Modèles physiquesen géotechniqueI - Evolution des techniques expérimentales

et des domaines d'application(1)

L'expansion rapide de la modélisation en centrifugeuse,depuis le début des années 80, s'explique d'abord par lesprogrès technologiques dont a bénéficié la méthode dansles domaines de l'informatique, de l'électronique et de lamécanique. De nombreux outils ont été développés pourréaliser les interventions sur le modèle en cours decentrifugation. Les appareils mono-fonction permettentpar exemple de pratiquer des essais géotechniques insitu, d'exercer des sollicitations statiques, cycliques,dynamiques voire sismiques, de construire des remblais,de terrasser des excavations ou des tunnels, de battre despieux isolés ou en groupe, d'exécuter des colonnesballastées ou de faire du compactage d5mamique. Avec lerobot récemment mis en service sur la centrifugeuse duLaboratoire central des ponts et chaussées (LCPC), il estpossible d'enchaîner des opérations différentes, sansarrêt de la machine, grâce aux outils interchangeablesqu'il peut mettre en æuvre.Les techniques de préparation et de caractérisation desmassifs de sol sont par ailleurs bien maîtrisées du moinspour les sols secs et saturés. Elles permettent de disposerde façon très répétitive de massifs homogènes dont lespropriétés peuvent être choisies à l'avance. Lescaractéristiques rhéologiques des sols soumis àmacrogravité et les états de contraintes qui y règnent ontété largement étudiés. De nouvelles données sont aussidisponibles sur les propriétés d'une couche non saturéecentrifugée, sur l'ascension capillaire, sur lesdistributions de teneur en eau et de succion.De nombreuses expériences sur modèles réduits ont étéconduites ces dernières années dans deux domainesd'application émergeants : étude de l'effet de séismes surles sols et sur les interactions sols-structures et étude dela migration de polluants dans les sols.Compte tenu des énormes marges de progrèstechnologique et scientifique qui existent, il estextrêmement diffTcile d'imaginer ce que seront lesmodèles réduits géotechniques dans une ou deux décadeset quelle sera leur place dans les études et recherches engéotechnique.

Mots-clés : modèle physique, modèle réduit,centrifugeuse géotechnique, macrogravité.

The rapid expansion of centrifuge modelling since thebeginning of the 1980's can be explained by technologicaldevelopments in computing, electronics and mechanics. Manytools have been developed to conduct operations on the modelin flight. Single-function devices enable, for example, carryingout in sifu tests, applying static, cyclic or dynamic loads,

ti ,J;,GARN:IER

LCPCRoufe de Bouaye, BP 4129

4;4B 4 1, B oùW.eni,àii,, Ce d, e x

l'slIEl=lull.ollÉ

Physical models in geotechnicsI-Evolution 0f the experimental techniques

and of the domains of application

(1), Ce! ârticle l.ê.prCId,u,it,, la, premiè repârti.ê.,de,,lâ, ù*iennale C,ôu,Iomb, pro-noncée par l'auteur dans Ie cadrede la Conférence Caquot (Pàris,CNIT LarDéfensè, 3 ôctobre,2001).

IEWt2ffi

3REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N'974e hrimestre2001

building embankments, simulating excavations, boring tunnels,driving piles and pile groups, making sand compaction piles,and simulating dynamic compaction. More recently, with theonboard robot that has been placed into operation at the LCPCresearch faciiity, it becomes possible to perform severaidifferent operations on the model without stopping thecentrifuge.Soil sample preparation and characterisation techniques arenow well-controlled, at least for saturated or dry soils, and allowproducing very homogeneous and repetitive samples. Thephysical and mechanical properties and the actual state ofstresses in the sample during centrifugation have beeninvestigated in depth. A new set of results are now also availableon the characteristics of a centrifuged unsaturated soil, withrespect to capillary rise as well as water content and suctiondistribution.Much work has also been accomplished these past few years indeveloping two domains of application for centifuge modelling :

earthquake simulation and transport of pollutants in soils.In light of the tremendous room for progress in improvingcentrifuge technology and in extending its fields of application,it is difficult to imagine what geotechnical centrifuge modellingwill become in a decade or two and what will be then itscontribution to research and study in the field of geotechnicalengineering.

Key words: physical model, similitude, scaling laws, scale effect,geotechnical centrifuge, foundation.

EIntroduction

Lors des dernières décennies, les moyens d'étudeset de recherche du domaine géotechnique ont tousconnu des évolutions considérables, qu'il s'agisse desessais en place et en laboratoire,, des modèles rhéolo-giques et numériques ou des modèles physiques. Lamodélisation physique en géotechnique est aujourd'huiune méthode reconnue mais, pour des raisons de simi-litude, elle nécessite des installations ass ez lourdescomme les chambres d'étalonnage ou plus souventencore les centrifugeuses. Les progrès et le développe-ment considérables de cette méthode expérimentaledurant ces quinze dernières années peuvent s'expliquerpar deux raisons principales :

- elle a largement bénéficié des évolutions technolo-giques dans les domaines de l'électronique et de lamesure, de l'informatique, de la mécanique, de la vidéoet du traitement numérique d'images ;

- ses domaines de validité et ses limites sont mieuxconnus du fait des travaux récents sur les conditions desimilitude.

L'extension constante des domaines abordés par lesmodèles physiques peut être constatée en examinant lecontenu des publications scientifiques et en particulierles actes des congrès internationaux organisés périodi-quement depuis 19BB (Centrifuge BB à Paris, Centrifuge91 à Boulder, Centrifuge 94 à Singapour et Centrifuge98 à Tokyo). Ces manifestations dont la prochaine édi-

tion se tiendra en 2002 à St John's (Canada) sont pla-cées sous l'égide du Comité technique internationalTCZ (Centrifuge and Physical Model Testing) de laSociété internationale de mécanique des sols et de lagéotechnique.

Quelques articles et ouwages de synthèse sont aussidisponibles (Schofield, 1980 ; Craig et al.,19BB ; Taylor,1995) mais les techniques d'essai ne cessent d'évoluer,de nouveaux champs d'application sont abordés et denouvelles données sont désormais disponibles sur lavalidation de la méthode.

-

Rappel des principes et de l'histoirede la modélisation physiqueen géotechnique

ffiSimilitude en mécanique

Les essais sur modèles réduits d'ouvrages géotech-niques sont une pratique très ancienne et les plusgrands auteurs y ont eu recours dans le passé, sans quene soient alors évoquées les questions de similitude nila représentativité des modèles. Taylor dès 1,948, puissurtout De Beer avaient pourtant détecté de premierseffets de taille sur la portance des fondations superfi-cielles sans que des conclusions n'en soient clairementtirées sur l'usage des modèles réduits (De Beer, 1965).Ces effets se traduisent par une différence de réponseentre le modèle réduit et l'ouwage en vraie grandeur(appelé aussi prototype) lorsque les résultats sont tra-duits en valeurs adimensionnelles.

Jusqu'à un passé assez récent, la similitude géomé-trique (simple réduction de taille) était en effet implici-tement supposée être une condition suffisante pourgarantir la similitude de comportement. On sait pour-tant depuis longtemps que la seule similitude géomé-trique est le plus souvent un obstacle à Ia similitudemécanique. Dès 1638, Galilée avait fait ce constant ens'interrogeant sur la résistance des os de deux animauxde tailles différentes (Szucs, 1980). Il avait conclu decette réflexion que la substance constituant les os duplus grand animal devait nécessairement être d'unenature différente de ceux du plus petit pour garantir lamême sécurité et donc le même comportement méca-nique.

L'étude théorique des conditions de la similitudemécanique n'a été examinée qu'au début du xx' siècleet a conduit aux théorèmes bien connus de Vashy(1892) appelé aussi théorème de Bukingham (1,914)dans les pays anglo-saxons ou encore théorème des rc

dans les pays de l'Europe de l'Est. La similitude decomportement entre le modèle et l'ouvrage en vraiegrandeur implique qu'il existe des rapports constantsappelés facteurs d'échelle X* (X* - Xm/Xp) entre lesvariables Xm représentant le système Sm (modèleréduit) et les variables Xp décrivant le système Sp (pro-totype). Les conditions de similitude s'exprimerontfinalement comme des relations entre les facteursd'échelle X* ou, de façon tout à fait équivalente, parl'existence d'invariants (produits de puissance rc indé-pendants et sans dimensions) qui doivent conserver les

4REVUE FRANçAISE DE GËOTECHNIQUEN'974e trimestre 2001

mêmes valeurs, qu'ils soient évalués avec les variablesmodèles ou avec les variables prototypes.

Le théorème de Vashy est toutefois une conditionnécessaire mais non suffisante pour déterminer lesinvariants (Langhaar, 1951) et Butterfield (1999) enimposant deux conditions supplémentaires a récem-ment proposé un algorithme qui fournit tous les inva-riants. Une formulation plus mathématique de l'analysedimensionnelle a été également présentée par Saint-Guilhem (1971) conduisant à plusieurs théorèmes géné-ralisant les résultats obtenus par Vashy.

Tous les systèmes physiques doivent évidemmentsatisfaire aux équations indéfinies de la mécanique etl'analyse dimensionnelle effectuée sur les variablesintervenant dans ces relations conduit aux conditionsde similitudes maintenant bien connues :

d - p*g*I* et €* = g*t*' (1)

reliant les facteurs d'échelle o* sur les contraintes, p*sur les masses volumiques, g* sur les composantes duchamp de pesanteur, p* sur les longueurs, (* sur lesdéplacements et t* sur le temps. Les deux relations (1)

sont parfois réunies sous la forme :

o.t'-1 ouencore 'l,t-?-t (2)et(3)* t*) * tl<Ap|- pt

si on remarque que l'échelle des forces F* est égale ào*l*2. Cef[e dernière relation est souvent appelée condi-tion de Newton. Dans le paragraphe qui suit, nous rap-pelons les conséquences de ces conditions de simili-tude dans le domaine géotechnique.

ry HffiHHIIii

Application aux sols

En mécanique des sols, Ia prise de conscience del'importance des conditions de similitude a été beau-coup plus laborieuse que dans d'autres disciplines. Lestravaux les plus marquants dans ce domaine sont assezrécents et sont dus à Rocha (1955), Langhaar (1,951),

Pokrowski et Fyodorov (1975a et b), et en France àMandel (1962), Luong (1964) et Kerisel (1972).

