et Blondeau, 2005) ... 55
Figure 1-43 : Cellule élémentaire de colonne ballastée (réf. Dhouib 2004, Vesic, 1972) ... 57
Figure 1-44: Contraintes dans le sol avant et après installation des colonnes (Kirsch, 2004) ... 59
Figure 1-45 : Modèle de la cellule composite ... 59
Figure 1-46 : Evaluation de contrainte moyenne effective et de contrainte radiale effective (Guetif et al., 2004) ... 60
Figure 1-47 : Evaluation de contraintes avec la profondeur (Six, 2006) ... 60
Figure 1-48 : Condition des sols avant et après traitement par des colonnes ballastées (a) Essai de pénétration standard (SPT) –Alamgir et Zaher (2001) ; Essai de scissomètre- Vautrain (1980) 61 Figure 1-49 : Comparaison entre résultats d’essais pressiométriques dans un sol traité et non traité (Six, 2006) ... 61
Figure 1-50 : Relation entre taux de réduction des tassements et le rapport des sections : groupe de 2x2 colonnes (a) et groupe de 5x5 colonnes (b) d’après Clemente et al., (2005) ... 64
Figure 1-51 : Déplacement latéraux mesurés et calculés par la modélisation (Dhouib et al., 2004) .... 64
Figure 2-1: Deux tronçons 1 m de la carotte STACOR notées « 11,7-12,7 » et « 7,7-8,7 » du L3S-R 69 Figure 2-2 : Profil de teneur en eau de l’argile « D » et des argiles du Golfe de Guinée (GDG)... 70
Figure 2-3 : a) Comparaison entre le profil de W, WP et WL de l’argile du site « D » et des sites du
Golfe de Guinée, b) Poids volumique humide et Poids volumique sec et l’indice des vides ... 71
Figure 2-4 : Abaque IP – WL. ... 71
Figure 2-5 : Profil de cohésion non-drainée de l’argile « D » ... 72
Figure 2-6 : Corrélation entre cu et qc pour l’argile « D » ... 73
Figure 2-7 : Schéma de principe d’une cellule triaxiale : (1) embase inférieure ; (2) embase supérieure ; (3) enceinte cylindrique ; (4) chapeau ; (5) circuit de fluide de pression cellulaire ; (6), (7), (8) et (9) mesure du volume drainé et/ou de la contre-pression ; (10) disque poreux supérieur ; (11) disque poreux inférieur ; (12) liquide cellulaire ; (13) joints toriques. (Nasreddine, 2004) ... 74
Figure 2-8 : Taille des échantillons ... 75
Figure 2-9 : Mise en place du drain latéral ajouré sur l’éprouvette ... 75
Figure 2-10 : Variations de volume drainé en fonction du temps : détermination t100 ... 76
Figure 2-11 : Essais triaxiaux dans le domaine normalement consolidé ... 78
Figure 2-12 : Essais au voisinage de la transition entre domaine NC et domaine SC ... 79
Figure 2-13 : Essais dans le domaine surconsolidé ... 80
Figure 2-14 : Essai de consolidation drainé ... 81
Figure 2-15 : Courbes q-p’ des essais triaxiaux avec l’argile sur le site « D » ... 82
Figure 2-16 : Courbes q –p’ des essais triaxiaux avec faible contrainte de confinement (< 150 kPa) . 82 Figure 2-17 : Courbes effort- déformation et pression interstitielle-déformation ... 83
Figure 2-18 : Normalisation des essais... 83
Figure 2-19 : Consolidation isotrope ... 84
Figure 2-20 : Corrélation entre Cu, Eu et σ'c ... 84
Figure 2-21 : Relation entre cu/σ’v et OCR ... 85
Figure 2-22 : Courbes de consolidation d’essais oedométriques classiques ... 86
Figure 2-23 : Essai oedométrique instrumenté, CRS ... 87
Figure 2-24 : Courbes de l’indice des vides des essais oedométrique CRS ... 89
Figure 2-25 : Courbes e-logσ et log (1+e)-logσ ... 90
Figure 2-26 : Courbes e-log(p’) et log (1+e)-log p’ et consolidation isotrope ... 90
Figure 2-27 : Relation entre Eoed et la contrainte verticale appliquée... 91
Figure 2-28 : Indice de compression et indice de consolidation d’argile « D » ... 92
Figure 2-29 : Essai de petite déformation (bender) ... 93
Figure 2-30 : Signal d’élément Bender ... 93
Figure 2-31 : Corrélation Gmax et Eoed. ... 94
Figure 2-32 : Modélisation d’un essai œdométrique et son maillage ... 97
Figure 2-33 : Courbes de compression d’argile « D »... 98
Figure 2-34 : Modélisation d’un essai triaxial et maillage ... 99
Figure 2-35 : Différences entre SSM et SSCM ... 100
Figure 2-37: Effet de la vitesse de déformation dans l’essai triaxial CU et CD ... 101
Figure 2-38 : Courbes de compressibilité ... 102
Figure 2-39 : Différent comportement de consolidé utilisé Ko et POP ... 103
Figure 3-1: Profil cohésion non drainée et profil poids volumique de l’argile de Pentre (Gibbs, 1993) ... 107
Figure 3-2 : Cercle de rupture au plastique point calculé par le modèle « soft soil » ... 107
Figure 3-3 : Modélisation d’un pieu isolé et son maillage ... 108
Figure 3-4 : Courbes de mobilisation du frottement latéral (a) et de la résistance en pointe (b) ... 109
Figure 3-5 : Courbes de distribution de la charge le long du pieu ... 110
Figure 3-6 : Courbe de charge-tassement de la tête du pieu ... 111
Figure 3-7: Modèle d’une fondation en 2D déformation plane ... 112
Figure 3-8 : Exemple de modélisation : tassement vertical et rapport des frottements τ /τmax du groupe avec l’entraxe de 5D sous une charge de 9000 kN ... 113
Figure 3-9 : Distribution de charge dans les pieux pour la fondation mixte ... 114
Figure 3-10 : Groupe de pieux avec l’entraxe de 5D sous une charge de 10000 kN : a) tassement vertical, b) distribution de charge du pieu externe, c) distribution de charge du pieu interne ... 114
Figure 3-11 : Résistance en pointe des pieux dans les fondations mixtes entraxe 3D, 4D et 5D ... 115
Figure 3-12 : Réponse charge-tassement des groupes de 3D, 4D et 5D... 116
Figure 3-13 : Exemple de déplacement des fondations mixtes sous une charge de 5000 kN ... 116
Figure 3-14 : Modèle d’un pieu isolé et son maillage ... 118
Figure 3-15 : Frottement le long du pieu pour les différents types de calcul ... 119
Figure 3-16 : Mobilisation des résistances en pointe ... 119
Figure 3-17 : Courbes charge–tassement pour différents types de calculs ... 120
