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28/01/200928/01/2009 AlAlééa cavita cavitéés sur la LGV Nords sur la LGV Nord-- ComprComprééhension des hension des phphéénomnoméénesnes et diagnosticet diagnostic 1

Ingénierie SNCF

Journée CFMS du 28/01/09 – Géotechnique Ferroviaire

JeanJean--Marc TERPEREAUMarc TERPEREAU

Aléa cavités sur la LGV Nord – compréhension des phénomènes et diagnostic



Cadre du Plan d’actions SNCF/RFF suite aux fontis r ecensés en 2000/2001

Expertise du Conseil Général des Ponts et Chaussées sur l’aléa fontis LGV Nord

�Evolution du comportement des limons sous différents états hydriques et sous sollicitations ferroviaires

� Indiquer les mécanismes de rupture et leur vitesse d’évolution


Objectifs



Organisation

Projet de recherches ambitieux en termes d’objectif s à atteindre d’où:

�Etape bibliographique préliminaire conséquente

�Compétences disponibles (couplage milieu non saturé et vibratoire)

�Des phases successives avec livrables intermédiaire s, probants pour le MOA, et exploitables par le MOE , pour justifier de la poursuite de l’action et de l’évolution du périmètre des recherches (démarra ge en 2002).



Bibliographie Géologie du quaternaire

� Würm 10 à 70 000 ans

� limons éoliens – lœss –granulométrie fonction de la distance à la source (Islande 4000km)

�Épaisseur de couverture liée au mode de dépôt (plus importante sous le vent en versant aval) généralement inférieure à 6 mètres au sud du parcours, et atteignant une dizaine de mètres coté Nord.

�Des épaisseurs beaucoup plus conséquentes en Chine et en ex URSS - enjeux économique ayant motivé un très important travail dé s le début du XXème siècle (Abelev et Abelev)

Produits de sortie

�Attention particulière à apporter à la compréhension de la stabilité du squelette granulaire. Mécanismes d’effondrabilité à quantifier

�Protocoles d’essais

�Macrozonage des dépôts lœssique le long du tracé de l a LGV Nord - Pierre ANTOINE / CNRS– lien avec le SIG.



Phases du projet

Phases Prestataires RésultatsCaractérisation géotechnique au laboratoire CERMES Cf. présentation

Reconnaissances sur un site test à Beugnâtre FUGRO Cf. présentation

Caractérisation de la sensibilité des lœss aux vibrations ferroviaires sous différents états hydriques

CERMES Cf présentation

Faisabilité de méthode de surveillance par suivi de l’évolution du signal train

LCPC Faisabilité avérée d’un suivi. Coût opérationnel prohibitif.

Faisabilité de méthode de surveillance d’un site par méthode géophysique (électrique)

CGG Faisabilité avérée d’un suivi. Coût de mise en œuvre non concurrentiel par rapport à un traitement préventif

Instrumentation en sondes TDR, géophone, accéléromètres du site test, modélisation.

Géodynamiques et Structures, Sols-Mesures, Divers

Exposition des fossés latéraux à des niveaux élevés de sollicitations dynamiques –Recommandations d’imperméabilisation à titre préventif

Outil d’Aide à la Décision de Traitement (qualification de l’aléa)

CERMES Recherches et Développement achevés (en phase d’intégration en terme d’outil)

Méthode alternative de traitement CERMES En cours –Etape pré-industrielle


Journée CFMS du 28/01/09 – Géotechnique FerroviaireLe site expérimental de Beugnâtre

Photographie prise lors du vol infrarouge de la ligne en septembre 2001


Pro

fond

eur

(m)

Description

Profondeur de la tranchée 5,5 m

Prélèvement d'échantillons

(Profondeur de prélèvement)

1,2 m

2,2 m

3,5 m

4,9 m

6

4

2

0 Couche végétale, couleur marron,sol sableux, présence abondante de racines.

Limon moyennement argileux ,couleur marron clair.

Limon moyennement argileux , couleur marron clair, humide.

Limon peu argileux,couleur marron clair à beige.

Limon peu argileux,couleur marron clair à beige.


Coupe de la tranchée de prélèvement


Sol S1 (1,20m)

S2 (2,20m)

S3 (3,50m)

S4 (4,90m)

ρρρρd (Mg/m3)

1,52 1,39 1,54 1,55

Cca (%) 10 12 11 16

% < 2 (µm)

20 16 16 18

wp 21 22 20 21

Ip 9 6 6 9

Succion s0 (kPa)

20 34 28 14

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1 10 100

Diamètre équivalent (mm)

Tam

isat

(%

)

h = 1.2 m

h = 2.2 m

h = 3.5 m

h = 4.9 m

Diamètre équivalent (µm)


Caractéristiques géotechniques des loess


Sol 2 – 2,20 (m)


Observation au MEB


10 20 30 40 50 60Limite de liquidité w

L(%)

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

ρ d (M

g/m

3 )