La méthode expérimentale qui paraît la plus natu-relle et la plus immédiate consiste à réaliser des essais

Caisson à effet de succion

sur des modèles de laboratoire dont toutes les dimen-sions sont réduites par rapport au prototype dans lemême rapport 1,/n. Elle n'est pas, hélas, sans poser degraves problèmes de similitude puisque toutes lescaractéristiques mécaniques des matériaux constituantle modèle (déformabilité, viscosité et fluage, critère deplasticité) doivent alors être réduites dans ce mêmerapport 1,/n comme l'a montré Mandel (1962) et commel'avait pressenti Galilée (cf. S 2.1 ci-dessus).

I1 est évidemment impossible de satisfaire cesconditions dans le cas des sols même si des tentativesassez poussées ont été faites dans ce sens. D'impor-tantes études ont en effet été conduites en Union Sovié-tique pour mettre au point des matériaux équivalentset réaliser ainsi des expériences sur modèles réduitsdans le domaine de la mécanique des roches et dugénie minier (Glushikhin et a1.,1993) . La méthode bap-tisée EM (Equivalent Materials) a connu de nom-breuses applications à l'Institut VNIMI (Institut derecherche scientifique pour l'exploitation minière) maisces travaux sont restés très isolés.

D'innombrables essais ont donc été effectués pen-dant des décennies sur des modèles réduits de labora-toire, sans soucis ni respect des conditions de simili-tude. Nous avons montré que le comportement de cesmodèles pouvait être très différent de celui desouvrages en waie grandeur y compris sur le plan qua-litatif (Garnier, 1995 et 1997). Les biais introduits peu-vent conduire à des divergences radicales, par exemplesur les mécanismes de rupture eux-mêmes, commel'illustrent les exemples de la figure 1.

Le comportement des sols et des matériaux granu-laires est éminemment fonction de l'histoire et duniveau des contraintes auxquelles ils sont soumis. Il estdonc essentiel de reproduire sur Ie modèle réduit lesmêmes états de contraintes que ceux qui règnent dansl'ouwage en vraie grandeur ce qui conduit à imposerla condition supplémentaire suivante :

o*-LIJne première méthode de modélisation physique

repose sur le respect de cette seule condition (4).I1s'agit des chambres d'étalonnage qui sont de grandescellules triaxiales utilisables s'il est possible d'admettreun état de contraintes homogène dans le massif de solet si le phénomène étudié n'est pas affe cté parl'absence de surface libre.

Fondation sur sol renforcé de géotextile

(4)

ffiMécanismesderuptureobservéslorsd,essaisd,ancragesàeffetdesuccion

Modèle réduit :

Défaut de tractionOuvrage réel :

Rupture généraliséeModèle réduit :

Défaut d'ancrageOuvrage réel :

Déchirure du géotextile

et lors du chargementde fondations sur sol renforcé de géotextile.Failure mechanisms observed during loading tests on suction caisson and on footings lying on reinforced soilwith a geotextile.

5REVUE FRANçAIsE or cÉorecHNreuE

N" 974e trimestre 2001

Lorsque le gradient de contraintes avec la profon-deur ne peut plus être négligé ou lorsque la surfacelibre intervient, les chambres d'étalonnage ne sontplus adaptées et d'autres techniques doivent êtrerecherchées. Les conditions (1) et (4) peuvent êtresatisfaites simultanément si le modèle réduit à l'échelle1/n est testé sous une accélération n fois supérieure àla pesanteur et nous avons recensé les diverses solu-tions imaginées et testées par différents auteurs (Gar-nier, 1995) :

- caisse à choc ;

- masses suspendues ou câbles tendus ;

- table à frottement ;

- gradient hydraulique ;

- centrifugeuse.En fait, la centrifugation des modèles réduits s'est

aujourd'hui très largement imposée en raison des avan-tages qu'elle présente et des progrès technologiquesrécents qui ont décuplé ses domaines d'application.

ffiBref rappel de l'histoireet du développement des essaisen macrogravité

L'histoire de la modélisation en centrifugeuse desorigines jusqu'au début des années 70 a été retracéepar Craig (1,974) et Pilot (1975). L'ouvrage édité parCraig et al. (1988) complète et prolonge cet historiquequi est résumé et actualisé dans les quelques lignes quisuivent. La première publication proposant d'avoirrecours à la centrifugation pour réaliser des essais surmodèles réduits date en fait de 1869. Il s'agit d'uncompte rendu à l'Académie des sciences du à Phillips(Fig. 2a), professeur à l'École polytechnique, à l'Écoledes minei et à l'École centrale et dont la biographie aété publiée par Craig (1989). Les premiers essais n'onttoutefois été réalisés qu'au début des années 30, simul-tanément aux USA (Bucky, 1931) et en URSS (Daviden-kov, 1933; Pokrovskii, 1933) sur de petites machinesassez rudimentaires.

(a) Phillips

ffi,ffi Photographies de Phitlips, BuckyPhillips, Bucky and Pokrowskii.

En URSS, plusieurs dizaines de centrifugeusesbeaucoup plus évoluées ont ensuit e été mises en ser-vice entre 1930 et 1970 (Pol'shin, 1973). Le développe-ment a été totalement différent hors du bloc soviétiquepuisque, après Bucky, il faut en effet attendre plus detrente ans avec les années 60 où Hoek (1961) en Afriquedu Sud, Ramberg (1963) en Suède, Schofield en Angle-terre (Avgherinos et Schofield, 1969) et encore Mikasaet al. (1969) au Japon redécouvrent l'intérêt des essaisen macrogravité et construisent de nouvelles machines.

L'impulsion la plus déterminante est à mettre aucrédit des universités de Manchester (Simon Labora-tory et Institute of Science and Technology) et de Cam-bridge, où au début des années 70 plusieurs centrifu-geuses spécialement conçues pour les essais engéotechnique ont été mises en service respectivementpar les groupes de Rowe et de Schofield.

En France les premiers essais sur modèles dans ledomaine géotechnique sont réalisés par le Laboratoirede mécanique des solides de l'École polytechnique dès1973 (Habib, 1,974; Mandel et aI., 1975 ; Zehkson etBergu es, 1979) puis par l'Institut français du pétrole (LeTirant et al., 1977) et par Ie LCPC (Pincent et aI., 1,977 ;1978). Tous ces essais ont été effectués sur la centrifu-geuse du CEA-CESTA (Centre d'études scientifiques ettechniques d'Aquitaine du Commissariat à l'énergieatomique) qui n'est cependant pas une installationdédiée à Ia modélisation physique en géotechnique(Fig. 3a). Une revue complète des premières études réa-Iisées sur modèles centrifugés en France a été présen-tée par Corté (1,988).

Le projet de construction en France d'une centrifu-geuse spécialement conçue pour le domaine géotech-nique a été initié au début des année s 70, avec le sou-tien constant du CFMS (Comité français de mécaniquedes sols). La mise en service de f installation sur lecentre de Nantes du LCPC (Fig. 3b) est intervenue fin1985 (Corté et Garnier, 1984 et 1986).

Le parc mondial actuel des centrifugeuses géotech-niques compte un peu plus de soixante installationsdont la moitié en Asie, une quinzaine en Europe etautant en Amérique du Nord. Le tableau I présente lesmachines de plus de 3 m de rayon. Comme on peut le

&) Bucky

et Pokrowskii.

6REVUE FRANçAISE DE GÉOTECHNIQUEN'974e trimestre 9001

(c) Pokrowskii

constater, la société française Actidyn Systems (précé-demment Acutronic France) qui a conçu la centrifu-geuse du LCPC en 1985 est devenue leader mondial dece domaine.

Les centrifugeuses les plus répandues sont desmachines dont le rayon se situe entre 1,5 m et 5 m, quipeuvent embarquer des modèles de 0,5 à 2 tonnes et quigénèrent une accéIération maximale entre 150 et 250 g.

Nous avons reproduit sur la figure 4la progressionde Ia capacité cumulée (en tonne x g) Ou parc mondialdes centrifugeuses de plus de 3 m de rayon et sur lafigure 5 le nombre cumulé de centrifugeuses japo-naises, toutes tailles confondues (Kimura, 2000). Cesfigures montrent que le parc est très récent puisque les

installations ont été pour l'essentiel mises en servicedepuis 1985.

(a) Centrifugeuse du CEA-CESTA. (b) Centrifugeuse géotechnigue du LCPC.

ffiCentrifugesutiliséesenFrancepourlamodélisationphysiqueengéotechnique.Centrifuge facilities used in France for physical modelling in the field of geotechnics.

Grandes centrifugeuses géotechniques (rayon supérieur à 3 m) actuellement en service dans le monde.Large centrifuges (radius larger than 3 m) currently in service throughout the world.

France (Bordeaux)UK (Manchester)UK (Cambridge)Japon (Yokosuka)Chine (Wuhan)France (Nantes)Chine (Chengdu)RFA (Bochum)Japon (Chuo)Pays-Bas (Delft)USA (Boulder)USA (New York)Australie (Perth)USA (Davis)Japon (Tokyo)Chine (Nanjing)Chine (Beijing)Japon (Kawasaki)Canada (St John's)Japon (Tokyo)USA (Vicksburgh)Japon (Tsukuba)Corée (Suwon)Japon (Kawanaga)Chine (Hong-Kong)Ecosse (Dundee)Japon fTokyo)USA (San Diego)Brésil (Rio)Égypte (Mansoura)

CEA-CESTA*UniversitéUniversité

PHRIYRSRILCPC"*CHIDI

UniversitéUniversité

Delft Geotechn.Université

RPI"*Université**UniversitéKajima**

NHR]IWRI

Niken Sekkei"nC-Core**

Takenaka**US Army Corps**

PWRIDaewoo*"

NishimatsuHKUST

Université**Obayashi Co.Université**Université

Université*n

1964197 1

197 41 98019831 9851 98519871 9BB

1 9891 98919891 9901 99019901991199119921 9931 9931994199719971 9981998199920002001

ProjetProjet

103,24,83,86

5,55,44,13

O

5,5J

3q23

5

5

3

5,57

6,56,63

3,84,53,5

7

3,533

2

2

1

2,70,52

222

1

3,52

1

1

3,61

1,51,522

1

3

3

5

1,,2

1,32,60,8

7

0,81

1,,2

100200160115400?20010025015030020020020070200200300200200200300150200200150130120130200130

lREVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 974e trimestre 2001

* installation non spécifique au génie civil ; *" réalisation Acutronic-Actidyn Systems.

