Modèles à échelle grandeur nature

Science des matériaux et le génie

Présenté par :

Professeur R. J. Bathurst, Collège Militaire Royal du Canada

Co-auteurs :

M. P. Burgess, Prof M. Tétreault (Collège Militaire Royal du Canada) et M. Tony Allen (Washington State Department of Transportation).

1. Introduction

Le Groupe de Recherche Géotechnique du département de génie civil du Collège Militaire Royal du Canada (CMR) est engagé dans un projet de recherche à long terme portant sur les massifs renforcés de géosynthétiques, depuis plusieurs années. Une composante majeure du programme fût la construction, la surcharge et l'observation instrumentée de modèles de massifs renforcés à grandeur nature. Un total de 16 modèles de massifs fûrent construits sur une période de 12 ans. Les objectifs principaux de la recherche fûrent: (1) Améliorer notre compréhension du comportement mécanique des massifs renforcés de géosynthétiques, à des charges normales et à la rupture sous surcharges; (2) Créer une base de données de résultats obtenus par instrumentation de modèles grandeur nature et qui peuvent être utilisés pour la calibration de modèles numériques, et; (3) S'appuyer sur l'expérience acquise lors d'essais grandeur nature pour améliorer les méthodes de conception actuelles de massifs renforcés.

2. Programme de recherche actuel

Dans le cadre des objectifs cités, un programme expérimental est en cours qui vise l'étude de la performance de massifs renforcés de géosynthétiques à parement cellulaire (Jarrett et al. 1997, Simac et al. 1993). Au moment d'écrire ces lignes, trois massifs fûrent construits, un est à l'essai, des éléments d'un quatrième sont en préparation et deux autres sont en plannification. Une photographie du premier mur de ce programme est présentée à la Figure 1. Les murs fûrent construits et surchargés au Centre d'Essais de Massifs Renforcés du CMR. Cet aménagement unique permet la construction de modèles grandeur nature, leur surcharge, excavation et surveillance en milieu controllé de laboratoire. Une surcharge uniforme peut être appliquée par palier jusquà 115 kPa, sur la surface entière en tête du remblais, à l'aide d'un système de sacs gonflants.

3. Description gènèrale des modéles de massifs

Chacun des massifs construits avait 3.6 m de hauteur, 3.3 m d'épaisseur et s'étendait sur 5.5 m derrière le parement. Le sol était renforcé de géogrille en polypropylène. Le sable est confiné entre deux murs parallèles en béton armé qui constituent la principale composante structurale de l'aménagement du Centre d'Essai du CMR. Les surfaces intérieures de l'aménagement sont recouvertes de Plexiglas et de plusieurs couches de pellicule de polyéthylène lubrifiée, pour assurer des conditions de déformations planes. De plus, le parement de 3.3 m de large est construit en trois sections verticales - deux de 1.15 m de large et une section centrale de 1 m de large. La section centrale ainsi que sa fondation sont instrumentés et isolés des sections extérieures de façon à ajouter au découplage de la section instrumentée, des parois de l'aménagement.

3.1 Massifs Actuels

Massif 1 :

Le premier massif fût construit avec une géogrille de polypropylène de faibles résistance et rigidité de façon à promouvoir des déformations et des déplacements élevés sous surchage uniforme. Le massif fût conçu selon les lignes directrices de la NCMA (Simac et al. 1993), avec la contrainte additionnelle de limiter la séparation des couches de renforcement à une distance n'excédant pas deux fois la longueur de la base (de face avant à face arrière) des blocs de parement (AASHTO 1997). La conception résultante est présentée sur la Figure 2. Ce massif est le cas témoin pour le programme de recherche actuel.

Massif 2 :

Le second massif fût construit de façon identique au premier sauf que la géogrille fût modifiée en éliminant la moitiée des membres longitidinaux de la grille, de sorte que le renforcement a vu sa rigidité réduite de 50% par rapport au témoin.

Massif 3 :

Le troisième massif fût identique au premier, sauf que seulement 4 couches de renforcements fûrent utilisées (Figure 2). Ceci permettait d'isoler l'influence de l'espacement des renforcements sur la performance du massif.

Massif 4 :

Ce massif qui est actuellement soumis à une surcharge, est identique au témoin sauf que le parement est formé par repliement de la géogrille. Ce massif permettra d'isoler l'effet du type de parement (i.e comparer la performance d'un massif renforcé pourvu d'un parement relativement rigide en béton, à la performance d'un massif identique avec un parement très flexible tel qu'offert par le repliement de la géogrille).