Figure 3-18 : Problématique concernant la géométrie a) fondation mixte et b) groupe de pieux ... 121
Figure 3-19 : Passage 3D et 2D déformation plane ... 121
Figure 3-20 : Modèle d’une fondation en 2D en déformation plane ... 123
Figure 3-21 : Modélisation en 2D d’une fondation mixte avec des pieux équivalents Déqui = D = 1 m ... 124
Figure 3-22 : Modélisation en 2D d’une fondation mixte avec les pieux équivalents Déqui = 0,2 m .. 124
Figure 3-23 : Charge-tassement de 5 cas avec des paramètres effectifs (Sol « D ») ... 125
Figure 3-24 : Charge-tassement de 5 cas avec des paramètres ND (Sol « D ») ... 125
Figure 3-25: Charge-tassement de 5 cas différents de fondations mixtes avec des paramètres ND .. 126
Figure 3-26 : Charge-tassement du calcul en contraintes totales et en contraintes effectives ... 127
Figure 3-27 : Différents types de calcul : drainé, non-drainé, non drainé et consolidé ... 127
Figure 3-28 : Comparaison des réponses charge-tassement : groupes et fondations mixtes avec différents de l’entraxe ... 128
Figure 3-29 : Frottement latéral le long du pieu et le rapport de τ /τmax du pieu (cas 2) ... 129
Figure 3-31 : Contraintes totales verticales dans un plan horizontal au-dessous les pieux ... 131
Figure 4-1 : Valeur du facteur de tassement Ip : a) Esol constant et b) Esol augmentant linéairement . 135 Figure 4-2 : Problème de maillage dans les modélisations en 3D et en 2D axisymétrie du pieu isolé ... 136
Figure 4-3 : Différences de réponses sur les courbes charge–tassement d’un pieu isolé ... 136
Figure 4-4 : Différences entre les éléments avec Plaxis 2D et Plaxis 3DF (Brinkgreve et al., 2006) 137 Figure 4-5 : Groupe de 9 pieux dans des sols élastiques ... 138
Figure 4-6 : Influence du rapport des modules des couches des sols ... 139
Figure 4-7 : Modélisation d’un exemple de fondation mixte de 9 pieux avec Plaxis 3DF ... 140
Figure 4-8 : Courbes charge-tassement d’un exemple de fondation mixte ... 140
Figure 4-9 : Maille de groupe de pieux ... 142
Figure 4-10 : Modélisation d’une fondation mixte avec Plaxis 3DF ... 143
Figure 4-11: Mobilisation du frottement latéral dans les groupes du pieu central à différente des profondeurs : a) prof. 2-3 m, b) prof. 7-8 m, c) prof. 11-12 m et d) prof. 17-18 m ... 144
Figure 4-12: Mobilisation du frottement latéral dans les groupes du pieu du coin à différente des profondeurs : a) prof. 2-3 m, b) prof. 7-8 m, c) prof. 11-12 m et d) prof. 17-18 m ... 145
Figure 4-13 : Mobilisation du frottement latéral et de la résistance en pointe (Frank et Zhao, 1982) 146 Figure 4-14 : Mobilisation du frottement le pieu1 : a) à 2,5m ; b) à 7,5m ; c) à 12,5m et d) à 17,5m 146 Figure 4-15 : Mobilisation du frottement le pieu 3 : a) à 2,5m ; b) à 7,5m ; c) à 12,5m et d) à 17,5m ... 147
Figure 4-16 : Mise en évidence de frottement latéral avec des différentes profondeurs ... 148
Figure 4-17 : Comparaison des τ /τmax et des frottements des pieux dans un groupe (cas 3) et une fondation mixte (cas 16) dans la même de tassement à 10 cm ... 149
Figure 4-18 : Facteur de la modification de déplacement de courbe « t-z », groupe de 4x4 pieux et L/D = 20 à différentes profondeurs ... 150
Figure 4-19 : Facteur de la modification de déplacement de courbe « t-z », groupe de 4 x 4 pieux et L/D = 30 à différentes profondeurs ... 150
Figure 4-20 : Mobilisation de résistance en pointe des pieux dans les groupes ... 152
Figure 4-21 : Mobilisation de résistance en pointe des pieux dans les fondations mixtes ... 153
Figure 4-22 : Comparaison des mobilisations de résistance en pointe entre le pieu isolé, les pieux d’un groupe de pieux et les pieux dans une fondation mixte ... 153
Figure 4-23 : Facteur de modification de résistance en pointe de groupe de pieux ... 154
Figure 4-24 : Comparaison des réponses charge-tassement pour des groupes et des fondations mixtes ... 155
Figure 4-25 : Comparaison la réponse charge-tassement pour des groupes... 156
Figure 4-26 : Réponse charge–tassement dans des fondations mixtes (L/D = 20, 30 et 40, Bs=16m) 156 Figure 4-27 : Un exemple du tassement vertical des fondations mixtes sous la charge verticale ... 157
Figure 4-28 : Fonctionnement de la fondation mixte (cas 16) à différentes tassements ... 157
Figure 4-29: Comparaison des réponses charge-tassement de la modélisation en 3D et ceux lui en 2D (cas 2, D = 1 m) : a) fondations mixtes ; b) groupes de pieux ... 158
Figure 4-30 : Comparaison des réponses charge-tassement de la modélisation en 3D et ceux lui en 2D
(cas 5, D = 0,2 m) : a) fondations mixtes ; b) groupes de pieux ... 159
Figure 4-31 : Courbes de mobilisation des charges a) frottement latéral ; b) résistance en pointe ; c) fondation mixte de 4 x4 pieux d’entraxe 4D (cas 16) ... 160
Figure 4-32 : Principale de réponse charge- tassement d’un groupe et d’une fondation mixte : a) notre modélisation avec l’argile molle et b) Mossalamy, (1996) pour l’argile raide ... 161
Figure 4-33: a) Comparaison du pieu isolé, de la fondation mixte et du groupe de 9 pieux (Borel, 2001) et b) Charge-tassement d’un groupe de 9 pieux (Comodromos et al., 2003) ... 162
Figure 4-34 : Coefficient d’efficacité de la capacité du groupe de pieux dans l’argile molle ... 163
Figure 4-35 : Coefficient d’efficacité Cfm de la fondation mixte dans l’argile molle ... 163
Figure 4-36 : Courbe charge–tassement pour la fondation mixte et charge reprise par le radier ... 164
Figure 4-37: Pourcentage de charge reprise par le radier ... 165
Figure 4-38 : Différences des pourcentages de charge reprise par radier dans : a) fondations mixtes avec large Bs constant et b) fondation mixte avec large Bs variables ... 165
Figure 4-39 : Effet du radier : a) sur le frottement latéral, b) sur la résistance en pointe et c) sur la capacité portante des pieux ... 166
