[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le Cemagref ETNA

Titre du projet

Caractérisation expérimentale du comportement mécanique sous impact d'éléments cellulaires constitutifs de merlons pare-blocs

Type d'aléa
Mouvements de terrain - éboulements - chutes de blocs
Année

2004

Mots-clés
Chutes de blocs - Expérimentation - Dissipation - Gabion
Champs disciplinaires
Mécanique


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Cemagref ETNA
Organisme(s) associé(s)
 
Coordonnateur
Stéphane LAMBERT
Participants
LIRIGM / France Maccaferri


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
Expérimentations menées sur le site de la carrière de Grésy sur Aix (73) géré par le LOCIE (Université de Savoie) et rattaché à la structure fédérative RNVO qui a financé l’équipement de largage
Contexte de l'étude
L’accroissement du nombre des infrastructures accompagnant la croissance démographique des zones de montagne conduit de plus en plus souvent, sur des espaces réduits, à la confrontation avec des aléas propres à ces zones. Alors que l’on construisait loin des zones potentiellement exposées au risque, on cherche maintenant à occuper des surfaces en les soustrayant à l’aléa par la construction d’ouvrages de protection. Pour relever ce défi, les politiques publiques doivent être accompagnées par la communauté scientifique, la contribution de celle-ci portant sur le développement de méthodes et d’outils pour la conception et la validation d’ouvrages de réduction du risque qui soient économiquement supportables. Pour les instabilités gravitaires, la réduction du risque peut être opérée à différentes étapes du processus d’instabilité suivant une stratégie dite « active » prévenant le départ des matériaux en participant à leur stabilisation ou suivant une stratégie dite « passive » visant à contrôler la trajectoire des éléments. Cependant, le dimensionnement des ouvrages de lutte passive contre les phénomènes gravitaires est confronté à la complexité des phénomènes mis en jeu ainsi qu’au manque de connaissances et à la spécificité des sollicitations appliquées par ces phénomènes sur les ouvrages de protection. Par manque de connaissance scientifique, on procède souvent à un surdimensionnement des ouvrages. Il en va ainsi des ouvrages contre les chutes de blocs.

Ce projet s’inscrit dans un programme de recherche pluriannuel visant à améliorer la conception et le dimensionnement de ce type d’ouvrages. L’objectif final à atteindre est l’établissement de règles de calcul permettant la construction d’ouvrages optimisés, du point de vue technique et économique. Ce programme s’intéresse plus précisément à des merlons composites dont le principe technologique repose sur l’utilisation d’éléments préfabriqués. Dans le cas ciblé, chaque élément peut se présenter sous la forme d’une cellule grillagée, ouverte ou fermée, remplie d’un matériau dont les caractéristiques (nature, granulométrie…) peuvent être adaptés en fonction du rôle de la cellule lors de l’interception d’un bloc rocheux par l’ouvrage. Ces différents éléments peuvent glisser ou non les uns par rapport aux autres, permettant de diffuser et dissiper l’énergie cinétique des blocs incidents. Ce type de structure présente une souplesse importante qui limite les concentrations de contraintes, lesquelles pourraient être préjudiciables à la stabilité de la partie aval de l’ouvrage. La modularité résultant de la nature cellulaire de ce type d’ouvrage offre des possibilités d’adaptation et d’évolution par rapport au site et également au cours de la vie de l’ouvrage. Par rapport aux structures existantes, ce type d’ouvrage a pour finalité l’interception de blocs d’énergie modérée dans des zones à forte contrainte d’emprise au sol.

Ce programme de recherche se compose de deux volets indépendants : un volet numérique (thèse de D. Bertrand) et un volet expérimental (thèse de S. Lambert). Ces deux volets abordent chacun les différentes échelles, depuis les matériaux constitutifs jusqu’à l’ouvrage. Dans une première phase, l’étude s’est focalisée sur des sollicitations statiques et dans une seconde des sollicitations dynamiques sont étudiées. Le programme débuté fin 2002 a permis de modéliser en 3D le comportement des cellules sous sollicitation quasi-statique. Cette avancée a été possible par la réalisation d’expérimentations en quasi-statique ayant fourni les données de calage et de validation pour le modèle. Cette étape était préliminaire à l’étude sous sollicitations dynamiques, laquelle a été engagée au niveau numérique dans l’attente des données expérimentales attendues à l’issue de ce projet. Les précédents travaux expérimentaux ont principalement concerné les matériaux constitutifs des cellules ainsi que le comportement sous chargement pseudo-statique de cellules seules. Ces expérimentations ont apporté des données essentielles à la compréhension phénoménologique du comportement des cellules. La résistance sous chargement statique des cellule a été mesurée et l’influence des paramètres gouvernant leur comportement a été mise en évidence. Au niveau numérique, la majeure partie du travail de modélisation a été menée à bien ; une des précédentes étapes de ce programme ayant été soutenue par le PGRN en 2003. Le présent projet a une portée expérimentale avec pour objet le comportement sous sollicitations dynamiques des cellules constitutives des structures de protection proposées.
Programme plus vaste
Programme de recherche pluriannuel visant à améliorer la conception et le dimensionnement des merlons pare-blocs (RNVO)
Initiation du projet
Participation du PGRN
Montant du financement (k€)
5 k€
Part du CG38 - PGRN
24 %
(Co)-Financements
Cemagref (16 k€) - Coût total : 21 k€
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
Acquisition du matériel (instrumentation spécifique) + un stagiaire.


