Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en béton IS-BETON)

Interaction sol-structure dans le domaine des tranchées couvertes

Plumey, Sylvain ; Muttoni, Aurelio (Dir.) ; Vulliet, Laurent (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2007 ; no 3714.

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    Summary
    The present research on cut-and-cover tunnels gives a theoretical contribution to the understanding of the behaviour of these structures up to their ultimate limit state. A simplified method inspired on the convergence-confinement method is investigated and applied systematically to several practical cases. This method, based on the failure mode of the structure, gives an approximate solution of the equilibrium between the soil and the structure. It enables a better understanding of the complex soil-structure mechanisms, typical of these constructions, constituting in this way a design tool. The behaviour of the soil which interacts with the structure comprises typically two main phases. The elastic phase is followed by the progressive yielding of parts of the soil until a plastic mechanism is formed (plastic phase). Depending on the geometrical and the mechanical parameters, the structure takes more or less advantage of the soil contribution in carrying the loads. The main conclusion of this work is the demonstration of the existence of different modes of behaviour. Three main modes of practical interest, defined mainly by the phase of the soil governing the structural behaviour, are distinguished : elastic soil, elasto-plastic soil and completely plasticized soil. The identification of the mode then enables an efficient design and analysis of the structure. The theory of plasticity (upper bound) was applied to two soil-structure systems, a surface strip footing submitted to a centred load and a lateral wall of a frame-type cutand- cover tunnel under construction, aiming at studying their behaviour at the ultimate limit state. This study clearly emphasizes the favourable or unfavourable role played by the soil-structure interaction in the collapse of such structural systems. A proper consideration of the structure failure kinematics is thus fundamental to a proper representation of the ultimate limit state. A new safety format is proposed to define the ultimate limit state when the finite element method is used. This safety format is compatible with the new SIA codes of practice and clarifies the structural design procedure. The research also showed that the structure's ductility plays a major role in the development of the structural soil capacity. Several ductility limits are emphasized for cut-and-cover tunnels. For frame structures, the deformation capacity of the top slab is very small if no shear reinforcement is provided in the zones of significant shear forces. Stirrups are thus recommended in these structures. For arch structures, the spalling of the concrete cover can limit the deformation capacity of the structure. Experimental tests performed within this research showed that this phenomenon was affected negatively by plastic deformations of the steel reinforcement and by reinforcement splices and anchorages. SIA 262 (2003) code of practice design criterion is judged insufficient. The structural design of cut-and-cover tunnels with important plastic redistributions is thus possible only if certain ductility conditions are fulfilled.
    Zusammenfassung
    Die auf dem Gebiet der Tagbautunnel durchgeführte Forschung leistet einen theoretischen Beitrag zum Verständnis des Verhaltens dieser Bauwerke bis zum Grenzzustand der Tragsicherheit. Eine vereinfachte Methode, inspiriert von der Kennlinien-Methode, wird entwickelt und dann auf mehrere Fälle systematisch angewandt, die in der Praxis angetroffen werden. Diese Methode, die auf dem Bruchmechanismus des Tragwerks basiert, ergibt eine Näherungslösung des Gleichgewichtszustands zwischen Bauwerk und Boden. Unter diesem Blickwinkel stellt sie ein Entwurfswerkzeug dar, da sie das Verständnis von komplexen Interaktionsmechanismen zwischen Bauwerk und Boden, die charakteristisch für Tagbautunnel sind, erleichtert. Das Bodenverhalten im Zusammenspiel mit dem Tragwerk wird typischerweise durch zwei Hauptphasen charakterisiert. Der elastischen Phase folgt die progressive Plastifizierung gewisser Bodenbereiche, bis zur Bildung eines plastischen Mechanismus (plastische Phase). Je nach Geometrie und Materialien profitiert das Tragwerk dann mehr oder minder günstig vom Beitrag des Bodens zur Lastabtragung. Die wichtigste Schlussfolgerung dieser Arbeit ist der Nachweis der Existenz von mehreren Regimes des Verhaltens. Drei Hauptregimes von besonderem praktischen Interesse, definiert vor allem durch die Verhaltensphase des Bodens, die sich auf das Tragwerk auswirkt, werden aufgezeigt: elastischer Boden, elasto-plastischer Boden und vollständig plastifizierter Boden. Die Identifizierung des Regimes erlaubt daher den effizienten Entwurf des Tragwerks und gibt Hinweise zu den wichtigen Elementen, die bei der Berechnung und der Bemessung berückichtigt werden müssen. Die Plastizitätstheorie (oberer Grenzwert) wird verwendet, um das Verhalten im Grenzzustand der Tragsicherheit von zwei Boden-Struktur Systemen zu untersuchen: die unendlich lange oberflächliche Gründung unter zentrierter Last und die