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Les centrifugeuses à poutre équipées d'unenacelle pivotante sont de très loin les plus utiliséesmais quelques centrifuges à tambour (Figs 6 et 7) sontégalement en service dans les universités de Cam-bridge, de Perth (Steward et al., 1998), d'Hiroshima(Gurung et aI., 1998) et à ETFI Zurich (springman efaI., 2001). Les techniques et les outils spéciaux néces-saires à ces essais ont été très récemment décrits parLaue (2001).

Pour être complet, il convient de mentionner aussila machine bi-poutre spécialement conçue par Mitchell

1 2000

1 0000

8000

6000

4000

2000

0

1 960 1 970 1 980 1 990 2000 201 0

Amée de mise en service'|lffili#.!*ilfjË!$ Capacité cumulée du parc mondial

des centrifugeuses géotechniques de plusde3mderayon.Total number of Japanese geotechnicalcentrifuges in operation (data from Kimura,2000).

^^Y'

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^,fr||07

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AffÉ de fiise enssrbe

iffi+#$*i*f'î;'Ïj#lffi:t#j*fi Nombre cumulé de centritugeus e s mi s e sen service au Japon d'après les donnéesde Kimura (2000).Cumulative capacity (in tonn. * g) of the largecentrifuges listed in Tabie I (radius larger than3 m).

pour réaliser des essais de longue durée sur le trans-fert de polluants dans les sols ou encore des essais dediffusion et de mesure de conductivité hydraulique(Theriault et Mitchell, 1996 ; Mitchell et a1.,2000).

Ce développement rapide du parc des centrifu-geuses et donc de l'activité a conduit à plusieurs initia-tives pour assurer la diffusion de l'information et leséchanges :

iiliiiiii iiiiïiifiiiiii#i#ifi,ffi,ffiffiiiilii Centritugeuse tambour de ETH Zurich etoutil de terrassement (Laue, 2OO7).The ETH Zurich drum centrifuse.

iiiiiiiiiiiïiiiïiiiiiii:iitiiiiiiii:iiiitiffiWirtiiiiil Centritugeuse tambour de l'université dePerth.The Perth University drum centrifuge.

- organisation de conférences internationales pério-diques (cf. S 1) ;

- création sous l'égide du Comité technique TCZ d'unerevue internationale IJPMG dont les premiers numérossont parus en 2001 (International Journal of PhysicalModelling in Geotechnics) ;

- constitution d'une base de données regroupant lesréférences des publications scientifiques portant sur lamodélisation en centrifugeuse (Thorel et a1.,2000). Cettebase CLEOPATRE dont l'élaboration a débuté au LCPCau début des années B0 sera prochainement accessiblesur Internet (http :/ /necer.lcpc.frlcleo).

Dans ce bref rappel de l'évolution de la modélisa-tion physique en géotechnique, il faut aussi soulignerle soutien constant que la communauté des centrifu-geuses européennes a reçu de la Commission Euro-péenne avec Ie financement de trois programmes suc-cessifs, initiés et coordonnés par le LCPC :

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IREVUE FRANçAISE DE GÉOTECHNIQUEN'974e trimestre2}}1

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- Stimulation (1986-1988) avec trois partenaires (Centri-fuge modelling of shallow footings),

- Science (1992-1995) avec cinq partenaires (Improve-ment of centrifuge modelling techniques),

- Réseau NECER (1996-2001) avec onze partenaires(I'{etwork of European Centrifuges for EnvironmentalGe ote chnics Re se arch) .

-

Évolution des techniquesexpérimentaleset des domaines d'application

Nous allons tenter de donner un aperçu desméthodes et de techniques récemment mises au pointpour réaliser les principales phases d'une expérimen-tation sur modèles et en particulier les interventions encours de rotation et la préparation et la caractérisationdes massifs de sol nécessaires aux essais.

ryInterventions sur Ie modèleen cours de centrifugation

ïriiiiifriiiiii*ÏiiiiI';iiIiiiT#iiï

Mesures et observations

Toutes les grandeurs physiques courammentmesurées sur les ouvrages réels sont aussi accessibles

(a) Capteur capacitif hautefréquence sur colonned'essai.High-fréquency capacityprobes on a centrifuge columntest (Dupas et a1.,2000).

0.0 2m.0 400.0 6m.0

Tarx èconptaæ (cpÙ

(b) Étalonnage de la mesure deteneur en eau par traceursradioactifs.Measurement of water content byradiotracers (Gunzel et al., 2000).

ffiffiTechniquesetcapteursspéciauxdéveloppésparleréseaueuropéenSpecial techniques and sensors developed by the European network NECER

90

sur modèles centrifugés en utilisant des capteursadaptés (déplacement, rotation, déformation, pres-sion, force, accélération, température...). Par ailleurs,de nouvelles techniques de mesures et de nouveauxcapteurs sont apparus récemment comme, parexemple :

o mesure de déplacements sans contact par capteurIaser (Itoh et aL.,1998 ; Dyson et Randolph, 1998 ; Hori-koshi et al., 1998) ou ultrasons (Sassa et Sekiguchi,1999). Ces capteurs sont parfois montés sur un axemobile permettant de relever des profils complets(Nomoto et a1.,1,999) ;

o mesure de vitesse de propagation par barues Hopkin-son (Bruno & Randolph, 1999) ;

o mesure de teneurs en eau en sol non saturé à l'aide desondes TDR (Time Domain Reflectometry) par Crançonet aI. (2000) ou sondes capacitives haute fréquence(Dupas et a1.,2000) ;

. suivi de la migration de polluants par différentes tech-niques développées en particulier par le réseau euro-péen NECER (Fig. B) : capteurs photométriques à fibreoptique, capteurs résistifs, capteurs à électrode depotentiel, traceurs radioactifs, tomographie de résisti-vité, traitement numérique d'images (Garnier et al.,2000b) ;

o méthodes de traitement d'image pour le suivi en2 dimensions ou en 3 dimensions (en associant plu-sieurs caméras) des déplacements de sols, de struc-tures, de fluides (Fig. 9). Pour les essais dynamiques,les moyens les plus récents permettent des cadencesd'acquisition atteignant 2 000 images par secondes(Okamura et a1.,2001).

Capteur Mark 4de Cambridge.Sensor Mark 4 of Cambridoe.

W,1:,,.,.:,;;,:iii..l...,....';...'......',...';...;.

Capteur du LNEC.Sensor of the LNEC.

(c) Capteurs à fibre optique.Fibre-optic photometric sensor(Lynch et a1.,2000).

NECER.for geoenvironmental centrifuge testing.

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9REVUE FRANçAIsE oe eÉorecHNreuE

N" g7

4e trimestre 2001

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Opérations rë,alisëes en cours de rotation

Le chargement des structures et la caractérisationdes massifs de sol doivent évidemment être effectués encours de centrifugation, lorsque l'accélération d'essai

et Watson et Randolph (1998) ont par ailleurs proposéde nouveaux essais en place pour la mesure de la cohé-sion non drainée des argiles (T-bar et Torsional plateload testsl.

Pour compléter la connaissance des caractéris-tiques mécaniques des massifs centrifugés, nous avons

(c) Déplacements de points du sol sous une fondationfilante en bord de talus.Soil displacements below a strip footing close to a slope(Garnier et al., 1999b).

(d) Mécanisme de rupture sous une fondation filantesur sol horizontal.Failure mechanisms and shear bands below a strip footingon flat ground [Garnier, 1999).

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(a) Tassement de la surface du sol dû à l'effondrementdu front d'un tunnel.Soil settlement due to the failure of the front face of a shallowtunnel (Taylor et a1.,1998).

(b) Suivi d'un panache de polluant atteignant la nappe.Determination of the contour of a polluant plume reachingthe water table (Allersma et Esposito, 2000).

Exemples de traitement numérique d'images.Examples of digital image processing application in centrifuge tests.

est atteinte. Des équipements ont été développés auLCPC (Fig. 10) comme sur la plupart des centrifugeusesen activité et les interventions suivantes sont désormaisune pratique très courante (Garnier et a1.,1999b) :

o chargement des ouvrages par des vérins pneuma-tiques, électriques et hydrauliques, asservis en force oudéplacement lorsque des chargements complexes sontsouhaités (Fig. 1,0a) ;

o essais in situ (pénétromètre statique et scissomètre)souvent installés sur des dispositifs permettant de lesdéplacer sans arrêt de la centrifugeuse (Fig. 10b). Despiezocones sont parfois utilisés (Esquivel et Ko, 1994)

par ailleurs entrepris la conception d'un minipressio-mètre comprenant un contrôleur pression-volume etune sonde de 10 mm de diamètre (Fig. 11a). IJnexemple de résultat d'essai effectué dans un massif desable de Fontainebleau sous une accélération de 20 gest reproduit sur la figure 11b. Les caractéristiquespressiométriques (module E- et pression limite p,) ontété comparées aux résistanCes de pointe e. du péné-tromètre statique et les relations suivantes ont étéobtenues :

(5)

10REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'974e trimestre 9001

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(c) Pales du scissomètre.Vane blades.

(d) Pointe pénétrométriqueavec capteur intégré.CPT tip and load cell.

(a) Servo-vérin hydrauliqueconçu spécialement pour lesessais en macrogravité.Hydraulic servo-jacks speciallydesigned for centrifuge tests. (b) Pénétromètre et scissomètre

mobiles.Mobile CPT and vane devices.

W#ffi$âWffi Quelques dispositifs LCPC d'intervention sur le modèle en cours de rotation.LCPC devices for in-flioht oDerations.

Ces rapports sont assez proches des valeurs sou-vent observées dans les sables bien que la déformationde la cavité soit plutôt ici à tendance sphérique . L'éIan-cement réduit de la sonde modèle est imposé par lesforts gradients verticaux qui règnent dans les massifscentrifugés. Les travaux vont se poursuivre avec pourobjectif final la conception d'un minipressiomètre quipourrait être mis en æuvre par le robot présenté plusbas.