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
- Comprendre phénoménologiquement le fonctionnement sous impact des cellules, notamment en fonction du matériau de remplissage et de l’énergie du bloc impactant et quantifier la capacité dissipative de chaque type de cellules ;

- Préparer une campagne expérimentale prévue sur le site de Rovon (Isère). Ce site, piloté par le LCPC et géré par le CETE de Lyon, devrait permettre à partir de 2006 l’investigation expérimentale de la réponse globale d’ouvrages, de taille réelle ou semi-réelle, soumis à l’impact de blocs rocheux. Ces essais à l’échelle d’un ouvrage, parce qu’ils sont lourds à mettre en place et coûteux, nécessitent des investigations préliminaires ;

- Accompagner la démarche de modélisation numérique 3D des cellules soumises à une sollicitation dynamique en fournissant des données de validation obtenues dans des conditions bien maîtrises.
Méthodologie
 - Campagne expérimentale d’essais de largages, depuis des hauteurs variables (4 à 7 m), d’un impactant équipé d’un accéléromètre (tri-axial piézoélectrique de capacité + / - 500 g) sur différents types de cellules placées sur un socle indéformable en béton armé (2500 kg), reposant sur trois capteurs de force.

L’impactant est une coque en acier sphérique de 540 mm de diamètre et de 12 mm d’épaisseur remplie de béton fibré (poids de 250 kg, masse volumique proche de 30,3 kN/m3). Lors de l’impact, on mesure l’accélération du bloc et l’effort transmis par le socle à la dalle. Les capteurs de force (capacité de 500 kN) permettent une analyse comparative des efforts transmis par la cellule lors de l’impact, faisant référence à leur capacité dissipative. L’acquisition est effectuée par le biais d’une centrale de mesure reliée à un ordinateur (fréquence 20kHz, fréquence de coupure 10kHz). Lorsque la luminosité le permet, les essais sont filmés à titre phénoménologique avec un caméscope numérique de fréquence 25 Hz.

- A partir des données, on détermine notamment la valeur maximale de la force transmise par l’impactant Fimp, la valeur de la force aux appuis au premier pic FApic, et l’atténuation des forces comme étant le rapport entre Fimp et FApic.

- Développement d’un modèle numérique aux éléments discrets permettant de reproduire le comportement de cellules et simulation de la cellule sous sollicitation dynamique.
Résultats
L’étude a permis de définir les plages de variation des grandeurs à mesurer, a mis en évidence les limites de la méthode expérimentale, et a fourni des éléments de compréhension phénoménologique du fonctionnement des cellules sous impact, en soulignant l’influence de certains paramètres.

1 - Constats tirés de l’expérimentation :

- Pour une même configuration la variabilité est importante, ceci étant dû à la nature grossière du matériau de remplissage.

- Le confinement affecte le comportement de la cellule par une augmentation de la valeur de force à l’impact Fimp, et par une réduction de la durée de l’impact.

- Les forces Fimp et FApic et l’enfoncement montrent une dépendance à l’énergie cinétique.

- L’utilisation de sable en temps que matériau de remplissage conduit à une réduction des valeurs Fimp et FApic, mais à un moindre enfoncement de l’impactant.

- Concernant plus spécifiquement l’atténuation, le confinement conduit à une augmentation de la valeur de force transmise par rapport à la vitesse maximale de force appliquée (à expliquer…).

- Pour un même type de cellule, l’atténuation est fonction de l’énergie cinétique.

2 - Calage et validation du modèle de simulation.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Chercheurs Cemagref, France Maccaferri (producteur, fabrcant et distributeur de gabions) + Potentiellement : le RTM (au premier chef)
Production scientifique
- Méthodologie innovante
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Produits délivrables
*
Partenariats

- Préexistant (depuis 2002)
- Qui se poursuit (probablement : en standby)

La thèse de D. Bertrand a été montée sur cette base.

Retombées du projet
Investigations pas encore transférables vers l’ingénierie : travail en cours


5) Valorisation du projet

Publications et communications
Publications associées au projet :
- Bertrand D., Nicot F., Gotteland P., Lambert S. (à paraître) « Modelling a geocomposite cell using discrete analysis ». Computers and Geotechnics.

Communication orale :
- Impact behaviour of innovative rockfall protection cellular structures: experiments and modelling. Lambert S., Bertrand D., Gotteland P., Nicot F. EGU, Vienne, 2-7 avril 2006.

Communication écrite :
- Comportement mécanique de géo-cellules impactées – application aux ouvrages pare-blocs. Lambert S., Gotteland P., Bertrand D., Nicot F. Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie. 27-29 JUIN 2006.
Pages Web
Rapport disponible : http://www.grenoble.cemagref.fr/etna/resultats/program_region/LAMBERTNEWPGRN.pdf

 

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