Figure 4-40 : Coefficient d’efficacité entre la charge reprise par le radier dans une fondation mixte et la charge limite du radier isolé ... 167
Figure 4-41 : Coefficients d’efficacité d’une fondation mixte et d’un groupe de pieux et un radier . 167 Figure 4-42 : Comparaison des tassements d’un groupe de pieux et d’une fondation mixte ... 169
Figure 4-43 : Rapport de rigidité d’un groupe et celle d’un pieu isolé ... 170
Figure 4-44: Evolution du coefficient de tassement Ig avec l’entraxe des pieux ... 171
Figure 4-45: Rapport de réduction des tassements en fonction de l’entraxe des pieux ... 172
Figure 4-46 : Effet de la rigidité du radier sur la mobilisation du frottement du pieu central ... 173
Figure 4-47 : Effet de la rigidité du radier sur la mobilisation de la résistance en pointe des pieux .. 174
Figure 4-48 : Charge reprise par pieu (Qf + Qp) dans une fondation profonde ... 174
Figure 4-49 : Différence des tassements des pieux dans une fondation mixte avec radier souple (radier 0.25m) et avec radier rigide (radier 1m) ... 175
Figure 4-50 : Effet de la rigidité du radier sur la charge reprise par des pieux dans une FM ... 175
Figure 4-51 : Frottement le long du pieu central et du coin sous une charge de 150 kPa (étape 3 : chargement par étapes puis consolidation) ... 178
Figure 4-52 : Résistance en pointe ... 179
Figure 4-53 : Charge reprise par le radier avec les contraintes totales et les contraintes effectives ... 180
Figure 4-54 : Comparaison des courbes de charge-tassement de différents calculs ... 181
Figure 4-55 : Modèle d’essai en centrifugeuse (Horikoshi et Randolph, 1994, 1999) ... 182
Figure 4-56 : Modélisation d’une fondation mixte de 69 pieux ... 183
Figure 4-57: Tassement vertical de la fondation mixte de 69 pieux... 183
Figure 4-58 : Réponses charges-tassements des fondations mixtes : a) 9 pieux, b) 21 pieux, c) 69 pieux et d) comparaison avec le cas radier isolé ... 184
Figure 4-60 : Modélisation d’un groupe de 5 pieux ... 185 Figure 4-61 : Comparaison des courbes charge-tassement obtenues avec Plaxis 3DF et ceux mesure
... 187 Figure 4-62 : Fondation du viaduc Garigliano et les paramètres des sols (Viggiani, 1998) ... 188 Figure 4-63 : Modélisation d’1/4 de fondation du viaduc Garigliano (144 pieux) ... 188 Figure 4-64 : Réponse charge-tassement... 188 Figure 4-65 : Essai d’un pieu isolé sur le site de MYTHUAN et la dimension d’une fondation du pont MY THUAN (Randolph, 2003)... 189 Figure 4-66 : Modélisation d’1/4 d’une fondation du pont MYTHUAN ... 189 Figure 5-1: Modélisation axisymétrique d’une cellule élémentaire (Flavigny et al., 2006)... 195 Figure 5-2 : Modélisation axisymétrique de l’expansion latérale par mettre un déplacement radial . 196 Figure 5-3 : Modélisation par augmentation des contraintes radiales ... 197 Figure 5-4 : Contraintes horizontales après l’installation de colonne ... 199 Figure 5-5 : Tassement d’une cellule élémentaire à différentes des cas (après chargement du radier à
50 kPa) ... 199 Figure 5-6 : Modélisation d’une cellule élémentaire avec une colonne ballastée ... 202 Figure 5-7 : Modélisation de l’expansion radiale d’une colonne ballastée avec Plaxis 3DF ... 202 Figure 5-8: Évaluation de rapport K/Ko dans un plan d’une cellule élémentaire de colonne ... 203 Figure 5-9 : Effet de l’expansion latérale pour le module et les contraintes horizontales du sol ... 204 Figure 5-10 : Influence de l’expansion radiale et le rapport des sections sur le taux de réduction des
tassements ... 205 Figure 5-11 : Influences des rapports des modules (Ec/Es) pour la colonne « chargée en pointe ».... 207
Figure 5-12 : Influences des rapports des modules (Ec/Es) pour la colonne « flottante » ... 207 Figure 5-13 : Effet du rapport de la longueur des colonnes et du rapport des sections sur le taux de
réduction des tassements ... 208 Figure 5-14 : Influence de l’utilisation du module du sol ... 208 Figure 5-15 : Taux de réduction des contraintes (H/L=1, Ec /Es =20, expansion 5%) : a) à différences
des charges et b) à différences des profondeurs ... 209 Figure 5-16 : Modèle de la modélisation en 3D d’une colonne isolée ... 211 Figure 5-17 : Rapport de contraintes horizontale K/Ko en fonction de l’expansion (Bs = 20 m) ... 212
Figure 5-18 : Rapport des contraintes P’/P’o : a) Bs = 6 m ; b) Bs = 10 m ; c) Bs = 20 m ... 213
Figure 5-19 : Taux de réduction des tassements en fonction d’expansion et la largeur du massif .... 214 Figure 5-20 : Modélisation d’un groupe de 3 x 3 colonnes ballastées ... 215 Figure 5-21 : Groupes de 25, 13 et 9 colonnes ballastées réalisés à partir d’un groupe de 5x5 colonnes ballastées... 216 Figure 5-22 : Contraintes horizontales des groupes de colonnes ballastées lors de la phase
d’installation : a) sans colonne, b) 25 colonnes, drainé, c) 25 colonnes, non drainé, d) 25
colonnes non drainé et après consolidation, e) 9 colonnes, drainé, et f) 13 colonnes, drainé ... 217 Figure 5-23 : Relation entre le taux de réduction des tassements et le nombre de colonnes ballastées-
Figure 5-24 : Influence du nombre des colonnes ballastées sur le tassement vertical du radier, calcul drainé et non- drainé ( Sous une charge de 50 kPa) ... 219 Figure 5-25 : Répartition des contraintes verticales dans le groupe de 25 colonnes ... 219 Figure 5-26 : Courbes charge tassement de groupe et taux de réduction des tassements pour le groupe de 4 x 4 colonnes ballastées ... 220 Figure 5-27 : Modélisation d’un quart du groupe de 8x8 colonnes ballastées ... 221 Figure 5-28 : Contraintes horizontales dans le sol ( K) dans le groupe de 8 x 8 et de 4 x 4 colonnes 222 Figure 5-29 : Comparaison entres des fondations mixtes et des groupes des colonnes ballastées ... 223 Figure 5-30 : Tassement des différents groupes : 4 x 4 colonnes et Bs = 16 m, s = 2,5Dc (a) ; s = 3Dc