Pour d'autres interventions plus spécifiques,diverses techniques et de nombreux matériels mono-fonction ont été par ailleurs conçus permettant de lar-gement diversifier les applications des modèles phy-siques. Les opérations suivantes sont assezrépandues :

(a) Sonde dilatée.Dilated probe.

$liiiiiiii.#i'if##.l*#ii'#frfri 4iç;ni Prototype LCP C de minipre s siomètre.LCPC miniaturised pressuremeter.

Battage et fonçage de pieux. La figure 12 présente lebatteur hydraulique développé au LCPC et utilisé pourl'étude expérimentale des lois de similitude du battage(Sieffert et Levacher, 1995). Un batteur électromagné-tique a aussi été mis au point dont une nouvelle versionest utilisée actuellement dans l'étude de pieux souschoc latéral (Bonab , 2002). D'autres équipes ont conçudes rnatériels équivalents comme par exemple le CEA-CESTA (Zelikson et al., 1994),l'université de Perth(Bruno et Randolph, 1999 ; de Nicolas et Randolph,1999) et l'université Tsinghua de Pékin (Pan et aL.,1999).

Des dispositifs permettant de foncer des pieux iso-lés ou en groupe, verticaux ou inclinés, sont égalementutilisés dans les universités de Floride (Zhang et aI.,1999) et de Singapour (Leung et a1.,2001).

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prucrlon [kPe](b) Courbe pression-volume - Essai réalisé sous 2O g en sable dense.Volume vs pressure curve - Pressuremeter test carried out in dense sandat 20 s.

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11REVUE FRANçAIsE or cÉorEcHNteuE

N'974e trimestre 2001

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(a) Batteur développé au LCPC.LCPC hydraulic hammer(Sieffert & Levacher, 1995).

|ïiiiiiiiliiiifiiiiiiiiiriiïgiffi;4;ffjiiiii Dispositifs de battase de pieux.In-flight pile-driving systems.

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(b) Batteur de l'universitéde Western Australia.Hammer developedat Western Australia University(de Nicola & Randolph, 1994).

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(c) Batteur de l'université Tsinghuade Pékin.Hammer at Tsinghua University(Pan et aL.,1999).

Après mise en place du pieu ou du groupe, il estpossible avec ces mêmes équipements d'enchaîner lesopérations de chargement vertical ou horizontal despieux sans arrêt de la centrifugeuse.o Construction de remblais, simulation d'excavations.La méthode la plus courante pour construire un rem-blai consiste à installer une trémie au-dessus dumodèle, dans laquelle est stocké le sable qui constituerale remblai. L'ouverture contrôlée des différentes cel-lules permet de construire un remblai de géométriedonnée, en plusieurs phases si nécessaire, reconnais-

sables sur la figure 13 aux couleurs différentes du sableutilisé (Akou et al., 1998). Des matériels fondés sur lemême principe sont utilisés dans de nombreux labora-toires (Allersma, 1994; Allard et aI., 1994; Khoo et aI.,1994; Thomas ef al., 1,998 ; Rahman ef aL,2000, McVayet a1.,2000 ; Sharma et Bolton , 2001).

Ces dispositifs sont par exemple utilisés lors del'étude du comportement de remblais et de digues sursols compressibles renforcés ou non, de l'élargisse-ment de remblais anciens, du frottement négatif sur lespieux.

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(b) Remblai construit en plusieurs phases en cours de centrifugation.Embankment built in flight in several stages.

(a) Vue de la trémie.View of the hopper.

ffiTrémieLCPCdeconstructionderemblaisencoursdecentrifugation'LCPC hopper for in-flight construction of embankments (Akou et al., 1998).

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12REVUE FRANçAIsE or cÉorccHNreuEN'974e trimestre 9001

Le terrassement de fouilles et de déblais est le plussouvent simulé en évacuant un liquide contenu dansune membrane souple épousant la forme de la fouille.Un liquide de poids volumique voisin de celui du sol estutilisé (ZnClr). Cette technique simple ne simule toute-fois pas exactement l'état de contraintes qui règneavant l'excavation puisque le fluide n'exerce que descontraintes normales.

Une autre solution a été imaginée par Allersma(1998) en éliminant le sol de la fouille par traction surdes nappes de géotextiles préalablement noyées dansle massif (Fig. 14a). Toutefois, la simulation la plus fidèlereste le terrassement réel du sol qui nécessite le déve-loppement d'un dispositif spécial (Fig. 14b). Le robotdu LCPC présenté plus loin permet également cetteopération de façon beaucoup plus évolutive.r Autres appareils d'intervention monofonction (Fig.15). Des techniques et des matériels plus exceptionnelsont été développés pour le creusement de tunnelscomme par exemple les tunneliers miniatures de l'Ins-titut de Technologie de Tokyo (Fig. 15a) et de l'lJniver-sité de Bochum (Fig. 15b), pour la mise en place decolonnes ballastées (Ng et al., 1998), pour Ia mise entension de tirants d'ancrage d'une paroi (Takemura efal., 1999) ou pour le compactage dynamique du sol(Takada et Oshima, 1994; Merrifield et Davies, 2000).

Des expériences sur modèles en macrogravité sontégalement conduites dans des domaines plus éloignésde la mécanique des sols :

- explosions souterraines et formation de cratères(Davies, 1994; Brownell et al., 1,994, Dutheil, 1998) ;

- érosion du sol marin sous I'effet des vagues avec miseen æuvre d'un batteur à houle (Sassa & Sekiguchi,2000) ;

portance d'une couche de glace et surchargesinduites sur les ouvrages, avec fabrication de la glaceen cours de rotation (Langhorne et al., 1999).

(a) Déroulement de nappes de géotextile noyées.Use of geotextile bands (Allersma, 1998).

. Robots. Tous les dispositifs ci-dessus montrent l'éten-due des domaines qui sont aujourd'hui accessibles à lamodélisation physique mais des matériels spécifiquesdoivent être mis au point pour chaque nouvelle appli-cation. A la suite d'essais sur le comportement deparois de soutènement, nous avions signalé dès 1983l'intérêt de développer un robot multifonction permet-tant d'enchaîner différentes opérations sur le modèle(Garni er, 1983).

Plusieurs années ont été nécessaires pour concevoiret réaliser ce robot 4 axes fonctionnant sous 100 g (Derkxet al., 1998; Garnier et al., 1999b). Il peut être piloté enmode manuel ou automatique et dispose d'un magasinpouvant contenir trois outils interchangeables (Fig. 16).Une interface standard équipe les différents outils et per-met leur alimentation éventuelle en fluide (air, eau ouhuile). Ces outils peuvent également être eux-mêmesmunis de capteurs, les connexions étant automatique-ment assurées lors de leur saisie par le robot.

Ce téléopérateur a été mis en æuvre par exemplepour les opérations suivantes :

- pénétromètres statiques lors de la cartographie desrésistances de pointe dans des massifs de sable recons-titués par pluviation (Ternet, 1999) ;

- essais d'arrachement d'inclusions verticales ou hori-zontales pour l'étude des effets de taille dans lescisaillements d'interface (Le Collinet, 1998 ; Garnier &Kônig,, 1998) ;

- excavation de fouille et chargement de fondationpour des recherches sur le comportement des paroisde soutènement et les interactions fondation-paroi(Bodin et a1.,2000, Gaudin ef al., 2002).

Ce robot est actuellement sans équivalent dans lemonde mais plusieurs laboratoires s'équipent de dis-positifs identiques (université HKUST de Hong Kongen 2001, RPI à New York et Université UC Davis en200n.

(b) Dispositif de terrassement de fouille et de miseen tension de tirants de l'université de Bochum.Special tooi developed by RUB University (Kônig, 2001).

Dispositifs permettant de simuler le terrassement d'une fouille.In-fl ight simulation of excavation.

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13REVUE FRANçAIsE oE e ÉoructNleuE

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Mark IV de l'Institut de Technologie de Tokyo.machine used at the Tokyo Institute of Technology (Nomoto ef a1.,1999).

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(a) Tunnelier miniatureMark IV-shield tunnelling

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(b) Outil de forage de tunnel de I'université de Bochum.Miniaturised tunnelling machine of RUB University (Laue,2001,).

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(c) Compactage d5mamique.Dynamic compaction (Takada et Oshima, 1994).

14REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN'974e tnmestre 9001

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ffiSchémaetvuegénéraledutéléopérateurduLCPCfonctionnantsous100g.Views of the 100 q on-board LCPC robot.

ffiÉvolution des domaines d'applicationdes modèles physiques

L'évolution constante et l'extension des champsd'utilisation des modèles centrifugés sont la consé-quence logique d'un double phénomène :

- progrès technologiques dont nous avons tenté dedonner un aperçu dans les paragraphes précédents ;

- évolution des besoins et des priorités de recherche engéotechnique (protection contre les risques naturels,effets des séismes sur les constructions, géotechniquede l'environnement).

Les interactions sols-structures (fondations, tunnels,,soutènements) restent encore un champ d'applicationtrès important. Il continuera à se développer avec lamise en service de nouveaux moyens d'essais, dont lesrobots embarqués, qui ouwent d'autres possibilités desimulation (S 3.1). Mais d'autres applications que nousévoquerons brièvement ci-dessous connaissent aussiun essor indéniable.

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Simulation de séismes

L'étude sur modèle réduit de l'effet des séismes surles ouvrages géotechniques et de la liquéfaction dessols s'est surtout développée aux USA et au Japon. Surles 32 centrifugeuses recensées au Japon par Kimura(2000), dont plusieurs ont été mises en services suite auséisme de Kobé, 15 sont équipées de simulateurs deséisme. Le pourcentage de communications consacréesà la modélisation de séismes dans les conférences Cen-trifuge reflète aussi l'importance croissante de cedomaine. I1 représentait près de 25 % des 150 articlesprésentés à la conférence de Tokyo en 1998 (Fig. 17).

En Europe, seule l'université de Cambridge et leCEA-CESTA ont réalisé ce type d'expériences, avec desmoyens totalement originaux.

