MODELISATION NUMERIQUE 2D DU PROBLEME DE L'INTERACTION MASSIF / SOUTENEMENT

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OBJECTIFS, INTERETS ET DESCRIPTION DE L’ESSAI

INTRODUCTION

L’étude expérimentale, dont la description fait l’objet de ce chapitre, s’intègre dans an vaste programme portant sur l’étude de la faisabilité des ouvrages souterrains dans les argiles profondes, pour le stockage des déchets radioactifs. Les critères fondamentaux recherchés dans cette étude concernent la stabilité à long terme des ouvrages et l’optimisation de leur dimensionnement.
Le comportement mécanique de la roche (argile de Boom) étudiée présente les caractéristiques principales suivantes :
– A court terme, la résistance mécanique est faible, le rapport entre la cohésion à court terme et la pression lithostatique à la profondeur de l’ouvrage est seulement de 30 % ;
– Radoucissement faible, plasticité importante et seuil élastique nul ;
– A long terme, les effets différés sont très importants.
Il faut donc bien tenir compte de ces caractéristiques dans le dimensionnement des ouvrages dans de tels milieux.
Dans ce contexte, nous avons souhaité tester in situ les performances d’un soutènement à seuil de confinement et à convergence contrôlée (cintres métalliques coulissants) qui semble bien convenir au type de roche étudié et répondre favorablement aux critères fondamentaux recherchés.
L’essai a été conduit à MOL, en Belgique, dans les installations du Centre d’Etudes Nucléaires (C.E.N./SCK). La construction de l’ouvrage a eu lieu pendant la période de novembre à décembre 1987.
La conception, les calculs de dimensionnement, la maîtrise d’oeuvre, le suivi du chantier ont été réalisés au Laboratoire de Mécanique des Solides (LMS) par G. Rousset (voir – Avant-Projet Détaillé – par G. Rousset et D. Renié, 1987 et la thèse de G. Rousset, 1988). L’ensemble de l’étude a été réalisé pour l’Agence Nationale pour la Gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA) et la Commission des Communautés Européennes (CCE), organismes qui ont financé le projet.
Nous avons bénéficié de l’aide des Sociétés UNIMETAL (fabrication, concept du soutènement) et des Mines de Potasse d’Alsace (MDPA) (mise en oeuvre). Le projet de l’instrumentation ainsi que la conception du dispositif de mesure ont été imaginés avec l’aide de SIMECSOL, qui a également été chargé de sa mise en oeuvre.
Le principal aspect original abordé dans le cadre de notre travail réside dans le suivi et l’interprétation des mesures de cet essai de soutènement à convergence contrôlée (D. Bernaud, 1988).

OBJECTIFS ET INTERETS DE L’ESSAI

L’objectif essentiel, qui concerne l’optimisation du dimensionnement du soutènement, est de mettre en oeuvre un revêtement de galerie qui, à long terme, ne reprendra seulement qu’une faible partie de la pression lithostatique à la profondeur de la galerie.
Ainsi, le critère fondamental recherché est de minimiser la valeur à long terme de la pression de soutènement. Le seul moyen pratique d’arriver à un tel résultat est de permettre la convergence de la paroi de la galerie au cours du temps.
Pour atteindre cet objectif, la technique utilisée est celle du soutènement à seuil de confinement et à convergence contrôlée, qui peut être considérée comme une application particulière de la méthode convergence-confinement (figure 1).
Cette technique est mise en oeuvre dans notre essai, grâce au soutènement par cintres métalliques coulissants. Les avantages de ce type de soutènement sont les suivants :
– L’intérêt essentiel du soutènement par cintres coulissants est qu’il peut être posé très vite et très près derrière le front de taille, ce qui lui permet de s’opposer aux mouvements initiaux du massif, tout en permettant sa convergence différée sous confinement, grâce au coulissement. Ceci permet de limiter la fracturation de la paroi et donc conserver l’intégrité du massif {sûreté de l’ouvrage).
– Grâce au coulissement, la convergence à long terme peut être importante, ce qui conduit à une pression ultime sur le soutènement faible .