(b) ; s = 4Dc (c) et 8 x 8 colonnes, s =2Dc (d) ... 223
Figure 5-31: Taux de réduction des tassements en fonction d’entraxe ... 224 Figure 5-32 : Tassement des différents groupes : 4 x 4 colonnes et Bs variable ... 224
Figure 5-33: Modélisation d’un réseau de colonnes ballastées par des anneaux concentriques (Dhouib, 2004) ... 226 Figure 5-34 : Cellule élémentaire d’une colonne ballastée et sans colonne ... 227 Figure 5-35 : Maillage des cellules à anneaux concentriques des colonnes ballastées ... 228 Figure 5-36 : Modélisation du réservoir en condition de déformation plane ... 229 Figure 5-37 : Cellule élémentaire d’une colonne ballastée avec Plaxis 3DF ... 229 Figure 5-38 : Comparaisons des tassements pour d’une cellule élémentaire ... 230 Figure 5-39 : Tassements du radier pour une cellule élémentaire en 3D et tassement mesuré ... 230 Figure 5-40 : Modélisation de 42 colonnes ballastées avec Plaxis 3DF ... 231 Figure 5-41 : Contraintes horizontales du sol dans un plan à une profondeur de 3,5 m après une
expansion radiale de 5% des colonnes ballastées ... 232 Figure 5-42 : Contraintes verticales dans les colonnes et dans le sol sous les matelas ... 232 Figure 5-43 : Tassement vertical du radier sous le réservoir ... 233 Figure 5-44 : Tassements du radier dans une cellule élémentaire et groupe de colonnes ... 233 Figure 5-45: Réseau des colonnes ballastées de bassin d’aération (Keller, 1999) ... 235 Figure 5-46 : Modélisation d’un réservoir et son maillage ... 236 Figure 5-47 : Contraintes horizontales du sol à 5,8 m de la profondeur après l’installation des
colonnes (expansion radiale de 15%) ... 237 Figure 5-48 : Tassement différent vertical du réservoir a) sans colonnes ballastées, b) avec des
colonnes ballastées, c) avec des colonnes ballastées ayant l’expansion volumique latérale 15% ... 238 Figure 5-49: Plan des essais de chargement pour la colonne ballastée isolée et le groupe des colonnes
ballastées (réf. Maurya et al., 2005) ... 239 Figure 5-50 : Modélisation d’un essai en vraie grandeur de colonne ballastée ... 240 Figure 5-51: Courbes charge–tassements en tête de la colonne ... 241 Figure 5-52 : Modélisation d’un essai sur un groupe de 3 colonnes ballastées en vrai grandeur ... 241 Figure 5-53: Courbes charge- tassement vertical pour (a) les deux groupes et (b) le groupe de 6,8m de longueur de la colonne et une colonne de 6,6 m de la longueur. ... 242
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2-1: Bilans d’essais triaxiaux effectués au Laboratoire 3S-R ... 77 Tableau 2-2 : Comparaison des paramètres physiques de sédiments grands fonds. ... 94 Tableau 2-3: Paramètres de modèle SSM pour l’argile « D » remaniée ... 96 Tableau 2-4 : Paramètres de modèle SSM pour l’argile « D » intacte ... 97 Tableau 3-1 : Comparaison de la charge limite et frottement, facteur d’interaction ... 110 Tableau 3-2: Bilan de calcul en contraintes totales et en contraintes effectives ... 117 Tableau 3-3: Paramètres du sol ... 122 Tableau 3-4 : Différents cas de comportement en 2D ... 122 Tableau 4-1 : Facteur de tassement d’un groupe Ig ... 138
Tableau 4-2 : Bilan de la modélisation des fondations dans l’argile D ... 142 Tableau 4-3 : Différents types de calculs ... 177 Tableau 4-4 : Paramètres des sols de Belfast utilisé pour le modèle avec Plaxis 3DF ... 186 Tableau 5-1: Paramètres du sol, des colonnes, et du béton ... 198 Tableau 5-2: Paramètres du sol, des colonnes, et du béton ... 201 Tableau 5-3 : Dimension des cellules élémentaires ... 201 Tableau 5-4 : Augmentation des contraintes horizontales engendrées par l’expansion radiale de la
colonne ballastée ... 204 Tableau 5-5 : Paramètres du sol, des colonnes ... 210 Tableau 5-6 : Bilan des modélisations de groupes de colonnes ballastées ... 215 Tableau 5-7 :Valeurs moyennes de K selon les groupes et les différents types de calcul ... 218 Tableau 5-8 : Bilan des modélisations de groupes des colonnes en comparaison avec les fondations
mixtes (réf. Chapitre 4) ... 222 Tableau 5-9: Paramètres des sols et des colonnes ballastées (réf. Dhouib et al., 2004) ... 225 Tableau 5-10 : Comparaison des tassements verticaux calculés par les différentes approches ... 234 Tableau 5-11 : Paramètres des sols du réservoir de Sainte- Menehould ... 235 Tableau 5-12 : Tassement vertical du radier de réservoir de Sainte- Menehould ... 237 Tableau 5-13 : Paramètres des sols et des colonnes adoptés pour les essais de chargement ... 239
INTRODUCTION GENERALE
Problématique et motivation
L’implantation d’ouvrages reposant sur les fondations dans des sols argileux très peu consolidés, comme les plaines deltaïques que l’on trouve très fréquemment en Asie du Sud-Est, implique une bonne adaptation des techniques de reconnaissance des terrains en place, une étude du comportement mécanique de ces sols particuliers, ainsi que des solutions de fondation adaptées. Par ailleurs, l’industrie pétrolière offshore se heurte également à des problèmes similaires au cours de l’exploration des grands fonds marins au-delà de 1000 m d’eau, du fait que ces fonds marins sont également constitués de sols extrêmement mous. Les fondations dans ces sols posent éventuellement le problème de leur faible capacité portante, de leur tassement (total et différentiel) important et du frottement négatif le long des pieux. Cela conduit donc à choisir des fondations adaptées à ces types d’ouvrages, comme les fondations mixtes et/ou des colonnes ballastées pour des ouvrages terrestres et des ancrages dans les grands fonds pour les ouvrages offshores. Dans le présent travail, nous nous intéressons particulièrement au comportement de fondations utilisant les groupes de pieux et fondations mixtes radier-pieux, ainsi qu’au renforcement des sols par colonnes ballastées.