L'université de Cambridge a choisi des simulateursmécaniques, d'abord la Bumpy Road dans les annéesB0 (Schofield, 1981 ; Kutter,l9B2) puis plus récemmentun volant inertiel (Madabushi et al., 1998). La Bumpy

Road était une piste cannelée scellée sur le mur de lasalle de centrifugation sur laquelle prenait appui uneroue qui transmettait les vibrations au modèle. Le sys-tème à volant inertiel SAM (Stored Angular Momen-tum) consiste à stoker l'énergie dans une roue en rota-tion puis à utiliser cette énergie pour solliciter lemodèle à l'aide d'un embrayage et d'un système debielles (Fig. 1Ba). Les inconvénients des systèmes méca-niques sont leur manque de souplesse pour faire varierles sollicitations et les bruits qu'ils génèrent du fait desjeux mécaniques.

Le CEA-CESTA a d'abord utilisé des microchargesd'explosifs (Zelikson et Leguay, 1985) et s'orienteaujourd'hui vers un générateur de chocs pneumatique(Fig. 1Bb) protégé par un brevet (sabourault et al.,199e).

Toutefois, comme l'a montré une étude récente(Chazelas, 1999) les équipements de loin les plus répan-dus sur les centrifugeuses sont de petites tablesvibrantes fonctionnant à l'aide de servo-vérins hydrau-liques (Fig. 19). Quelques simulateurs 2 axes existentdéjà (Fig. 19b) ou sont en projet (cf. ci-après).

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Tenps

lllii1li:iiiili|iiiiiii|iiilfiï||iiiintfiï1iirii11iii Évolution du pourcentagedes communications présentéesdans les conférences Centrifugedans les domaines de la simulationde séismes et de la migration de polluantsdans Ie sol.Evolution in the percentage of paperspresented at the Centrifuge conferencesin the fields of earthquake simulationand transport of pollutants in soils.

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15REVUE FRANçAIsE DE cÉoreclNreuE

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(b) Générateur de chocsCEA-CESTA pneumatic sh

1998)

'llli1,Êlfiiiiiiiiiiiliflîtfj1ffiiififfii,,fli Nouveaux simulateurs de séismes mécanique ou pneumatique.New mechanical earthquake actuators.

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(a) Simulateur mono-axial de l'université de Californieà Davis.1-D shaker of UC Davis Universitv installedon the swinging basket.

(b) Simulateur 2D de l'université de Hong Kong.2-D shaker of the University of Hong Kong (Shen et a1., 1998).

ffiExemplesdesimulateursdeséismesàservo-vérinshydrauliques'Examples of 1-D and 2-D hydraulic shakers.

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Ces tables vibrantes doivent posséder des caracté-ristiques très particulières pour les raisons suivantes :

- les fréquences des séismes modèles doivent être nfois supérieures à celles des séismes réels donc de plu-sieurs dizaines de Hz à 200 voire 300 Hz ;

- le poids du conteneur à entraîner est multiplié par nsous l'effet de l'accélération centrifu ge ;

- la mise en vibration du conteneur et du modèle exciteaussi la nacelle et les bras de la machine imposant desessais préalables pour ajuster le spectre d'entrée.

16REVUE FRANçAIsE oE cÉorrcHNtQUEN'974e trimestre 2001

Un simulateur innovant est en cours de fabricationchez Actidyn Systems incluant un équilibrage dyna-mique, tant sur le plan mécanique que sur Ie planasservissement-contrôle. Il dewait permettre de géné-rer des excitations d'amplitude, direction et fréquencechoisies à i'avance et pilotées. Son second avantagedécoulant de I'équilibrage dynamique est de réduire ouéliminer les sollicitations actuellement transmises à lamachine.

Les simulateurs existants génèrent en effet des sti-muli mal connus sur la machine qui peuvent traverserplusieurs fois les fréquences de résonance les plusbasses du bras et de la nacelle. La solution souvent pré-conisée du bras rigide n'est pas adaptée car l'augmen-tation de masse ne peut résoudre un problème dyna-mique.

D'autres difficultés existent et ont fait l'objetd'intenses travaux par exemple sur Ia recherche d'unfluide de substitution et sur Ia conception de conte-neurs spéciaux ou de traitements des parois pourréduire les effets de bords et la réflexion des ondes sis-miques.

Si les matériaux du modèie (sol et fluide interstitiel)sont les mêmes que ceux du prototype, des conflits desimilitude sur les échelles de temps apparaissent parexemple entre les phénomènes inertiels (t* = 1/n) et lesphénomènes de diffusion (t* = 1/n2). Ils imposent I'utili-sation sur Ie modèle d'un fluide n fois nlus visoueuxque l'eau.

L'huile de silicone est le fluide le plus généralementretenu mais d'autres produits sont employés commedes solutions de cellulose (metolose) à l'université duColorado à Boulder (Dewoolkar et a1.,1999a et b) ou unliquide spécialement mis au point par GeoDelft maisdont la composition n'a pas été dévoilée (Allard ef al.,1994).

L'autre solution parfois adoptée (Balakrishnan etKutter, 1999) consiste à conserver l'eau comme fluidedu modèle et à considérer que le prototype simulé pos-sède une perméabilité n fois supérieure à celle dumodèle. On exploite alors le concept du pseudo-proto-type dont Butterfield (2000) a proposé une formulationplus générale.

Des progrès significatifs pour le développement decette approche expérimentale ont été réalisés dans lecadre du programme nord-américain VELACS [VErifi-cation of Liquefaction Analysis using Centrifuge Stu-dies) associant huit laboratoires pour plusieurs sériesd'essais croisés de liquéfaction et des comparaisonsavec des modèles numériques (Arulanandan et al.,1994).La répétabilité des essais de liquéfaction en cen-trifugeuse n'est assurée que lorsque les simulateurssont capables de reproduire le spectre correct des fré-quences imposées. La préparation des massifs de soljoue également un rôle important.

Un autre pas sera franchi avec le nouveau pro-gramme nord-américain NEES (Network for Earth-quake Engineering Simulation) Iancé en octobre 2000avec un budget total de 82 millions US$. n a pour objec-tif Ia création d'un réseau associant dans les mêmesprojets les laboratoires spécialistes de modélisationsnumériques et de modélisation physique.

Plus de 7 millions US$ permettront d'équiper Iescentrifugeuses de Davis (UC Davis) et New York (RPI).Sur celle de Davis, une table vibrante deux axes (hori-zontal et vertical) sera installée en même temps qu'unrobot. Des traitements d'imaqes en 3D sont prévus

ainsi que des techniques de tomographies sismique etélectrique. Les données obtenues lors des essais desimulation de séisme en centrifugeuse seront trans-mises en temps réel sur le réseau NEES (Wilson, 2000).Un nouveau simulateur de séismes à 2 axes (horizon-tar,x) et un robot seront aussi construits au RPL

Des ouwages très divers ont été testés en modèlescentrifugés sous sollicitations sismiques (cf. compterendu de I'atelier a Effet de séismes et problèmes dyna-miques > de la conférence Centrifuge 98, Elgamal etHorikoshi, 2000). Comme on peut s'y attendre, Iesouwages les plus sensibles aux effets des séismes sontles plus étudiés (pentes et remblais, murs cloués, sou-tènements, culées de pont, pieux en zone liquéfiable) etles spectres observés lors du séisme de Kobé consti-tuent désormais la référence des séismes simulés.

Migration de polluants et techniques de confinementet de dépollution

Les études sur le transport de polluants dans lessols constituent un autre domaine en extension(Fig.17). A la différence du précédent, l'essentiel destravaux porte encore sur l'étude des conditions de simi-litude et sur Ia validation de l'approche expérimentale.

Comme déjà mentionné, un réseau européenNECER réunissant onze partenaires tous dotés de cen-trifugeuses géotechniques a été créé en 1996 avec unlarge soutien de la Commission européenne (4" PCRD).Ses objectifs étaient précisément de développer descapteurs et des techniques expérimentales adaptées àce domaine (S 3.1.1) et d'examiner les lois de similitude(Garnier et a1.,2000b). Le problème est assez complexepuisqu'il traite de matériaux à trois voire quatre phaseset quelques résultats sont présentés dans la partie II decet article sur les conditions de similitudes en sol nonsaturé.

Un premier état de l'art sur ce sujet a été publié parCulligan-Hensley et Sawidou (1995) et de nombreuxexemples peuvent être trouvés dans les actes du s5rm-posium Physical Modelling and Testing in Environmen-tal Geotechnics (Garnier et a1.,ZOOOa} Les applicationsconcernent avant tout les polluants miscibles ou nonmais non réactifs. Les phénomènes accompagnés deréactions chimiques qui peuvent être prépondérantespour certains polluants ne sont pas à ce jour étudiés surmodèies réduits centrifugés. En revanche, des expé-riences en macrogravité sont réalisées pour contribuerà l'étude des problèmes de cinétique. Nous avons parailleurs mentionné Ia centrifugeuse bi-poutre spéciale-ment conçue par Mitchell au Canada (Queen's Univer-siW) pour des modélisations et des essais sur Ia migra-tion de polluants dans les sols.

Dans ce domaine en effet, on distingue deux typesd'expériences pratiquées en centrifugeuse (Mitchell etaL.,2000) :

- la modélisation physique (centrifuge modd)ing)consistant à réaliser des essais sur modèles réduitsdans lesquels on tente de simuler à d'autres échelles lesphénomènes existant sur un site ou dans un ouvrageen grandeur réelle ;

- Ies essais en macrogravité (centrifuge festmg) sansréférence à un prototype en grandeur réelle, dans les-quels des expériences sont reproduites sous différentesaccélérations pour obtenir de nouvelles données sur

17REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N'974e trimestre 2001

des phénomènes physiques. Cette seconde approche aaussi été utilisée sur la centrifugeuse du LCPC lors derecherches conduites par différentes équipes (univer-sités, CNRS) et portant sur la croissance cristalline, lacombustion, la mécanique des milieux granulaires (ava-lanches, écoulement en sablier périodique, intrusion defluides).

