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1ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Le Calcul des tunnels
Philippe Autuori
Michel Pré
Hervé Thiébaut
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2ème Séance�La méthode convergence confinement:
élasto-plasticité
�La méthode du solide composite
�Stabilité de front
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�La méthode convergence confinement: élasto-plasticité
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déconfinement
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7ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Milieu Elasto-plastique parfait
Une zone plastique autour de l’excavation se forme dès lors que :
L’extension de cette zone est caractérisée par le rayon plastique Rp
Dans cette zone, par comparaison avec le comportement en élasticité :� l’évolution des contraintes radiales reste similaire� les contraintes orthoradiales chutent très vite.� les convergences augmentent plus rapidement qu’en élasticité, avec un effet
d’amplification en cas de dilatance.
ϕσ
ϕλλ sincos.
0
+=⟩c
e
Pour les formules détaillées, se référer à :M.Panet – Le calcul des tunnels par la méthode convergence-confinement, Presses de l’ENPC 1995
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Exemple :
rayon plastique
déconfinement total
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9ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Milieu Elasto-plastique parfait
Formules valables pour un déconfinement total (λ = 1) :
a) Rayon plastique :� pour φ≠0 :
avec
� b) pour φ=0 :
b) Convergence
α est le facteur de dilatance défini par:
α=1 : déformations à volume constantα>1 : augmentation de volume (dilatance)
ϕϕ
sin1
sin1
−+=pK
ϕϕ
sin1
cos..2
−= c
Rc
c
cp e
R
R.2
0 −
=σ
]1
1
0 1).1.[(1
2 −
+−
+=
pK
cp
p
p
RK
KRR σ
1).(. +∞∞
= αλ
R
RR
uR
u pe
elpl
0. =+ θεαε r
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10ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Principe de similitude:
Facteur de similitude :
La courbe upl = f(x/R) est la transformée de la courbe correspondante en élasticité par homothétie de centre 0 et de rapport 1/ξ
pl
el
u
u
∞
∞=ξ
).(/).(/)(
:
).(1
)(
R
xu
R
xuu
R
xu
encoreou
R
xu
R
xu
elelelplpl
elpl
ξλξ
ξξ
==
=
∞∞
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11ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Exemple:Marnes et CaillassesE = 300 MPa νννν = 0,3c = 150 kPa φ = 30°αααα = 1 R = 7m
Contrainte initiale: σσσσ0 = 750kPaSoutènement posé à 2m du front
2/7x(2.28/2.98)
2/7
163 kPa
1,64
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12ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
METHODE CONVERGENCE - CONFINEMENT ou DES COURBES CA RACTERISTIQUESRéf. Recommandations sur l'emploi de la méthode convergence-confinement, N°spécial TOS 05.93
Le calcul des tunnels par la méthode convergence-confinement, Marc Panet, presses ENPC, 1995
Projet:
hypothèses: contraintes isotropes; comportement élasto-plastique parfait du terrain; comportelment élastique du soutènementContrainte géostatique: σ0 = 750 kPaTerrain encaissant: Excavation et soutènementcarctéristiques élastiques: rayon moyen de l'excavation R 7.0 m
E 150 MPa
ν 0.30 caractéristiques mécaniques du soutènement boulons à ancrage ponctuelcritères de rupture Mohr-Coulomb coque cylindrique: densité géométrique 0.00000
c 150 kPa épaisseur e = 0.25 m module d'Young 200 000 MPa
ϕ 30 ° module élastique E = 8 000 MPa dist. point d'ancrage 3.50 m
coefficient de dilatance 1 coefficient de Poisson 0.2 >module de rigidité Ksn 0 MPa
>kp 3.00 >module de rigidité Ksn 306 MPa
>Rc 520 kPa cintres métalliques >module de rigidité total Ksn 306 MPa
>nombre de stabilité NS 2.9 aire de la section 0.0 cm²> limite d'élasticité espacement 1.00 m u initial/u inf 0.31
>λe 0.673 >module de rigidité Ksn 0 MPa jeu initial du soutènement 0 mm
>σe 245 kPa> u pl / u él inf 1.308
point d'équilibre: Ps = 325 kPa λ = 0.566u = 2.58 cm
Marnes et Caillasses Long Terme contraintes totales
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
800.00
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00
convergence radiale u (cm)
pres
sion
de
conf
inem
ent (
kPa)
1.000000
1.100000
1.200000
1.300000
1.400000
1.500000
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00
r pl
astiq
ue /
R
pour obtenir le point
d'équilibre, lancer la macro1,
touche de raccourci ctrl+a
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13ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
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14ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
800.00
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00
conve rgence ra dia le u (cm)
Marnes et CaillassesTunnel de 7 m de rayonCourt TermeE = 300 MPaνννν = 0,3c = 150 kPa φ = 30°
Contrainte initiale: σσσσ0 = 750kPaSoutènement posé à 2m du frontHEB 220 e= 1mBéton projeté 22cm E=10 GPa
Long TermeE = 150 MPaνννν = 0,3c = 150 kPa φ = 30°
Contrainte totale initiale: σσσσ0 = 750kPaContrainte effective initiale: 375 kPaHauteur d’eau 37.70 mRevêtement définitifBéton coffré 25 cm E=10 GPa
équilibre CT
équilibre LT contraintes totales
équilibre LT contraintes effectives
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16ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