Le dimensionnement des fondations mixtes radier-pieux et des groupes de pieux continue à être l'objet de nombreuses études/recherches importantes. Le dimensionnement des fondations peut être effectué à partir des caractéristiques mécaniques des sols en laboratoire (cohésion non-drainée cu et
angle de frottement ϕ), ou à partir des résultats des essais in situ (les essais CPT, SPT, pressiomètre...). Parallèlement, les études du comportement des fondations mixtes et des groupes de pieux à l’aide des logiciels basés sur les éléments finis et /ou éléments discrets ou encore les équations intégrales sontde plus en plus développées et montrent bien leur efficacité. Ainsi, à l’aide du logiciel d’éléments finis Plaxis 2D et puis du logiciel Plaxis 3DF, nous nous intéresserons à préciser le comportement des groupes et des fondations mixtes radier-pieux dans les sols mous par les modélisations numériques.
Nous allons utiliser d’abord des modélisations en 2D pour mieux comprendre le fonctionnement des groupes de pieux et des fondations mixtes. Ces modélisations sont simples mais posent des problèmes de distorsion dans la restitution des effets d’enserrement entre les pieux. Ainsi, pour analyser complètement l’interaction sol-pieu, nous devons utiliser un modèle 3D. Néanmoins,
actuellement, il y a peu de modélisations numériques tridimensionnelles pour les groupes et les fondations mixtes dans l’argile molle. Partant de ces idées, dans le cadre de cette thèse, nous proposons une approche de la modélisation 3D en prenant en compte l’interaction sol-pieux. Plus particulièrement, nous nous intéressons à l’analyse de courbes de transfert de charge de pieux « t-z », ainsi qu’aux particularités de celles-ci pour un groupe ou pour une fondation mixte, et enfin au rôle de la profondeur. Les résultats nous ont permis de proposer un facteur correctif du tassement permettant de retrouver des courbes « t-z » de pieux au sein du groupe (et de la fondation mixte) à partir de la courbe « t-z » d’un pieu isolé soumis à une charge axiale. De même, nous étudions également le rôle du radier sur la capacité portante et le tassement dans une fondation mixte. Dans notre étude, nous avons consideré que l’état initial du sol était peu affecté par l’installation des pieux. Elle s’applique donc surtout au cas des pieux forés dans l’argile molle.
Les colonnes ballastées permettent de contribuer au développement durable en excluant l’emploi de ciment. Elles sont également considérées comme une technique performante pour les ouvrages supportant une charge moyenne. Comme pour le comportement des fondations profondes, cette approche 3D permet de préciser le comportement des colonnes. Cependant, il reste un problème majeur relatif à la mise en place des colonnes et la modélisation des groupes de nombre de colonnes en 3D. Pour cela, nous visons à améliorer la compréhension du comportement des colonnes par la modélisation numérique 2D et puis 3D en prenant en compte l’effet de la mise en place.
Objectifs
A partir des problèmes que nous avons présentés ci-dessus, notre travail de thèse a eu les trois principaux objectifs suivants :
Préciser le comportement des argiles molles. Pour cet objectif, nous avons étudié les points ci-dessous :
- tester en laboratoire le comportement d’argiles « très molles » rencontrées dans les grands fonds marins pour mieux cerner les caractéristiques physiques et mécaniques de sols mous réels ;
- préciser les corrélations des paramètres mécaniques des argiles molles entre ceux issus des essais in-situ et ceux issus des essais de laboratoire ;
- tester les modèles spécifiques pour des argiles molles dans le logiciel éléments finis Plaxis ;
- prendre en compte les paramètres mécaniques significatifs pour le dimensionnement des ouvrages.
Etudier le concept des groupes de plusieurs pieux et des fondations mixtes radier-pieux dans l’argile molle sous une charge axiale :
- analyser de manière précise comment se mobilise le frottement latéral et la résistance de pointe pour les différents pieux d’un groupe ou d’une fondation mixte installée dans l’argile molle ;
- identifier l’effet du groupe par l’analyse des courbes transferts de charge « t-z » pour chaque pieu au sein du groupe de pieux. Les facteurs correctifs (contrainte et tassement) des courbes « t-z » du pieu isolé pour les adapter aux courbes « t-z » des pieux au sein du groupe dans les groupes des pieux sont également définis ;
- étudier le rôle du radier dans une fondation mixte, ainsi que l’influence de la rigidité du radier dans les fondations mixtes ;
- analyser les différences entre le comportement des fondations mixtes en contraintes totales et celui en contraintes effectives.