3.2 Massifs futurs

Massif 5 :

Ce massif sera construit avec un renforcement constitué de grilles d'acier ayant une résistance similaire à celle du témoin. Cet essai permettra d'étudier l'influence d'un renforcement très rigide. Ce renforcement permettra la défaillance complète du massif puisque à l'encontre du renforcement polymérique utilisé jusqu'ici, le renforcement se rupturera plutôt que de se déformer excessivement sous la surcharge en palier.

Massif 6 :

Ce massif sera construit avec un renforcement en polyester. Les données de cet essai iront s'ajouter à la base de données axée sur l'influence de la rigidité, de la résistance et de la déformation-à-la-rupture, sur la performance des massifs.

3.3 Détails des massifs

Unités du parement :

Les unités du parement sont, à l'exception du Massif 4 (géogrilles repliées), des blocs de béton pourvus d'une clef de cisaillement continue. Les blocs ont 300 mm de long (faces avant-arrière), 150 mm de haut, 200 mm de largeur et ont une masse de 20 kg. Les blocs fûrent modifiés pour accepter des anneaux de charge permettant la mesure continue des charges de raccord durant la construction, l'application de la surcharge et l'excavation. Pour simplifier l'interprétation, les raccords fûrent conçus de façon à éliminer le glissement dans le raccord. Il en résulte que la résistance du raccord est la même que celle du renforcement dans le sol.

Renforcements :

Une géogrille en polypropylène, faible et très extensible fût retenue pour le renforcement. Ce matériau fût choisit parce qu'il ne casse pas mais plutôt se déforme excèssivement sous de fortes surchages. De cette façon, le massif peut être fortement surchargé et subir des déformations considérables sans qu'il y ait rupture catastrophique du massif. Des essais de fluage en isolation fûrent réalisés avec soins pour obtenir des données charge-déformation isochrone et des courbes de contraintes de rupture pour fins d'analyse.

Remblais :

Un sable de plage uniforme fût utilisé dans les zones renforcée et retenue. Ce sol à été choisi parce qu'il est sans cohésion, est facilement compactable et est pourvu de propriétés mécaniques quantifiables et répétables. Des essais de cisaillement direct, triaxial et sous déformations planes fûrent réalisés en laboratoire pour quantifier les propriétés mécaniques du sable pour les besoins des analyses inverses par équilibre limite et pour la modélisation numérique.

Surcharge :

Chaque massif fût soumis à un chargement uniforme par palier. Les paliers typiques étaient d'environ 10 kPa. Chaque palier fût maintenu pour une période de plus de 100 heures pour enregistrer les déformations de fluage dans le renforcement et pour mesurer les autres déformations évolutives. La surcharge fût poursuivie jusqu'au développement de très grandes déformations ou des déplacements excessifs du massif. Dans chaque massif, une suface de rupture bien définie fût identifiée, durant et après la surcharge. Les massifs fûrent déchargés en palier pour enregistrer la relaxation des déformations dans les couches de renforcement.

Relachement du pied :

À la complétion du programme de surcharge et après la relache de la surcharge, la retenue au bas des sections de parements (Massifs 1,2 et 3) fût relachée temporairement pour étudier l'effet du blocage de la base sur l'amplitude et la distribution des forces dans les couches de renforcement.

Excavation :

Chaque massif fût excavé par couche pour observer visuellement les surfaces de rupture internes et l'état des couches de renforcement.

3.4 Instrumentation

Un arrangement typique de l'instrumentation est présenté à la Figure 3. Les massifs étaient instrumentés pour enregistrer : Efforts horizontaux et verticaux au pied du parement; déplacements du parement; déplacements et déformations des renforcements; efforts de raccord entre le parement et le renforcement; pressions des terres à l'intérieur et à la base des massifs; mouvements internes de la masse de sol et; déplacements de la surface supérieure des massifs. Plus de 250 instruments fûrent monitorés à l'aide d'un système d'acquisition de données contrôlé par ordinateur. Le programme d'acquisition de données fût conçu pour permettre la mise en graphique rapide des données à partir du début de la construction. Ainsi, une histoire complète et actuelle de la performance du massif est à la disposition de l'équipe de recherche en tout temps durant l'essai. De cette façon des décisions instantanées peuvent être prises quant au maintien du niveau de surcharge (i.e continuer le monitoring du fluage) ou à son augmentation si le fluage a stoppé.

