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Les méthodes de dimensionnement de la
littérature
Il existe
différentes méthodes de dimensionnement d’un
remblai sur fontis que l’on retrouve dans les articles de la
bibliographie jointe en annexe à ce rapport. Les
modélisations du renforcement d’un sol sur fontis par
des géotextiles sont diverses et variées et ne
s’appuient pas toutes sur les mêmes hypothèses et
principes. Cependant, le comportement de membrane du sol est une
constante que l’on retrouve dans la plupart des modèles.
Il permet en effet une bonne estimation de la déformation et
du comportement du géosynthétique sous les contraintes
dues au poids du sol de remblai.
Nous allons voir ici
trois des principaux modèles utilisés par les
professionnels, celui de Giroud (1990), la norme anglaise BS 8006
(1995) et la méthode utilisée dans le projet RAFAEL
(Renforcement des Assises Ferroviaires et Autoroutières contre
les Effondrements Localisés).
Giroud adopte le
concept de membrane pour caractériser le comportement du
géotextile sous le poids du remblai. Les principales
hypothèses de son modèle sont les
suivantes :
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La
déflection est circulaire
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Le
chargement est appliqué perpendiculairement à la surface
déformée du géosynthétique
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L’appui est rigide
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Le
comportement contrainte déformation du géotextile est
isotrope
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Il
n’y a aucune contrainte dans les zones
d’ancrage
Ce modèle
diffère des autres modèles par la prise en compte de la
résistance au cisaillement sur le plan de fracture, ce qui
conduit à une diminution de la contrainte effective sur le
géosynthétique.
Figure 14
: Modèle de Giroud (d'après Conférence de Nice
2002)
Dans ce modèle,
la forme de la zone impliquée dans l’effondrement est
cylindrique.
Cette méthode
est intéressante quand au comportement de membrane du
géotextile mais n’aborde pas le problème du
comportement du remblai situé au- dessus lors d’un
effondrement (effet voûte, foisonnement) et ne permet pas de
trouver un lien entre la déflection du
géosynthétique et la déformation visible à la
surface du remblai.
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La norme anglaise BS 8006
Cette méthode
se base sur des expériences d’effondrements
effectuées en l’absence de renforcement par
géotextiles. Elle est aussi basée sur le concept de
comportement en membrane du géosynthétique et une
déflexion ds résulte de
l’effondrement (on suppose le volume du sol constant).
Contrairement aux deux autres méthodes présentées
ici, dans le modèle de la norme BS 8006, la zone
impliquée dans l’effondrement est de forme
conique.
Figure 15
: Le modèle de la norme anglaise BS 8006 (d'après
Conférence de Nice 2002)
Cette méthode
se divise en deux parties, la détermination de la contrainte
dans le géosynthétique et la détermination de la
résistance à la traction requise. Une corrélation
directe est ici formulée entre la déformation du
géotextile et celle du sol en surface. Le modèle calcule
ensuite la résistance en traction requise pour que le
renforcement soit efficace en fonction de la contrainte
imposée et de la géométrie du
remblai.
Cette méthode
montre que la résistance à la traction requise
décroît avec l’augmentation de la hauteur du
remblai et augmente ensuite quand la contrainte maximum du
géotextile choisi est atteinte.
Les valeurs de la
résistance à la traction requise en utilisant ce
modèle sont plus grandes que celles obtenues avec le
modèle de Giroud.
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La méthode du programme
« RAFAEL »
Cette méthode
est basée sur des expérimentations « grandeur
nature » effectuées dans le cadre du projet RAFAEL
(Renforcement des Assises Ferroviaires et Autoroutières contre
les Effondrements Localisés). Le programme RAFAEL a pour
objectif d’analyser in situ le comportement réel des
structures renforcées (essais de référence) et de
tester l’efficacité de la solution de renforcement
proposée en vue de l’établissement d’une
méthode de dimensionnement. Des expériences en vraies
grandeurs sur des ouvrages instrumentés ainsi que des
études numériques ont été conjointement
menées dans le but de valider et préciser le domaine
d’application des hypothèses de calcul, comme la
formulation de l’effet membrane (Delmas, 1979, et Giroud,
1995) ou celle de l’effet voûte (Terzaghi, 1943, et
Richard, 1985).