Développer la solution du renforcement de sols par des colonnes ballastées :
- décrire la mise en place de la colonne ballastée en simulant une expansion pressiométrique. Cela permet effectivement d’augmenter à la fois les contraintes horizontales et le module de déformation du sol autour des colonnes ballastées. Ainsi, le taux de réduction des tassements est nettement augmenté ;
- appliquer cette méthode à une modélisation numérique tridimensionnelle en prenant en compte l’expansion radiale d’une cellule élémentaire avec une colonne unique puis pour un groupe de plusieurs colonnes. Nous allons ensuite étudier l’effet du groupe dans le renforcement de sol par des colonnes ballastées ;
- proposer des abaques pour dimensionner simplement des colonnes ballastées ;
- distinguer les différences entre les colonnes « chargées en pointe » et les colonnes « flottantes », ainsi que les différences entre le comportement long terme et court terme.
Organisation
A part l’introduction et la conclusion, les travaux que nous avons effectués dans le cadre de cette thèse sont développés dans les cinq chapitres suivants :
i. Le premier chapitre est consacré à l’étude bibliographique du comportement de sols mous, des fondations profondes dans les sols mous et du renforcement de sols par des colonnes ballastées. Les paramètres physico-chimiques et mécaniques essentiels des argiles molles sont présentés. Nous rappelons ensuite les différences entre les procédures Reconsolidation et SHANSEP (appliquée pour une couche de sol en surface lorsque celui-ci est surconcolidé), puis nous discutons sur la représentation des courbes de compressibilité de l’argile molle. Nous présentons ensuite le comportement d’un pieu isolé, puis des groupes de pieux et des fondations mixtes dans les argiles molles sous les deux aspects : capacité portante et
tassement. Les discussions sur l’effet de groupe, ainsi que le rôle du radier, la capacité portante dans une fondation mixte et dans un groupe sont également présentés.
A la fin de ce chapitre, nous présentons la méthode de renforcement de sols par des colonnes ballastées. Le rôle de colonnes dans le transfert de charge entre le sol ambiant et les colonnes ballastées est précisé.
ii. Le deuxième chapitre vise à étudier le comportement d’une argile très molle d’un site normé « D1 » à une grande profondeur d’eau de 1200 m, en mer, dans la zone d’activité du pétrolière au large de l’Afrique. Les paramètres physico-chimiques et mécaniques de cette argile ont été caractérisés par plusieurs essais en laboratoires. On présente également les paramètres physico-chimiques et mécaniques de cette argile qui ont été caractérisés par plusieurs essais en laboratoire. Les différences entre le comportement de la couche normalement consolidée et de la couche surconsolidée sont discutées.
Les résultats des essais de laboratoire montrent que la teneur en eau, l’indice de vides, la limite de liquidité et l’indice de plasticité d’une argile molle sont des paramètres très particuliers et très importants. De plus, la résistance qc et la cohésion non-drainée cu de cette
argile sont très faibles. Les pressions interstitielles et l’angle de frottement sont très importants. Nous montrons également qu’avec une argile intacte et bien prélevée, la procédure de Recompression est acceptable.
Dans ce chapitre, nous affinons également les corrélations entre la cohésion non-drainée et le module de cisaillement dans l’argile très molle, ainsi qu’entre le module de cisaillement en petites déformations (Gmax) et le module oedométrique.
A la fin de ce chapitre, nous présentons les simulations numériques des essais oedométriques et des essais triaxiaux pour caler les modèles spécifiques de l’argile molle à l’aide du logiciel Plaxis.
iii. Le troisième chapitre s’intéresse aux modélisations numériques des fondations profondes en axisymétrie et en déformation plane 2D avec Plaxis. Nous avons d’abord calé les paramètres du modèle de sol en simulant un essai de chargement statique d’un pieu isolé sur le site de Pentre, et ensuite modélisé des groupes et des fondations mixtes dans cette argile. Nous présentons, par la suite, les différentes approches effectuées pour tenter de passer des résultats de modélisations 2D au cas 3D. Les différences entre le comportement en contraintes totales et en contraintes effectives sont également présentées.
Les analyses de l’interaction sol-pieu montrent que sur une grande partie supérieure des pieux, le frottement latéral se trouve négatif ou légèrement positif. De plus, nous trouvons que les pressions sous le radier dans une fondation mixte sont très faibles. Ce résultat est dû à la limitation des modélisations en 2D. Nous montrons finalement la nécessité de modéliser les groupes et les fondations mixtes en prenant en compte l’effet tridimensionnel.
1 « D » est un site d’étude dans le projet : “ Sols marins grande profondeur” M7510/02 de Club pour les Actions
iv. Le chapitre 4 aborde les modélisations numériques 3D des groupes de pieux et des fondations mixtes radier-pieux (4 x 4 pieux) dans les argiles molles, soumis à une charge axiale uniformément répartie. Le diamètre des pieux est D = 1 m, et nous avons fait varier leur longueur L (L = 20 ; 30 et 40 m), ainsi que leur entraxe s (s = 2,5D ; 3D ; 4D ; 5D ; 7,5D et 10D). Les différences entre le groupe de pieux et la fondation mixte sont considérées ici. L’effet de groupe a été étudié et précisé sous l’influence des facteurs comme : l’entraxe des pieux, le rapport des modules, l’élancement du pieu. Les coefficients d’efficacité obtenus ont été également discutés. De plus, nous étudions l’effet du radier (le rôle du radier sur la capacité portante, le tassement d’une fondation mixte, l’effet de rigidité du radier...).
Les résultats obtenus des modélisations permettent d’analyser des différences des courbes transferts de charges « t-z » de pieux au sein du groupe et de la fondation mixte à différentes profondeurs. Nous proposons ensuite les facteurs correctifs pour les courbes « t-z » du pieu isolé pour obtenir celles de pieux au sein du groupe de pieux. Pour cela, les différences de comportement en contraintes totales et en contraintes effectives sont identifiées. L’ensemble des résultats obtenus par ces modélisations numériques est comparé avec ceux d’observations d’essais réels. Pour finir ce chapitre, nous avons confronté les résultats de nos modélisations à des essais de chargement de groupes et de fondations mixtes effectués en centrifugeuse. v. Le cinquième chapitre est consacré à la modélisation numérique 3D des colonnes
ballastées en prenant en compte leur mise en place. Cette approche est originale et est considérée comme un problème majeur actuellement dans la modélisation des colonnes ballastées. Nous rappelons d’abord les méthodes de dimensionnement des colonnes ballastées. Nous présentons ensuite la modélisation de la mise en place des colonnes par la simulation d’une déformation latérale (expansion radiale). Cette démarche est appliquée d’abord pour une cellule élémentaire avec une colonne au centre, une colonne isolée et ensuite pour un groupe de colonnes. Enfin, plusieurs configurations des cellules élémentaires et des groupes de colonnes ballastées sont étudiées (jusqu’à 42, 48 et 64 colonnes).