3.5 Exemples de résultats

Les données des trois premiers essais sont en cours d'analyse mais quelques résultats préliminaires sont présentés ici pour illustrer le programme de monitoring exhaustif et pour souligner quelques observations d'intéret. La Figure 4 présente les déplacements du Massif 1. Les déplacements horizontaux fûrent mesurés sur la face du parement aux élévations des renforcements. Chaque saut de la courbe de déplacement correspond à l'application d'une nouvelle surcharge. Le fluage de la structure pour chaque palier de charge, est mis en évidence sur la figure.

La Figure 5 montre la répartition des déformations du renforcement enregistrées dans le Massif 2 après l'application de la surcharge maximum de 85 kPa. Ces profils de déformations sont superposés sur la section du massif. On illustre aussi le plan de rupture interne observé durant l'excavation ainsi que la courbe prévue par la théorie de Coulomb. En fait, la courbe observée est indistinguable d'une approximation spirale-log.

La Figure 6 montre la répartition de la déformation dans le renforcement à la fin de la construction. Le graphique montre que les déformations sont très faibles mais qu'elles sont néanmoins plus élevées aux raccords.

La Figure 7 montre la distribution des déformations dans la couche 5 du Massif 2 pour différentes surcharges. Il faut que la surcharge atteigne 50 ou 60 kPa pour que le pic de déformation se déplace du raccord vers l'emplacement du plan de rupture interne dans la zone renforcée.

Une importante quantité de données pour les quatre premiers massifs de ce programme est en cours d'analyse et les résultats sont comparés pour les quatres configurations. Quelques observations préliminaires peuvent être faites:

• Les efforts aux raccords pour les massifs avec un parement cellulaire en blocs, sont les efforts les plus élevés dans les renforcements en fin de construction.
• L'effort normal vertical agissant au pied du parement est beaucoup plus élevé que la somme des poids des blocs, en raison des forces vers le bas exercées par le sol derrière les parement. Ceci a des implications importantes pour la conception des raccords et confirme que pour l'inclinaison du parement utilisée pour ces essais, la méthode courante de la NCMA (Simac et al. 1993), pour le calcul des forces normales aux interfaces des blocs, est conservatrice.
• La base du parement supporte une proportion appréciable des forces horizontales agissant sur le parement. Cette capacité de charge n'est pas considérée par les méthodes actuelles d'analyse et de conception "tie-back wedge" et est une source de conservatisme de la pratique de conception actuelle.
• La théorie courante de Coulomb surestime systématiquement les efforts dans le renforcement et aux raccords. Des calculs préliminaires suggèrent que les efforts dans les renforcements ne sont que de 60 à 70% des valeurs calculées par la théorie de Coulomb en utilisant l'angle de frottement "actuel" du sol.
• De concert avec le programme expérimental, on réalise des simulations numériques qui sont utilisées pour calibrer des modèles numériques. Aussitôt que les modèles numériques seront disponibles, des analyses paramétriques seront réalisées afin d'étudier une grande gamme de types de massifs, de sols et de configurations et propriétés de renforcements. Le travail expérimental et numérique combinés guideront le développement des lignes directrices de conception qui sont présentement sous révision en Amérique du Nord.

Remerciements

Le financement du programme de recherche complété à ce jour, est provenu du Washington State Department of Transportation, de la National Concrete Masonry Association, du Conseil National de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada, du Programme de Recherche Universitaire du Ministère de la Défense Nationale (Canada) et un octroi du Sous-Ministre pour l'Infrastructure et l'Environnement (MDN Canada).

Bibliographie

1. AASHTO, 1997, Standard Specifications for Highway Bridges , American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C., USA.
2. Jarrett, P.M., Bathurst, R.J. et Tetreault, M. Récents développements dans les méthodes de dimesionnement de massifs renforcés a parement cellulaire, en amérique du nord . Recontres'97, Rheims, France, 8-9 octobre 1997, 10 p.
3. Simac, M.R., Bathurst, R.J., Lothspeich, S. et Berg, R.R., 1993, Design Manual for Segmental Retaining Walls (Modular Block Retaining Systems) , First Edition, (Collin, J.G., 1996, Second Edition, Editor), National Concrete Masonry Association, Herdon, Virginia, USA, 250 p. 1