Des études
numériques ont été effectuées au préalable
pour définir les options techniques à mettre en
œuvre (géométrie du remblai, diamètre des
cavités, type de géotextiles à
utiliser).
Les expériences
se sont déroulées avec des cavités de 2 mètres
et de 4 mètres de diamètres situées sous une hauteur
de remblai de 1,5 mètres, le tout renforcé par des nappes
de géotextiles non-tissés monodirectionnelles
(renforcement dans la direction du trafic). En utilisant des nappes
monodirectionnelles, on optimise le renforcement. En effet,
l’action des fibres positionnées dans une seule
direction est équivalente (à quantité totale
équivalente de fibres) à celle d’une nappe
renforcée dans deux directions (direction du trafic et
transversalement). De plus, cette solution est plus économique
et plus facile à mettre en œuvre sur le
terrain.
Les cavités
sont initialement remplies de billes d’argiles puis
vidées par succion pour simuler le phénomène de
fontis. Des essais de traficabilité sont alors effectués
(passage de camions et de trains) pour avoir des conditions les
plus proche de la réalité. Une instrumentalisation est
mise en place pour mesurer les déformations et les tensions
dans le géotextile, ainsi que l’affaissement du sol de
remblai en surface.
Certaines
conclusions ont pu être tirées de ces
essais.
Si la hauteur du
remblai est faible devant le diamètre de la cavité, le
fontis remonte jusqu’à la surface (affaissement) et on
assiste à un effondrement total du cylindre au- dessus de la
cavité. La raideur J du géotextile et la
décompaction du sol sont les facteurs influençant alors
le tassement en surface. La décompaction du sol est
l’augmentation plus ou moins importante du volume du sol
initial suite à une désimbrication et une
réorganisation de ses particules. Le coefficient de
foisonnement Ce est défini comme le
rapport entre le volume de sol décompacté
Vsf et le volume de sol initial avant
décompaction Vs
(Ce = Vsf
/Vs).
Figure 16
: Cas d'un effondrement du remblai (d'après Conférence de
Nice 2002)
Dans le cas où
la hauteur du remblai est importante devant le diamètre de la
cavité, on observe petit à petit une redistribution des
efforts dans le sol de remblai non effondré et une voûte
de sol se forme engendrant ainsi le report des forces sur les bords
de la cavité. La déformation du géosynthétique
va libérer un espace DVg qui est partiellement
ou complètement comblé par l’augmentation du sol
foisonné. Cette augmentation peut s’exprimer sous la
forme suivante : D
Vs =
Vsf – Vs =
(Ce – 1)*Vs.
Si un vide subsiste entre le sol effondré et la voûte, le
mécanisme d’effondrement peut continuer, par exemple
après un chargement dynamique (trafic), tandis que dans le cas
où l’augmentation du sol foisonné comble
entièrement le vide, la voûte peut alors être
considérée comme stable et l’effondrement
stoppé.
Figure 17
: Cas d'une stabilisation du remblai (d'après Conférence
de Nice)
A partir de ces
études expérimentales et numériques menées en
parallèle, une méthode de calcul simplifiée a
été élaborée à destination des
professionnels. Cette méthode va dans le sens de la
sécurité et les hypothèses adoptées vont dans
cette optique. L’action d’une voûte proche de la
surface du remblai ne sera ainsi pas considérée dans le
dimensionnement du remblai à moyen et à long
terme.
Les principales
hypothèses de ce modèle sont les
suivantes :
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l’effondrement du cylindre de sol au-dessus
de la cavité engendre les efforts sur le
géosynthétique. Les éventuelles surcharges en
surface (trafic) entraîneront une augmentation de cet
effort.
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Les
déformations du géotextile sont expliquées par son
comportement en membrane sous les charges
appliquées.
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La charge
q est supposée verticale et uniformément
répartie sur le géosynthétique.
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Les
déplacements en surface sont dus à la déformation du
géotextile ainsi qu’à l’expansion du volume
du sol de remblai (déplacement du sol inférieur à
celui de la nappe de géosynthétique).
C’est ce modèle que nous adopterons
dans la suite de l’étude.
1. Le phénomène fontis