Nous vérifions que grâce à l’expansion radiale, les contraintes horizontales et les modules d’Young des sols (si on laisse le sol se consolider) augmentent, entraînant ainsi une diminution du tassement de l’ouvrage. On analyse l’influence du rapport des modules, du rapport des sections, de l’élancement des colonnes, des différences entre le comportement en contraintes totales et en contraintes effectives. Des applications à des cas réels ont été effectuées et les résultats obtenus sont très raisonnables.
Chapitre 1
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
Nous abordons dans ce chapitre les notions de base sur le comportement des argiles molles, ainsi que les procédures expérimentales de caractérisation de ce type de matériau, en particulier les procédures SHANSEP2 et Reconsolidation.
Dans les sols mous, la cohésion non-drainée et le module d’Young sont très faibles. De ce fait les fondations superficielles y sont mal adaptées, et les fondations par groupe de pieux ou les fondations mixtes radier-pieux y sont souvent utilisées. Ces fondations permettent ainsi d’augmenter la capacité portante et de diminuer le tassement (même le tassement différentiel). C’est la raison pour laquelle nous nous intéressons aux deux aspects tassement et capacité portante des groupes de pieux et des fondations mixtes dans les sols mous. Par la suite, nous montrons la complexité des interactions radier-pieux-sols mous et étudions le rôle du radier dans une fondation mixte.
Une des solutions alternatives pour les fondations dans ce type de sol est le renforcement par des colonnes ballastées et/ou des inclusions rigides. Cette solution permet d'économiser les ciments, et elle est bien adaptée aux ouvrages supportant une charge moyenne.
1.
Introduction
Actuellement, la construction des ouvrages dans les sols mous présente de nombreuses difficultés, mais devient un enjeu majeur. En effet, l'extension du périmètre bâti dans un grand nombre de villes doit faire face à des terrains peu propices à la construction. De plus, la croissance très rapide des centres urbains a rendu indispensable la construction d’ouvrages sur des sols mous. Par ailleurs, le développement des sites pétroliers offshore rencontre des sédiments très mous dans les grands fonds marins au delà de 1000 m d’eau : ces sols sont très compressibles. C’est pourquoi, nous devons caractériser et préciser les paramètres mécaniques et physico-chimiques de ces sols.
Les fondations dans ces sols posent des problèmes de tassement important à long terme et/ou de frottement négatif le long des pieux. Les fondations mixtes et/ou les colonnes ballastées peuvent souvent apporter une solution adaptée à ce type de sols.
Dans ce chapitre, nous présentons d’abord le comportement des argiles molles, notamment les deux procédures de Recompression et de SHANSEP utilisées lors d’essai triaxiaux consolidés non drainés. Ensuite, nous abordons le comportement des fondations profondes dans les argiles molles. L’effet de groupe et l’effet de radier (pour une fondation mixte radier-pieux) sont aussi discutés. Dans la dernière section, nous présentons les études concernant le renforcement des sols mous par des colonnes ballastées et par des inclusions rigides : ces techniques sont actuellement très utilisées dans les travaux de génie civil.
2.
Comportement de sols mous
2.1.
Sols mous
Les sols mous sont les types de sol qui ne supportent pas bien les charges appliquées par les ouvrages, même si celles-ci ne sont pas très élevées. Il faut donc soit traiter soigneusement ces sols avant de construire, soit, dans le cas d’ouvrages importants, trouver des solutions de fondations capables de supporter les chargements correspondants. Il existe une grande variété de sols « mous » qu’on peut classer grossièrement en deux catégories :
- des sols fins saturés ou proches de la saturation (les argiles molles, les vases, les sols organiques ou les silts)
- des sols grenus (sables lâches) pour lesquels le tassement peut être considéré comme instantané.
Nous aborderons, dans le cadre de cette thèse, uniquement le cas des argiles molles. Ce sont des sols normalement consolidés ou parfois sous consolidés avec une très faible capacité portante, et des caractéristiques mécaniques médiocres. En ce qui concerne leurs propriétés physiques en tant que sols de fondation, elles sont caractérisées par un poids volumique souvent faible et par conséquent un indice des vides important, et une teneur en eau souvent très forte. Celle-ci est souvent voisine de la limite de liquidité, néanmoins quelquefois, la teneur en eau est beaucoup plus forte que la limite de liquidité (argile de Mexico). Le coefficient de perméabilité est faible et souvent inférieur à 10-4m /jour. Leurs faibles propriétés mécaniques se manifestent par une dépendance de la contrainte effective actuelle appliquée à la profondeur z (unité mètre), ainsi que par une faible résistance au cisaillement à court terme cu en surface (en kPa). Cette cohésion augmente linéairement avec la
profondeur avec une pente faible :
cu = cuo + k. σ’z = cu + k’.z (1-1)
avec k (ou k’) est fonction de la nature de l’argile molle ( k’ : typiquement inférieur à 4 kPa/m). De la même façon, le module d’Young d'un sol mou augmente linéairement avec la profondeur (Eu = n .cu, avec n : un facteur dépendant du type d’argile et prenant des valeurs de l’ordre de 100 à
200). Cette augmentation linéaire des propriétés mécaniques avec la contrainte effective est une caractéristique classique des sols normalement consolidés.