En ce qui concerne la première voie (modélisationphysique), des résultats intéressants pour la validationde la méthode ont déjà été obtenus sur des polluantsnon miscibles en sol saturé (DNAPL plus dense quel'eau) ou non saturé (LNAPL plus léger que l'eau). Dansles deux cas, les travaux récents de Knight et a1. (2000)

et de Pantazidou et al. (2000) sur des modèles à diffé-rentes échelles de réduction (modelling of models) ontmontré que des similitudes satisfaisantes pouvaientêtre obtenues (Fig . 20).

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(a) Concentrations en huile obtenues dans des modèlesaux échelles 7/75 et 7/3O après 2 mois de migrationdu polluant.Oil concentration obtained ]n 1/15 and 1/3O-scale modelsafter 2months of polluant migratron (Knight et a|.,2000).

Dans une situation encore plus complexe, Iorsquepar exemple des instabilltés produisent un phénomènede digitalisation, Griffioen et Barry (1999) ont égale-ment obtenu des résultats encourageants sur les condi-tions de similitude (Fig.21).

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Comparaison des facteurs d'échellethéoriques et expérimentaux sur la tailledes digitalisations dans des écoulementsinstables.Relationship between finger size and centrifugeacceleration during unstable flow(Griffioen & Barry, 1999).

ffiffiReconstitution et caractérisationdes massifs de sol

Le problème de préparation des massifs de sol estcrucial puisque la modélisation physique est surtoutmise en æuvre pour réaliser des études paramétriques.Il faut impérativement pouvoir disposer d'un certainnombre de massifs de sol identiques dont les caracté-ristiques géotechniques sont prédéterminées. Il n'estdonc pas étonnant que cette question ait fait l'objetd'importants travaux comme le programme européenScience (1992-1995) mentionné au S 2.3 ou le pro-gramme d'essais croisés, organisé en 1997-1998 auniveau international par le Comité technique TCz.

A ce jour, les types de sol pour lesquels les tech-niques sont relativement bien maîtrisées sont les mas-sifs de sable, sec ou saturé, et les massifs argileux satu-rés. Les sols intermédiaires, mélanges d'argile et desable le plus souvent non saturés (Kimura et al., 1994)ou sables traités (Ismai| et al., 2000) font toujours l'objetde recherche et l'utilisation de ces types de sols resteencore très rare.

Tous les massifs de sols utilisés dans les modèlessont actuellement reconstitués. La solution consistantà utiliser des échantillons intacts a été envisagée et tes-tée par plusieurs laboratoires (Garnier et al., 1991 ;Gurung et aI., 1994). Elle est restée très peu pratiquéeen raison des trop grandes hétérogénéités locales desmassifs (à l'échelle des modèles) et de la difficulté dedisposer de plusieurs massifs identiques.

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Argiles saturées

Le sol le plus utilisé du fait de sa relativement forteperméabilité réduisant les durées de consolidationreste le kaolin. Dans certains programmes de

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(b) Évolution de la profondeur de pénétration du polluantavec le temps pour deux modèles au 7/1,O et 7/5O.Penetration depth of polluant vs time for two models at 1/1,0

and 1,/50 scale (Pantazidou et a1.,2000).

iiiiiiiiiîi*iiililiiiiitiiiiiiirueiiiffiiiili: Migration de polluants non miscibles lorsd'essais sur modèles à différentes échellesde réduction.Modelling of model tests of transportof non-miscible pollutants.

18REVUE FRANçAISE DE GÉOTECHNIQUEN" 974e trimestre 2001

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recherche du LCPC, le matériau provenant du site del'ouwage à étudier a cependant été utilisé. Ainsi, plu-sieurs tonnes d'argile de Lysaker (près d'Oslo) etd'argile de Rion (250 km à l'ouest d'Athènes) ont ététransportées au laboratoire pour des études évoquéesdans la partie II de cet article.

La méthode courante consiste à malaxer l'argileavec de l'eau, sous dépression pour assurer une satura-tion totale du mélange, à des teneurs en eau voisinesde 2wr. Ce matériau argileux est ensuite transvasé dansle conteneur d'essai à l'aide d'un tube plongeur et il estconsolidé sous des pressions choisies en fonction descaractéristiques mécaniques souhaitées in fine (Fig. 22).

(a) Salle de malaxage et de consolidation.Mixing and consolidation room.

(b) Conteneurs rectangulaires 1,4 m x 1 m).Rectanguiar containers (1,4 m x 1 m).

Iliiiifil$ii*rfiiiiii+ggffiiffi*i1 Matériels développés au LCPCpour la préparation des massifs argileux.LCPC equipment developed for preparingthe soil samples.

La consolidation est effectuée soit à l'aide de vérinshydrauliques, soit par la méthode du gradient hydrau-lique (Luong & Rivière, 1999; Rahman et a1.,2000), soiten associant les deux méthodes.

Des relations entre la cohésion non drainée cu, ledegré de surconsolidation OCR et la contrainte effec-tive o',, ont été établies expérimentalement et sont utili-

sées dans ces opérations pour déterminer les pro-grammes de consolidation des différentes couches :

c, = 0,19o',OCR0'5e Kaolin (speswhite clay) (6)

cu = 0,4o'.OCR0'57 Argile de Lysaker (7)

Les propriétés mécaniques des matériaux doiventbien entendu être mesurées sous accélération. Desmatériels ont été développés pour ces mesures commele scissomètre et Ie pénétromètre statique mobiles pré-sentés au S 3.1.2. Pour ces matériels, des corrélationsont en outre été obtenues entre la cohésion non drai-n?" cu et la résistance de pointe 9., tgltes deux mesu-rées en cours de centrifugation (Fig. 23).

Q. = 18,5 cu (Kaolinite)

Q. = 15 cu (Argile de Lysaker)

Q. = 14,7 cu (Argile de Rion)

(Ba)

(Bb)

(Bc)

Il est maintenant possible de reconstituer avec uneprécision correcte des massifs d'argile dont les profilsde cohésion non drainée sont donné s a priori. La figure24 montre à titre d'exemple la comparaison entre lesspécifications imposées par le centre de recherched'Exxon et les cohésions mesurées dans sept massifssuccessifs à la fin d'une consolidation de 24 heures sous100 g (contrat d'étude sur les caissons à effet de suc-cion).

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Corrélation entrede pointe e. et ladu kaolin.

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la résistancecohésion non drainé€ c,,

Correlation between the tip resistance q.and the undrained shear strength .uof Speswhite clay.

19REVUE Ftu\NçAtsE or cÉorucHNteuE

N'974e trimestre 9001

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iiiiii:iiilii:iiiiiiiiiiii:iii:iiiii;i111111mffi :i**ii:iiii Comparaison entre les spécificationset les profils de cohésion non drainéeobtenus dans sept massifs successifs(essais sous 100 g).Comparison between Exxon specificationsand undrained shear strength profiles obtainedin seven clay samples at 100 g.

Pour la reconstitution de sols sableux, les méthodesde pluviation (trémie suspendue, trémie mobile, trémieà diffuseurs) se sont largement imposées car, contrai-rement aux techniques de compactage, elles permet-tent d'atteindre des compacités élevées sans rupturedes grains. Elles peuvent en outre être totalement auto-matisées, ce qui améliore beaucoup l'homogénéité et larépétitivité des massifs. L'intérêt de ces méthodes depluviation pour reconstituer les éprouvettes de labora-toire nécessaires aux essais de cisaillement a aussi étélargement démontré (Levacher et al., 1994; Vaid et al.,1999).

La trémie automatique du LCPC est utilisée presquequotidiennement pour reconstituer les massifs desable, avec des résultats extrêmement satisfaisants. lJnesalle spéciale sous légère dépression est consacrée àcette opération et la compacité du dépôt est réglée àl'avance en agissant sur la hauteur de chute,, la vitessede translation horizontale de la trémie et sur la largeurde l'ouverture d'écoulement du sable (Fig. 25).

La reconstitution de massifs de sable homogènesnécessite que trois paramètres, qui sont en réalité cou-plés, soient maîtrisés et nous avons engagé des travauxsur ces trois âXes :

- densité ou indice des vides (homogénéité et répétiti-^ ^nn vité);\/t I

LVREVUE FRANçAIsE or cÉotrcHNreuEN" 974e trimestre 2001

- état des contraintes géostatiques caractérisé par o,,,

on et ko (distribution) ;

- caractéristiques mécaniques évaluées par la résis-tance de pointe e. mesurée au pénétromètre (distribu-tion).

Les données relatives aux massifs reconstitués avecla trémie LCPC sont résumées dans ]es paragraphes ci-dessous.o a) Cartographie de densité des massifs reconstituéspar pluviation

Une technique de mesure ponctuelle par boîtes cali-brées noyées a été développée et standardisée (Kùs,1992) permettant de mesurer les poids volumiques àmoins de 0,3 % près (Ternet, 1999). La figure 26 montreà titre d'exemple ia cartographie obtenue dans un planhorizontal situé à 0,225m de profondeur (conteneurrectangulaire).

Les écarts sont inférieurs à + 0.5 o/o. les densités lesplus fortes étant observées près des parois perpendi-culaires à la direction de translation de la trémie (petitscôtés du conteneur). Cette compacité plus grande estégalement détectée par les essais au pénétromètre (S c,ci-après) et est due à une légère perturbation du rideaude sable à l'approche de la paroi (évacuation de l'airpiégé entre le rideau et la paroi).

Des contrôles a posteriori sont effectués dans tousles massifs reconstitués et les données obtenues attes-tent de la bonne répétitivité des massifs. La figure 27présente par exemple les poids volumiques obtenuspar Remaud entre 1997 et 1999 sur 16 massifs de sablede Fontainebleau denses lors d'un travail de thèse surles groupes de pieux (Remaud, 1999). La valeurmoyenne des poids volumiques des massifs s'établit à16,36 kN/m3 avec des écarts à la moyenne inférieurs à0,09 kN/m3 (soit environ t0,5 %).

Si nécessaire, les massifs reconstitués par pluviationpeuvent ensuite être assez aisément saturés par uneméthode dérivée de celle qui est mise en æuvre pourles éprouvettes triaxiales avec successivement :

- application d'un vide partiel dans le massif ;

- circulation de dioxide de carbone ;

- circulation d'eau désaérée.