DESCRIPTION SOMMAIRE DE L’OUVRAGE

On résume dans ce paragraphe les caractéristiques principales de l’ouvrage. Un texte plus détaillé sur la description et la construction de la galerie cintrée est donné par G. Rousset (1988).
Il s’agit d’une galerie circulaire de 12 mètres de longueur et de 4 mètres de diamètre intérieur (voir photos dans l’annexe 1).
L’ouvrage est situé dans les installations belges du C.E.N., en prolongement de leur galerie revêtue de claveaux en béton (longueur approximative 40m, diamètre intérieur 3,5m et épaisseur des claveaux 60cm) (figure 2). La galerie cintrée se termine par une zone tampon de 2 mètres de longueur revêtue de claveaux et d’un front hémisphérique consolidé par une couche de 20cm d’épaisseur de béton projeté.
L’armature porteuse de son soutènement est constituée de cintres métalliques coulissants de type Toussaint-Heinzmann (TH 44/58) et il y a trois cintres par mètre de galerie (figure 3).
Chaque cintre (figure 6) est composé de quatre éléments des profils TH assemblés au moyen de l’étrier G 445, dont les caractéristiques sont données dans les tableaux 1 et 2. Le matériau constitutif du cintre est un acier de nuance TH520 possédant une limite d’élasticité de 520 MPa et une résistance à la traction de 650 MPa.
Le principe de fonctionnement des cintres coulissants (assemblage des quatre profils TH) est le suivant :
– Initialement, la poussée du massif sur le soutènement génère des efforts normaux qui sont faibles. Ainsi, le frottement de deux éléments (dû au serrage des boulons) est suffisant pour empêcher qu’un coulissement se produise.
– Ensuite, avec l’augmentation de la poussée du massif (avancement du front de taille ou comportement différé du massif), l’effort normal atteint un certain seuil (de l’ordre de 80tf pour le couple de serrage des boulons égal à 800Nm), le frottement n’est plus suffisant et un coulissement se produit.
Chaque joint (il y a quatre joints par anneau) de cet assemblage peut coulisser jusqu’à une certaine valeur limite, à partir de laquelle un dispositif de blocage (butées soudées) arrête le coulissement. Dans notre ouvrage, cette valeur limite vaut 29cm.