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17ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
La méthode du Solide Composite
� Modélisation numérique 2D ou 3D (éléments finis, différences finies)
� Matériaux (Sol- structure) : éléments massifs� Lois de comportement élastique ou plastique� Possibilité d’éléments spéciaux (contacts) entre
matériaux
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18ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Exemple de maillage Eléments Finis 2D – Tunnel Circulaire
� Plusieurs types possibles�Chargement extérieur (pressions)�Chargement résultant du poids volumique des matériaux (calculé à partir des contraintes initiales de poids propre ou résultant d’une phase de calcul antérieure)
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19ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Pressions externes exercées sur un revêtement
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20ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
– En 2D : problème plan– Modélisation plusieurs ouvrages (interaction)– Calculs phasés– Lois de comportement variées– Appuis structures non linéaires (contacts, décollement,
glissement)– En 3D : étude de structures complexes
Mais– En 3D limite taille modèle atteinte rapidement (nbre
d’éléments et place de calcul)
Possibilités données par la méthode
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21ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
La stabilité de front
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22ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Exigences spécifiques
Les deux principaux risques concernent:• La stabilité du front de taille au moment de
l’excavation• Les tassements de surface et leur impact éventuel
sur le bâti environnant
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23ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Stabilité du Front de Taille
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24ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
faible extension verticale (initiale)
Mécanisme 3D
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25ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Indicateur : le nombre de stabilité :
N = 2σ0 / RC
( = σ0 / Cu en terrain purement cohérent)
Dans le cas avec Pa=pression au front:
Détermination de la valeur de Nc critique:
5 < Nc < 7 (Broms 1967 ou Peck 1969)
Stabilité du front de taille d’un tunnel en terrain cohérent Fu=0, cu > 0
)()(2
00
u
a
C
a
C
p
RN
p −=−
= σσ
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26ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Stabilité du front de taille
Méthode Anagnostou-Kovari : estimation de la pression de confinement à appliquer pour assurer la stabilité du front sous l’effet du poids des terrains sus jacents.
Estimation des charges gravitaires induites par un prisme de rupture et évaluation de la pression nécessaire pour empêcher le glissement.
τ
24
φπβ −=Angle du prisme:
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27ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Modèles Analytiques plus généraux F>0, c > 0
cônes effondrement
(ou éjection)
pression confinement >Réf. Léca-Dormieux :
- pression uniforme
- sol homogène
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28ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Exemple d’étude numérique de stabilité de frontd’une zone singulière
Tunnelier à Air Comprimé
Points singuliers :passage à proximité culée pont rail
Hétérogénéité des charges autour du tunnel
Pression de stabilisation du front
Pression requise pour minimiser les tassements
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29ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
Etude Stabilité du front en 3D
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30ENPC – Ouvrages Souterrains – 2014-2015
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30/ 10/2001 16:48: 3
BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 1
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
CESAR-LCPC : PEG3D Version 3.4.x
30/ 10/2001 16:48:11
BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 2
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
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30/ 10/2001 16:48:22
BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 3
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
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30/ 10/2001 16:48:28
BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 4
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
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BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 5
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
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BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 6
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
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30/ 10/2001 16:49: 8
BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 7
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
CESAR-LCPC : PEG3D Version 3.4.x
30/ 10/2001 16:49:18
BOUYGUES TPModule : MCNLEtude : stabCalcul : cas4
Increment no 8
DESSIN DE LA DEFORMEE
maillage initial maillage deforme
echelle .1
Modèles Numériques vs Analytiques