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Étude par la méthode des éléments finis du comportement des remblais en sols fins
compactés
Finite element analysis of embankments in fine compacted soils
Droniuc N.
IFSTTAR, 14-20 Boulevard Newton, Cité Descartes Champs sur Marne, 77447 Marne la Vallée cedex 2, France
RÉSUMÉ : Les sols fins compactés (argiles ou limons) provenant des déblais peuvent être réutilisés en remblais à condition qu’ils
permettent un compactage optimal et que le comportement à long terme ne donne pas des déformations inacceptables par l’ouvrage.
La modélisation du comportement mécanique et hydrique est possible en utilisant la méthode des éléments finis, mais à conditions
que les modèles numériques soient validés par l’expérience. Cet article présente quelques résultats numériques issus des études sur les
remblais en sols fins compactés soumis aux cycles de séchage et d’humidification. Les conclusions portent notamment sur les
déformations induites par les variations hydriques dans le corps du remblai expérimental.
ABSTRACT:
The fine compacted soils (clay or silt) from cuttings can be used in backfill construction, provided they allow optimal
compaction and acceptable long-term behavior. Modeling of the mechanical behavior of this unsaturated fine soil is possible by using
the finite element method, but numerical models must be validated by experimental work. This paper presents some numerical results
from studies on fine compacted soils used in embankment construction subjected to cycles of wetting and drying.
MOTS-CLÉS: sol non saturé, sol fin compacté, remblai, éelastoplasticité, analyse aux éeléements finis.
KEYWORDS: unsaturated soil, fine compacted soil, embankment, elastoplasticity, finite element analysis.
1
INTRODUCTION
La sensibilité à l’humidification des sols fins argileux ou
limoneux a des implications sur le comportement mécanique et
hydrique de nombreux ouvrages géotechniques. Dans les
travaux de construction de remblais. Le problème posé est
d’abord celui de savoir si le matériau fin peut être compacté
dans des conditions optimales. Puis, on doit s’assurer que le
comportement mécanique à long terme permette d’obtenir des
déformations acceptables sous les charges mécaniques cycliques
dues au trafic, mais aussi sous l’action des cycles de séchage et
d’humidification.
L’étude du comportement mécanique des remblais en sols
fins compactés montre que la principale source de contraintes
mécaniques dans un corps de remblai est son poids propre et
que les sollicitations cycliques provenant du trafic n’affectent
que les couches supérieures des remblais (Serratrice 1995,
Mieussens 2000).
L’hétérogénéité des sols fins compactés, due à la nature et à
l’état hydrique des déblais dans lesquels le matériau a été
prélevé, la présence des talus, leur construction par couches
compactées, donnent lieu à des états de contraintes verticales et
horizontales complexes.
Concernant le comportement hydrique des remblais en sols
fins compactés, les sollicitations sont diverses : les échanges
sol-atmosphère, infiltration par la plate-forme, remontées
capillaires par la base du corps du remblai, inondations,
induisent des contraintes importantes dans le corps et sur les
talus des remblais.
Il existe de nombreux remblais construits, et force est de
constater que la plupart d’entre eux ont un comportement
satisfaisant du point de vue mécanique : ils assurent un
minimum de déformations (ou des déformations acceptables) du
point de vue de leur rôle.
Les pathologies constatées sur des remblais en sols fins
compactés proviennent principalement des sollicitations
hydriques et donc la caractérisation du comportement hydrique
de ces matériaux reste essentielle.
De plus, les études de conception des remblais, leur analyse
en terme de déformations et encore leur stabilité, passent de
plus en plus par l’utilisation de la méthode des éléments finis.
Or, la formulation des équations du comportement mécanique et
hydrique reste complexe du fait du grand nombre de paramètres
(mécaniques, hydriques, d’interaction entre les constituants d’un
sol fin), de l’état initial des contraintes et de l’état initial
hydrique, ainsi que des conditions aux limites.
Après une courte partie dédiée aux équations du
comportement mécanique et hydrique d’un sol fin compacté,
cette communication présente quelques aspects pratiques liés à
la modélisation par la méthode des éléments finis des sols fins
compactés.
Les résultats numériques obtenus sont en accord avec les
résultats expérimentaux et montrent la capacité du modèle
numérique à prévoir le comportement des sols fins compactés
utilisés pour la construction des remblais.
2
MODÉLISATION EN ÉLÉMENTS FINIS
1.1
Les équations du modèle en éléments finis
Pour modéliser numériquement les sols non saturés on suppose
souvent que ces sols sont le résultat de la superposition de trois
milieux continus, qui, couvrent chacun l’ensemble de l’espace
occupé par le sol :
- le milieu continu global (milieu triphasique où on suppose que
les mouvements de l’eau et de l’air ont un effet négligeable sur
ses propriétés physiques et mécaniques) ;
- le milieu continu air et le milieu continu eau qui peuvent se
déplacer l’un par rapport à l’autre à l’intérieur du milieu global
et en sortir ou y entrer.
On suppose que les déformations du milieu peuvent être
induites par une variation de la contrainte totale (
+p
a
) et/ou de
la succion (p
a
-p
w
), considérées comme variables indépendantes.
La loi de comportement est celle proposée par Alonso et al.
(1990). C’est une loi de type élastoplastique avec écrouissage.
Les contraintes et les déformations doivent satisfaire
simultanément les équations d’équilibre et la loi de
comportement.