Seitenwand eines rahmenartiges Tagbautunnel im Bauzustand. Diese Studie hebt deutlich die günstige oder ungünstige Wirkung hervor, die die Boden-Struktur Interaktion auf dem Versagen solcher Systeme haben kann. Die Betrachtung der Bruchkinematik der Struktur (durch internes Versagen) ist dann unentbehrlich für eine wirklichkeitsnahe Darstellung des Grenzzustandes der Tragsicherheit. Ein neues, mit der neuen Normengeneration SIA kompatibles Sicherheitsformat wird vorgeschlagen, um den Grenzzustand der Tragsicherheit des Tragwerks bei Verwendung der Finiten-Elemente-Methode zu definieren. Dieses Format vereinheitlicht und klarifiziert die Bemessungsprozedur dieser Tragwerke. Die Forschung hat auch gezeigt, dass die Duktilität des Tragwerks eine vornehmliche Rolle spielt bei der möglichen oder nicht möglichen Ausnutzung der Reserven des Bodens. Mehrere kritische Duktilitätsgrenzen für Tagbautunnel werden herausgestellt. Für rahmenartige Tagbautunnel fällt die Verformungskapazität der oberen Platte sehr gering aus, wenn keine Bügel in den Bereichen starker Querkraft angebracht werden. Bei gewölbeartigen Tagbautunneln kann das Phänomen des Abplatzen des Überdeckungsbetons die Verformbarkeit des Tragwerks beschränken. Eigene Laborversuche haben gezeigt, dass der Widerstand gegen dieses Phänomen durch plastische Verformungen der Bewehrung und die Präsenz von Übergreifungsstössen negativ beeinflusst wird. Die Norm SIA 262 (2003) wird als unzureichend eingestuft. Die Berechnung dieser Tragwerke unter grossen plastischen Umlagerungen ist dann nur unter Einhaltung gewisser Bedingungen betreffend konstruktive Durchbildung, die eine ausreichende Duktilität garantieren, möglich.
    Résumé
    La recherche effectuée sur les tranchées couvertes, ou tunnels exécutés à ciel ouvert, apporte une contribution théorique à la compréhension du comportement de ces ouvrages jusqu'à l'état limite ultime. Une méthode simplifiée inspirée de la méthode convergence-confinement est développée puis appliquée systématiquement à plusieurs cas représentatifs des situations rencontrées en pratique. Cette méthode, basée sur le mécanisme de rupture de la structure, donne une solution approchée de l'état d'équilibre entre le sol et la structure. A ce titre, elle constitue un outil de conception car elle facilite la compréhension des mécanismes d'interaction sol-structure complexes caractéristiques de ces ouvrages. Le comportement du sol en interaction avec la structure est caractérisé typiquement par deux phases principales. La phase élastique est suivie par la plastification progressive de certaines zones du sol jusqu'à former un mécanisme plastique (phase plastique). Selon la géométrie et les matériaux, la structure profite alors plus ou moins favorablement de la contribution du sol à la reprise des charges. La conclusion principale de ce travail est la mise en évidence de plusieurs régimes de comportement. Trois régimes principaux d'un intérêt pratique particulier, définis principalement par la phase de comportement du sol déterminante pour la structure, sont mis en évidence : sol élastique, sol élasto-plastique et sol complètement plastifié. L'identification du régime permet alors de concevoir efficacement la structure et renseigne sur les éléments importants à considérer lors du calcul et du dimensionnement. La théorie de la plasticité (borne supérieure) a été utilisée pour étudier le comportement à l'état limite ultime de deux systèmes sol-structure : la fondation superficielle infiniment longue sous charge centrée et la paroi latérale d'une tranchée couverte cadre en construction. Cette étude met clairement en évidence l'effet favorable ou défavorable que peut avoir l'interaction sol-structure sur la ruine de tels systèmes. La considération de la cinématique de rupture probable de la structure (par défaillance interne) est alors indispensable à une représentation correcte de l'état limite ultime. Un nouveau format de sécurité compatible avec la nouvelle génération de normes SIA est proposé pour définir l'état limite ultime de la structure lors de l'utilisation de la méthode aux éléments finis. Ce format uniformise et clarifie la procédure de dimensionnement de ces structures. La recherche a aussi montré que la ductilité de la structure joue un rôle prépondérant pour garantir ou non l'exploitation des réserves de capacité offertes par le sol. Plusieurs limites de ductilité critiques pour les tranchées couvertes sont mises en évidence. Pour les tranchées couvertes de type cadre, la capacité de déformation de la dalle supérieure est très faible si aucun étrier n'est disposé dans les zones fortement sollicitées à l'effort tranchant. La mise en place d'une armature d'effort tranchant est recommandée. Pour les tranchées couvertes de type voûte, le phénomène d'éclatement du béton d'enrobage peut limiter la capacité de déformation de la structure. Des essais réalisés en laboratoire dans le cadre de cette étude ont montré que la résistance à ce phénomène était influencée négativement par les déformations plastiques de l'armature et par la présence de joints de recouvrement. La vérification de ce phénomène par la norme SIA 262 (2003) est jugée insuffisante. Le calcul de ces structures avec de grandes redistributions plastiques n'est alors possible que sous certaines conditions garantissant une ductilité suffisante.