Effondrable Non effondrable

4

2

13


Effondrabilité selon Gibbs et Bara


Plot d'essais spécifiques : Réalisation de zones saturées

Sondage carotté

Sondages pressiométriques

Sondages au pénétromètre dynamiques

Sondages au pénétromètre statique

(avec pointes piézocône, sismique, pressiométrique et vidéo)

Sondages SPT

Sondages destructifs

Essais scissométriques

Essais au Dilatomètre plat Marchetti (DMT)

Mesures par diagraphies nucléaires


Liste des méthodes de reconnaissance déployées sur le site expérimental de Beugnâtre campagne FUGRO 2003


0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7

Sondages au pénétromètre dynamiqueRésistance dynamique Rd - MPa

PDA1 - 32kg

PDA102 - 32kg

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4 5 6 7

Sondages au pénétromètre statiqueRésistance de pointe qc - MPa

CPT1

CPT101

sur la réponse de sondages au pénétromètre dynamique et au pénétromètre statique (Campagne FUGRO 2003)En bleu : sondage sous état hydrique naturel,En rouge : sondage sous état proche de la saturation.


Exemple de l’influence de l’état hydrique (saturati on de la tranche 0 à 5m) Campagne FUGRO 2003


Frequency:

0.05 Hz


Essai au triaxial cyclique avec cellule de contrôle de volume (non saturé)


0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Temps (s)

0

10

20

30

40

Déf

orm

atio

n a

xial

e (%

)

Essais cycliques; σ3 = 25 kPaqi x 100 cycles : q = 0 - (20 + 10 x i) kPa

21.5 %

23 %

14 %

10 %

27 %

Journée CFMS du 28/01/09 – Géotechnique FerroviaireDéformations axiales sous différents états hydrique s)



Essais en laboratoire –Influence vibrations et état hydriques

Essais triaxiaux cycliques sous différents états hy driques Évolution du périmètre des recherches pour appréhender un phénomène nouveau

dans ces loess; la liquéfaction


0 4 8 12 16 20

ε1 (%)

-5

0

5

10

15

20

25

δu (

kPa)

0 40 80 120 160 200

Temps (s)

0

4

8

12

16

20

ε 1 (

%)

0 4 8 12 16 20

ε1 (%)

0

4

8

12

16

20

q (k

Pa)

0 5 10 15 20 25 30

p' (kPa)

0

4

8

12

16

20

q (k

Pa)

3 cycles 3 cycles

Journée CFMS du 28/01/09 – Géotechnique Ferroviaire Essais

de liquéfaction – qcycl. =14.9 kpa


0

0.4

0.8

1.2

1.6

0 50 100 150 200 N cycles

RC

Rtr

x

CRR1,20m CRR 2,20m CRR 3,50m CRR 4,90m


Courbes de liquéfaction


00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

2

0 500 1000 1500 2000N

ττ ττ /σ/σ /σ/σ

' c

w=34%

w=33%

w=32,2%

w=30%


Courbes de liquéfaction / instabilité


• Essais triaxiaux cycliques (à partir d ’un état saturé)

• Essais triaxiaux cycliques(à partir d’un état proche de la saturation)

• Essais d ’endommagement sur lapresse MTS(Effet de la fréquence et de l ’eau)

• Essais de porosimétrie à mercure

• Essais sur Bender element

Détermination des courbes de résistance à la liquéfaction

Détermination des courbes de résistance à la liquéfaction

Étude de l’effet de la fréquence de charge et de l’eau sur l’endommagement

Les effets sur la microstructure

Formulation d ’une méthode basée sur la variation de la vitesse de cisaillement


Essais en laboratoire –Influence vibrations et état hydriques


Effondrement sous saturation dû à la diminution de la succion

(mécanisme avéré aux effets relativement faibles suivant les classements internationaux)

Fatigue /Endommagement lié au grand nombre de cycles (mécanisme observable au laboratoire, sans impact dans les domaines usuels d’état

hydrique).

Instabilité caractérisée par l’apparition de grandes déformations (y

compris le phénomène de liquéfaction si le critère de liquéfaction est

vérifié - mécanisme principal )

La maîtrise des écoulements et des infiltrations, dans un contexte de plate-

forme ferroviaire globalement non étanche à la différence d’une plate-forme routière, doit être recherchée.


Essais en laboratoire – Les trois mécanismes identif iés


Compréhension et quantification des différents mécanismes liées aux variations d’état hydrique/et vibratoire des lœss affectant la stabilité du squelette granulaire,

Choix de méthodes d’investigations pertinentes adaptées au contexte ferroviaire,

Diagnostic éclairé lors d’examen des résultats d’investigations compte tenu de cette sensibilité, définition de seuils pour le géotechnicien,

Préconisations d’imperméabilisation de fossés terre de plate-forme et surveillance de l’état du réseau de drainage (référentiel de surveillance spécifique de la ligne).

Tous le moyens pour la maîtrise optimale de l’aléa ont été mis en œuvre.


Conclusions



Remerciements

RFF pour son support financier,

Les différents contributeurs à ses projets, et tout particulièrement le CERMES avec lequel un véritable partenariat scientifique a été mis en œuvre et sans lequel nous n’aurions pas pu aller aussi loin dans la pertinence des réponses apportées,

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