Cette procédure est détaillée dans le guide de pré-paration des massifs de sable, élaboré sous l'égide duComité technique international TC2 (Ueno, 2000).Lorsque pour des raisons de similitude des fluidesbeaucoup plus visqueux que l'eau sont utilisés (S 3.1.3),cette saturation devient plus délicate et peut prendreplusieurs heures ou plusieurs jours (Dewoolkar et al.,1999a; Horikoshi et a|.,1998).. b) État de contraintes géostatiquesDans un dépôt naturel homogène et semi-infini, lacontrainte verticale ou varie linéairement avec la pro-fondeur et Ia contrainte horizontale o. en absence dedéformation latérale est égale à koou. Il existe plusieursraisons qui font que I'état des contraintes géostatiquesdans les massifs de sols centrifugés pourrait différer decelles qui règnent dans des massifs réels semi-infinis :

- Ia contrainte verticale o., théoriquement égale à pgzpeut ne pas varier linéairement avec z du fait des effets< silo > (reprise d'une partie des forces de masse verti-cales par frottement sur les parois des conteneurs). Lesécarts peuvent être considérales dans les conteneursles plus élancés et cet effet est bien réel puisqu'il estpris en compte dans le dimensionnement des silos. La

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(a) Schéma de la salle de pluviation.Pluviation room.

(b) Trémie automatique et système pneumatique de chargement du sable.Automatic hopper and pneumatic system used for handling sand.

iiiiiiiiii*iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiÏ fçllffiïiiiii Salle de pluviation et trémie automatique du LCPC.View of the LCPC automatic hopper system for sand pluviation.

e1REVUE FRANçAISE DE GÉoTEcHNIQUE

N'974e trimestre 200'l

,Ëfffiii$ii*fiitlffi,iiffiir Cartosraphie de poids volumiquesà 0,225 m de profondeur dans un conteneurrectangulaire (sable de Fontainebleau).Horizontal distribution of unit weight ata depth of 0.225 m in a rectangular containerfFontainebleau sandj.

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beaucoup plus préoccupant pour des conteneurs rec-tangulaires que pour des conteneurs cylindriques.

Les travaux sur la détermination des contraintesdans les massifs centrifugés ont abouti récemment,grâce à la coopération engagée avec C. Brown del'université Brunel de Londres et avec le professeurV. Askegaard de l'université de Lyngby (Copenhague).Les capteurs prototypes à action indirecte conçus parAskegaard (1998) ont une très grande raideur (déflexioninférieure à 1 micron sous 100 kPa) limitant ainsi lesredistributions de contraintes (Fig. 2B). La mise en placedes capteurs a par ailleurs une importance considé-rable comme nous l'avons montré récemment (Garnieret al., 1999a). Un outil de pose et une procédure stan-dardisée ont dû être développés permettant la mesuredes contraintes normales dans les milieux granulaires à+ 5 "Â (Ternet, 1999).

A titre d'exemple, la figure 29 présente lescontraintes verticales 6,, observées dans un sable deFontainebleau de poids volumique 16,2 kN/m3 mis enplace par pluviation dans un conteneur circulaire de

|i+iiiiii ifiiiiÏliiiiif|iil *:* i1iiii Vue des capteurs Askegaard et de l'outilde pose.View of Askegaard cells and placement tool(Ternet, 1999).

Contrainte vertirale (kPa)

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Mesures { I i} cm ckr la p*r*i1

R&Â { l0 rm de la paroi}

R&À t3t sm tel* parr:i)

h{rldôle cle Janscn

iiii*iiiliitiit+iÏiiifiiffi $ffilili Profils de contrainteS o',, avec laprofondeur en conteneur circulairede O,9 m de diamètre sous 10 g (R&A :

modèle de Ragneau & Aribert, 1994).Profiles of vertical stress ov with depth in acircular container 0.9 m in diameter under 10 g.

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iijËliËfiË'lj,i;iffi+#iii fiii Distribution des poids volumiquesdes 16 massifs de sable de Fontainebleaureconstitués par Remaud (1999).Unit weights of 16 Fontainebleau sand samplesreconstituted by Remaud (1999) with the LCPCautomatic hopper.

contrainte verticale peut finir par être constante avec laprofondeur dans les silos les plus étroits ;

- la contrainte horizontale on, théoriquement égale àkoo,,, peut être très inférieure à cette valeur si les paroisdu conteneur se déforment sous l'effet des très fortescontraintes auxquelles elles peuvent être soumises lorsde la centrifugation. Ce problème est évidemment

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22REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 974e trimestre 2001

0,9m de diamètre. Les contraintes verticales ou sontplus faibles près des parois qu'au centre du conteneurcomme le prévoit la théorie développée par Ragneau etAribert (1994) alors que la théorie de Jansen plus sim-plificatrice suppose que o,, est constante dans un planhorizontal. Par rapport à la valeur théorique pgz dumassif semi-infini , la contrainte verticale à 0,6 m deprofondeur est inférieure de 26 % à une distance de10 cm de la paroi et de 6 % à 30 cm de cette paroi. Lesdonnées expérimentales sont en bon accord avec lathéorie de Ragneau et Aribert.

Cet effet < silo r peut être à l'origine de bien deserreurs lors de I'interprétation d'essais en cuve, en sta-tion et en centrifugeuse. Il a par exemple abouti à desconclusions discutables sur l'existence de deux profon-deurs critiques dans la portance des fondations pro-fondes en sol homogène pulvérulent (Puech, 1975) ousur l'évolution de la résistance de pointe des pieux avecla profondeur (Kerisel, 1961).

Les contraintes horizontaleS or, et le coefficient koont également été étudiés. Dans tous les essais, le coef-ficient ko s'est révélé indépendant de l'accélération cen-trifuge pour des valeurs supérieures à 10 ou 15 g. I1

dépend en revanche étroitement de la compacité dumatériau (Fig. 30) . La relation de la figure 30 pour lesable de Fontainebleau peut s'exprimer sous la formeapprochée suivante :

ko : 2,37 - 0,13 Ta (B)

Les écarts entre ces valeurs expérimentales et cellesde la formule de Jaky (ko = 1 - sinô') sont inférieurs à15 % (Ternet, 1999).

L'étude a aussi permis de déterminer l'effet d'unesurconsolidation sur le coefficient ko alors noté ko.. Larelation suivante due à Schmidt (1983) rend biencompte des données expérimentales (Fig. 31)

'ko, = k"(ocR)" (9)

avec û, - 1-sin 0 d'après Flavigny (1,992).

Les conteneurs et en particulier les conteneurs rec-tangulaires doivent être conçus avec des rigidités suffi-sances pour que les états de contraintes y soient detype ko. Dans le cas de conteneurs très élancés, il peuten outre être nécessaire pour limiter l'effet cr silo I deréduire le frottement entre le sol et les parois par trai-tement de surface ou utilisation de lubrifiant (lJeno,lee8).

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Iloids volumique (kNlm3)

',ii;,i;11.1iiii,t;:;:i,':ttiii,t,ii1iiri*iËr1 1;i1;.. Relation entre le coefficient ko du sable

de Fontainebleau normalement consolidéet son poids volumique.At rest coefficient ko vs. unit weightin the centrifuge Fontainebleau sand sample.

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2Q 30 40

Niveau d'accélaration n {sl

Evolution du coefficient ko. du sable deFontainebleau surconsolidé (Ternet, 1999).Coefficient k^^ of overconsolidatedFontainebleaî sand.

o c) Distribution des caractéristiques mécaniquesLe pénétromètre statique reste auj ourd'hui le

moyen le plus simple à mettre en æuvre en centrifu-geuse pour étudier la distribution des propriétés méca-niques des massifs centrifugés et nous avons utilisé lesdispositifs suivants (S 3.1.2) :

- le pénétromètre mobile LCPC qui peut se déplacerhorizontalement sur un axe et dispose d'une profon-deur de pénétration dans le sol de 300 rnrx;- le téléopérateur qui peut décrire à peu près tout leconteneur d'essai. Les deux outils pénétromètriques(diamètre de pointe d. de B mm ou 12 mm) disposentd'une course de 400 mm.

A partir des mesures de pointe e., une résistancenormalisée Q. = (q.-o'u) /o'u est ensuite déterminée où o''.,

est la contraihte v"erticale effective . La résistance .ror]malisés Q. présente assez logiquement dans ce type desol (sable) une valeur sensiblement constante au-des-sous d'une profondeur critiqu e z. voisine de 10 d^ où d-est le diamètre de la pointe iénéirométrique (fiçf 32a)'.

Le léger accroissement 6s Q. observé à la base dessondages sur la figure 32a est dû à l'effet du fond duconteneur. Un exemple de distribution de Ia résistancede pointe Q" dans un plan horizontal est par ailleursmontré sur lâ figure 32b.

Ces cartographies ont permis de montrer que, dansla zone centrale du conteneur réservée aux essais surmodèles réduits, la variation de la résistance de pointene dépasse pas + 3 oÂ.

Des recherches conduites dans une coopérationeuropéenne (programme < Science ) évoqué au S 2.3)puis au niveau international (action du Comité tech-nique TCz) ont conduit à proposer une certaine stan-dardisation de l'essai au pénétromètre statique minia-ture (Gui et al.. 1998; Bolton et a1.,1999; Katagiri etOkamura, 2000).

De nombreux paramètres ont été étudiés comme Iadistance entre essais, les rapports d./dr', d/d. et D/d. (d.diamètre du cône, d distance à la pârcii D diamètrd dr;conteneur), la densité du sable, le niveau d'accélération,Ia vitesse de pénétration (tableau II ci-après).

Les pénétromètres préconisés sont des modèlesréduits (échel\e 1/3) du pénétromètre de chantier nor-

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e3REVUE FRANçAIsE or eÉotrcuNteuE

N" g7

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..''i,.1jffiRecommandationspourlaréalisationd,essaisRecommendations for centrifuge CPT tests in sand

au pénétromètre statique dans des sables.(Bolton et a1.,1999).

Rapport d./dbo

Rapport d/d.

Rapport D/d.

Vitesse de pénétration

(a) Profils de résistance normalisée Q. en fonctionde la profondeur relative z/d,.Dimensionless tip resistance Q. vs. relative depth z/d,.