Les argiles molles sont présentes en de très nombreux endroits dans le monde : - site de Pentre de l’Angleterre (Hobbs, 1993 ; Gibbs, 1993),
- site de Cran à la plaine Vilaine de la France (Paulte, 1973),
- site Osaka Bay du Japon (Tanaka et Tanaka, 1994 ; Tsuchida, 2000…), - site de Mexico (Girault, 1960 ; Mesri et al., 1975; Zeevaert, 1982…),
- site du delta du Mékong Asie du Sud-Est : argile de Bankok (Seah et Lai, 2003), argiles du Vietnam (Ta et Trinh, 2001),…
- et aussi dans les zones d’activité pétrolière dans de grands fonds marins : les argiles marines norvégiennes molles (Lunne et al., 1997 ; Lunne et al., 2006), au large du Brésil, dans le golfe du Mexique (Jeanjean, 1998), (Puech et al., 2005), etc. La figure 1-1 ci-dessous présente l'exemple des argiles molles du Golfe de Guinée,
Figure 1-1: Coupes géotechniques des argiles du Golfe de Guinée : a) profil de teneur en eau, b) indice de plasticité, c) profil pénétrométrique, d) poids volumiques effectifs, e) contrainte de
préconsolidation et f) profil de cohésion non-drainée (Puech et al., 2005)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
Bien sûr, cette liste n’est pas exhaustive et des milliers d’autres sites d’argiles molles existent dans le monde.
Nous reviendrons sur les caractéristiques de ce type de sols dans le chapitre 2 concernant l’étude de l’argile provenant d'un site particulier noté « D » au large de l’Afrique.
2.2.
Techniques d’essais spécifiques à l’argile molle en laboratoire
La détermination des caractéristiques des argiles molles est très délicate, à cause de leur faible résistance. Si la détermination de leurs paramètres physico-chimiques (indice de plasticité, limite de liquidité…) ne pose pas de problèmes majeurs, en revanche la mesure de leurs paramètres mécaniques (cohésion non-drainée, angle de frottement, modules de déformation…) nécessite des techniques de préparation minutieuses pour ne pas remanier les échantillons. Afin d’identifier ces paramètres, nous pouvons utiliser les différents essais en laboratoire tels que : les essais de limites d'Atterberg, les essais « fall-cone », l'essai scissomètrique, l'oedomètre, et bien évidemment l'essai triaxial (NF-1995, AFNOR), (Bardet, 1997), (Flavigny, 1997), (Atkinson et Sallfors, 1991), (Nasreddine, 2004).
Nous nous intéressons ici aux techniques utilisées spécifiquement pour les essais triaxiaux en laboratoire avec des échantillons d'argile molle. En pratique, deux procédures sont utilisées pour les tests : Recompression et SHANSEP (Stress History and Normalized Soil Engineering Properties). La procédure de Recompression a été développée à l'Institut Géotechnique Norvégien (NGI) (Berre et Bjerrum, 1973), et celle de SHANSEP a été présentée la première fois par Ladd et Foott (1974).
2.2.1. Procédure de Recompression
La procédure de recompression a été employée par le NGI depuis 1973 pour prévoir le comportement du sol in situ. Elle consiste à reconsolider l’échantillon en laboratoire jusqu'à la contrainte effective du terrain (σ’vo), puis de cisailler en conditions non-drainée. Cette procédure est
présentée par Bjerrum (1973), puis reprise par plusieurs auteurs comme Ladd et al., (1999), Ladd et De Groot (2003), Seah et Lai (2003)...Ces auteurs ont considéré que le gonflement de l’échantillon de sol avant l'essai est très faible et reste toujours dans le domaine élastique. Ainsi, nous pouvons reconsolider l’échantillon exactement à la contrainte réelle (les contraintes in-situ sont remplacées par des contraintes effectives dans le laboratoire). Ceci est représenté par le point « 3 » sur la figure 1-2(a). La même procédure de recompression a été appliquée avec succès pour des essais triaxiaux réalisés avec plusieurs valeurs de rapports de surconsolidation OCR (Berre et Bjerrum, 1973). Les auteurs ont constaté que les échantillons d’argile faiblement plastique ont été moins remaniés que ceux d’argile fortement plastique. Cette procédure a été également appliquée aux argiles canadiennes fortement structurées (La Rochelle et al., 1981). On constate que cette procédure est adaptée à des argiles fortement structurées, à des sols cimentés mais elle suppose une bonne qualité d’échantillon.
2.2.2. Procédure SHANSEP
La procédure SHANSEP (Ladd et Foott, 1974) a pour objectif de prendre en compte l'histoire antérieure des contraintes dans le sol, particulièrement dans des argiles surconsolidées. Cette méthode
est adoptée pour réduire au minimum les effets du remaniement lors du prélèvement des échantillons. Son principe repose sur la détermination du rapport de surconsolidation de l'argile (OCR), puis à la mesure de la relation entre (cu/σ’vo) et l’OCR où σ’vo est la contrainte verticale in-situ. Cette
procédure s’effectue normalement en suivant les 5 étapes suivantes :
1. Réaliser un essai de consolidation oedométrique pour déterminer σ’p (contrainte préconsolidation)
2. Consolider un échantillon triaxial dans des conditions Ko afin d’appliquer une contrainte verticale de 1,5 à 4 fois la contrainte σ’p présentée par les points « A » et « B » (figure 1-2a),
3. Faire subir une décharge à l’échantillon pour l’amener à une valeur d’OCR souhaitée (illustré par les points « C » et « D » sur la figure 1-2a),
4. Effectuer alors l'essai de compression triaxiale non drainée, à cette valeur de l’OCR pour obtenir une valeur de cu/σ’vc,
5. Répéter les étapes 2-4 pour obtenir cu/σ’vc pour chaque OCR requis (où : σ’vc contrainte verticale
de consolidation).
(a) (b)
Figure 1-2 : Procédure SHANSEP et procédure Recompression : a) Consolidation et cisaillement (d’après Ladd, 1991), b) Relation de τh /σ’vc avec OCR d’une argile (d’après De Groot, 2003)
Pour une description détaillée de cette procédure, nous pourrons nous reporter aux études effectués par (Ladd et Foott, 1974), Ladd (1991), (Ladd et De Groot, 2003), (Lunne et al., 2006)…
Les points suivants sont à souligner :
- cette procédure dépend de la connaissance de l'histoire de la contrainte et d’une estimation fiable de la contrainte de préconsolidation,
- les échantillons doivent être consolidés avec des contraintes plus élevées que celles en place, ce qui peut conduire à des contraintes élevées,
- la procédure SHANSEP est bien adaptée pour les sédiments non structurés. En revanche, la consolidation à des contraintes fortes peut détruire une structuration initiale du sol,
- les déformations dues à la consolidation avec cette procédure peuvent être très importantes, et exposer à des difficultés expérimentales,