MISE EN OEUVRE

On verra dans les chapitres suivants que V’histoire du chargement » a une influence importante sur l’équilibre à long terme des tunnels, dans les roches viscoplastiques. Pour notre essai, on a veillé à ce que les prescriptions essentielles du Cahier des Charges concernant ces aspects (régularité, rapidité, efficacité) soient scrupuleusement respectées.
– La régularité du chantier a été très satisfaisante comme le montre la figure 7 ; les arrêts de chantier n’ont jamais dépassé 48 heures. Ce point est important, notamment pour garantir la répétitivité des mesures d’un anneau à l’autre.
– La rapidité de construction est fondamentale dans les ouvrages construits dans des milieux présentant des effets différés (la partie III est consacrée à cette étude) : le soutènement doit être actif avant que le massif ne présente une décompression trop importante.
Même si le creusement de notre galerie expérimentale a été peu mécanisé, la vitesse d’avancement du front de taille a été suffisamment élevée. Le rendement global a été de 2,3m par semaine, ce qui représente une vitesse ramenée au rayon de la galerie de 0,15 j » ‘ (la vitesse de la galerie belge en claveau de béton est inférieure, de 0,1 j » l ).
– Le découvert, ou plutôt la distance de pose du soutènement au front, doit être assez faible de façon à ce que celui-ci puisse être efficace, et limite la décompression du massif sous contrainte nulle.
Dans notre galerie, la longueur non revêtue a été de 2,1m au maximum, soit de l’ordre de un rayon. Ceci est représenté sur la figure ci-après.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
P A R T I E I APPROCHE EXPERIMENTALE IN SITU : ESSAI DE SOUTENEMENT A CONVERGENCE CONTROLEE
CHAPITRE 1 : OBJECTIFS, INTERETS ET DESCRIPTION DE L’ESSAI
1.1 – Introduction
1.2 – Objectifs et Intérêts de l’essai
1.3 – Description sommaire de l’ouvrage
1.4 – Mise en oeuvre
CHAPITRE 2 : RESULTATS ET INTERPRETATION DE L’ESSAI
2.1 – Instrumentation
2.2 – Résultats de l’expérimentation
CONCLUSIONS SUR L’EXPERIMENTATION
P A R T I E II APPROCHE NUMERIQUE : MODELISATION 2__D DES TUNNELS AVEC REVETEMENT LINEAIRE OU NON
INTRODUCTION
CHAPITRE 3 : RESOLUTION NUMERIQUE EN VISCOPLASTICITE ET PLASTICITE : ALGORITHMES DE RESOLUTION
3.1 – Rappels sur la méthode des éléments finis
3.2 – Formulation en viscoplasticité
3.3 – Formulation en plasticité
3.4 – Présentation sommaire du code numérique « GEOMEC 91 »
3.5 – Application et validation : calculs analytiques et numériques des tunnels de section circulaire
CHAPITRE 4 : MODELISATION NUMERIQUE 2D DU PROBLEME DE L’INTERACTION MASSIF / SOUTENEMENT
4.1 – Intérêt du problème
4.2 – Résolution numérique du problème d’interaction massif élastoviscoplastique – soutènement élastoplastique
CHAPITRE 5 : SIMULATION NUMERIQUE DE LA GALERIE CINTREE
5.1 – Position du problème
5.2 – Caractéristiques géométriques et mécaniques du calcul
5.3 – Comportement mécanique des matériaux en présence dans la galerie cintrée
5.4 – Résultats de la simulation numérique
5.5 – Comparaison des résultats de la modélisation numérique
et des résultats expérimentaux
CONCLUSIONS SUR LA MODELISATION NUMERIQUE DE LA GALERIE CINTREE
P A R T I E III APPROCHE NUMERIQUE : PRISE EN COMPTE DU CARACTERE 3_D DU CREUSEMENT DES TUNNELS DANS DES MILIEUX VISCOPLASTIQUES
INTRODUCTION
CHAPITRE 6 : POSITION DU PROBLEME ET METHODES DE RESOLUTION
6.1 – Position du problème
6.2 – Méthode numérique de creusement d’un tunnel
CHAPITRE 7 : ETUDE DE l’INFLUENCE DE LA VITESSE DE CREUSEMENT DANS DES MILIEUX ELASTOVISCOPLASTIQUES
7.1 – Objectif de l’étude
7.2 – Equations du problème adimensionnel
7.3 – Simulation numérique d’un tunnel revêtu dans un milieu viscoplastique
7.4 – Construction des abaques
CONCLUSION SUR LA MODELISATION DU CREUSEMENT DES TUNNELS DANS DES MILIEUX VISCOPLASTIQUE
P A R T I E IV METHODES SIMPLIFIEES DE CALCULS DES TUNNELS PROFONDS
INTRODUCTION
CHAPITRE 8 : ANALYSE CRITIQUE DE LA METHODE CONVERGENCE – CONFINEMENT
8.1 – Introduction
8.2 – Rappel de la méthode convergence-confinement
8.3 – Simulation numérique d’un tunnel soutenu en élasticité et en plasticité
8.4 – Etude critique de la méthode convergence-confinement
CHAPITRE 9 : PROPOSITION D’UNE NOUVELLE METHODE IMPLICITE DE CALCUL DES TUNNELS DANS LES MILIEUX ELASTIQUES
9.1 – Introduction
9.2 – Recherche d’une expression de la convergence d’un tunnel
soutenu en fonction de la distance au front
9.3 – Ajustement des paramètres de la fonction de forme
9.4 – Validation de la nouvelle méthode implicite
CONCLUSION SUR LA PARTIE IV
CONCLUSIONS GENERALES
ANNEXE 1 : Photos de la galerie cintrée
ANNEXE 2 : Etude du profil métallique des cintres
ANNEXE 3 : Calcul analytique du tunnel de section circulaire dans un milieu infini plastique Critère de Coulomb avec écrouissage
ANNEXE 4 : Simulatin numérique d’un tunnel non soutenu
BIBLIOGRAPHIE