Erreur inférieure à 10 % pour les plus faibles valeurs de d./doo

Pas d'effet significatif en sable sec

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(b) Cartographie de résistances de pointe Q.dans un plan horizontal (profondeur 200 mm).Distribution of tip resistance Q. in a horizontal plane(200 mm deep).

WDistributiondesrésistancesdepointenormaliséeQ.obtenuessous7ogdansunmassifdesablede Fontainebleau en conteneur rectangulaire Clernet, 1999).Distribution of normalised dimensionless tip resistance Q" obtained at 70 g in Fontainebleau sand pluviated at 15.85 kN/m3

malisé au niveau européen (pointe de 36 mm de dia-mètre). Cette réduction du diamètre par rapport aupénétromètre normalisé ne semble pas induire d'effetde taille significatif comme l'ont montré les essaisrécents de Titt et al. (2000). Aucune correction n'estdonc faite dans la pratique sur les valeurs 6e e. mesu-rées en centrifugeuse. Les principales recommanda-tions résultant des recherches conduites en coopéra-tion sont rassemblées dans le tableau II.

Ces travaux ont aussi démontré la très bonne repro-ductibilité des essais entre laboratoires ce qui confirmeque la préparation de massifs de sable à densité impo-sée est bien maîtrisée (Fig. 33). Dans ces essais croisésdu programme européen Science, le même matériau aété utilisé (sable de Fontainebleau) mais chacun descinq laboratoires a effectué les essais avec ses propresmatériels et techniques. Dans tous les cas, les massifsétaient cependant reconstitués par pluviation.

24REVUE FRANçAIsE or cÉote+iNteuEN" 974e trimestre 2001

Entre 2 et 20 mm/s

d"/dro diamètre de la pointe, D diamètre du conteneur, d distance entre essais, dro diamètre moyen des grains.

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|ifi*+iiiiiii|iiiiii*tiiii1iiififfiiiffilii1i Comparaison des profilspénétrométriques obtenus sous 7O glors d'essais croisés entre 5 laboratoireseuropéens - Programme Science(Bolton et a1.,1999).Comparison of CPT test profiles during crosstests in 5 European laboratories - ScienceProgramme (Bolton et al., 1999).

. d) Évolution des sables d'essai

Les matériaux d'essai sont le plus souvent l'objet deréutilisations successives. Si le matériau n'était pas ainsirecyclé, plusieurs dizaines de m3 par an seraient néces-saires dont l'homogénéité serait très difficile à garan-tir. Lors d'études sur la portance des fondations (Bakiret aI., 1,994), nous avons mis en évidence une lentedérive des caractéristiques mécaniques du sable deFontainebleau utilisé (diminution de la portance de lafondation de référence de 11 % en un peu moins dedeux ans).

L'étude spécifique que nous avons entreprise sur ceproblème a montré que l'évolution des caractéristiquesest provoquée par l'usure du sable (manutention, plu-viation, centrifugation,, chargement des modèles, son-dages pénétrométriques, éventuels cycles saturation-séchage).

Seule la mesure directe de la résistance au cisaille-ment (essai à la boîte ou au triaxial) permet de déceleret de quantifier cette évolution car les autres essais quenous avons pratiqués (granulométrie détaillée, écoule-ment à travers un orifice calibré) ne sont pas assez fins.La réduction de l'angle de frottement due à cette usurepeut atteindre 2" comme le montre la figure 34 quicompare les résultats d'essais de cisaillement à la boîtesur du sable de Fontainebleau vierge et du sable usagé(Maréchal, 1999). Toutes les éprouvettes nécessaires àces essais de cisaillement à la boîte ont été reconsti-tuées au même poids volumique de 16 kN/m3 à l'aided'un pluviateur de laboratoire spécialement conçu pourgarantir une densité constante (Levacher et aI., 1994).

McVay et aL. (2000) ont aussi constaté ce vieillisse-ment d'un sable d'essai conduisant également dansleur cas à une diminution de 2" de l'angle de frottementinterne.

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Comparaison des résistances au cisaillement du sable de Fontainebleau vierge (échantillon 83V) et usagé(échantillons B3Ua et B3Um).Comparison between shear strengths of virgin and worn Fontainebleau sands used in centrifuge models at LCPC(B3V: virgin sand; B3Ua and B3Um : worn sand).

95REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 974e trimestre 2001

Il nous a été par hasard possible de mettre en évi-dence l'usure d'un sable par attrition lors d'essais aupénétromètre. La figure 35a montre les amas de finesqui sont apparus lors du démontage d'un modèle. Cesfines provenant de la rupture des grains au passage dela pointe se sont probablement accumulées au fond dessondages lors de la remontée du pénétromètre. Lesmatériaux recueillis ont été analysés et leur courbe gra-nulométrique est comparée à celle du sable du massifsur la figure 35b où on observe une très nette réduc-tion de la taille des particules.

(a) Vue des amas de fines produites au passagede la pointe pénétrométrique.View of the fingers at the location of the centrifuge CPT tests.

C*urber granulornétriquv* du sable vierge et des fines produites

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(b) Comparaison de la courbe granulométrique du sablede Fontainebleau et de celle des fines produitespar le pénétromètre.Comparison of the gradation curves for the Fontainebleau sandand the particles from the finqers.

Rupture des grains observée lors d'essaispénétrométriques.Grain crushing observed after centrifuge CPTtests performed at 70 g.

Les matériels et les techniques actuellement dispo-nibles permettent donc de confectionner avec une trèsbonne répétitivité des massifs homogènes ayant descaractéristiques déterminées a priori. Une certainestandardisation de la procédure de préparation a ététentée sous l'égide du Comité technique internationalTCZ (Ueno, 1998). En cas de réutilisations successives,les sables d'essais doivent toutefois faire l'objet d'unegestion rigoureuse et un suivi de l'évolution de leurscaractéristiques mécaniques est indispensable.

Des progrès sont souhaitables sur plusieurs aspects :

- les essais in situ devraient être améliorés : miniaturi-sation du pénétromètre pour réduire les effets sur lescontraintes horizontales dans les sables denses, pour-suite du développement du minipressiomètre, gén éra-lisation de l'utilisation du piezocône;

- certaines propriétés des massifs reconstitués pour-raient être étudiées : anisotropie des sables comme desargiles, effet de l'âge du sol reconstitué, différences decomportement entre les dépôts naturels et les massifsreconstitués ;

- les sols doués de cohésion et de frottement (interme-diate soils) qui sont souvent non saturés sont encoremal maîtrisés et difficiles à reproduire de façon contrô-lée et répétitive;

- les possibilités d'utiliser des matériaux équivalents oudes sols artificiels n'ont guère été explorées. Il seraitintéressant d'associer des chimistes à ces travaux dontl'un des objectifs pourrait être la maîtrise de la cohé-sion apparente. Cette technique de matériaux équiva-lents est très utilisée dans d'autres applications de lamodélisation physique (transport sédimentaire,, éro-sion, hydrodynamique). Dans le domaine géotech-nique, on peut envisager de remplacer soit les grainsdu sol, soit le fluide interstitiel, soit les deux phases enmême temps.

E

Le parc mondial des centrifugeuses géotechniquesest en constante évolution et il est possible de distin-guer plusieurs générations successives de machines :

- la première est celle des pionniers et elle s'étend desannées 30 aux années 60. Le parc est alors pour l'essen-tiel en URSS. Les machines de cette première généra-tion sont souvent de taille modeste. Elles ne permettentguère ni les interventions ni les mesures sur le modèleen cours de rotation. Les essais ont pour objectif ladétermination des charges limites et des modes de rup-tures (pentes, cavités, fondations) ;

- la seconde génération, du début des années 70 à nosjours, a au contraire progressivement bénéficié del'arrivée dans les laboratoires des capteurs élec-triques, des chaînes d'acquisition puis des micro-ordi-nateurs et des caméras CCD. Grâce à ces nouveauxmoyens, les mesures, les observations et les interven-tions sur le modèle sont devenues possibles pendantla rotation. Les essais permettent alors d'étudier lecomportement de l'ouvrage du début du chargementmonotone , cyclique, dynamique voire sismique,,jusqu'à la rupture ;

- la troisième génération intégrera probabiement dèsla conception, des systèmes robotisés d'interventionsur le modèle, des tables vibrantes pour la simulationde séismes, des moyens de mesure embarqués dans lanacelle, des transmissions de données sans fils, une uti-lisation généralisée des méthodes de traitementd'images en temps réel et des réseaux de communica-tion (dont le Web) permettant de suiwe le déroulementd'un essai de n'importe quel point du globe. Ces déve-loppements ont déjà commencé mais ils se font sur desmachines existantes et non dès leur conception.

La modélisation physique en macrogravité est deve-nue une méthode d'étude et de recherche à part entière

Conclusion

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e6REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUEN" 974e lrimesTre 2001

et pratiquement tous les types d'ouvrages géotech-niques peuvent aujourd'hui être simulés. Compte tenudes immenses marges de progrès scientifiques et tech-nologiques qui existent et qui vont encore étendre les

iiiiiiiËrffiH -iii

Je tiens à exprimer ma profonde gratitude au Comité français demécanique des sols et de géotechnique qui m'a fait I'honneur deme confier cette première conférence Coulomb. Le développementet les applications de Ia modélisation physique conduits au LCPCdepuis près de vingt ans sont une æuvre collective. Je tiens à

remercier vivement ceux qui ont constamment soutenu ce projetet ces travaux, ceux qui leur ont donné les impulsions décisives et

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champs d'application, il est difficile d'imaginer ce queseront ces modèles dans une ou deux décennies etqu'elle sera alors leur place dans les programmesd'études et de recherches en géotechnique.

tous ceux qui, à mes côtés, en ont été |es acteurs quotidiens : /esmembres de Ia section Mécanique des sols et centrifugeuse, Iesnombreux étudiants qui ont pris part à nos recherches ainsi quemes collègues du réseau européen I'{ECER, que j'ai Ie plaisir d'ani-mer depuis 1995. Le soutien de la Commission européenne, qui a

financé trois programmes de recherche successifs depuis 1986, a

en effet été déterminant dans les progrès réalisés. Je remercie enfinW. Craig et I'université de Columbia pour m'avoir fourni Ia photo-graphie de P. Bucky.

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29REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE

N" 974e trimestre 2001