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15 ANNES DEXPRIENCE DANS LES STRUCTURES EN SOL RENFORC PAR GRILLAGES MTALLIQUES ET GOGRILLES 15 YEARS OF EXPERIENCE WITH REINFORCED SOIL STRUCTURES USING STEEL WIRE MESH AND GEOGRIDS Marco VICARI1, Alexandre PLASTRE2 1 Officine Maccaferri, Zola Predosa, Italie 2 France Maccaferri, Valence, France RSUM Larticle prsente les principaux rsultats des modles physiques et numriques qui ont permis Maccaferri de concevoir, sans risque, des structures hybrides associant gogrilles et grillage mtallique. Certaines des plus importantes structures sont prsentes : du premier ouvrage de 15 m de haut construit en 1997 au Royaume Unis, aux applications les plus rcentes en Inde, de plus de 70 m de hauteur. Mots-cls: gogrille, grillage, ouvrage, sol renforc. ABSTRACT The article shows the main results of the physical and numerical models which allowed Maccaferri to design, without risk, hybrid structures associating geogrids and steel wire mesh. Some of the most important structures are presented: from the first wall of 15 m height built in 1997 in the United Kingdom to the most recent applications in India more than 70 m high. Keywords: geogrid, wire mesh, structure, reinforced soil. 1. Introduction Les structures en sol renforc offrent des avantages conomiques par rapport aux systmes conventionnels de murs de soutnement. Ce constat a pouss les chercheurs et les concepteurs trouver des solutions qui pourraient rduire le cot total d'un tel ouvrage en optimisant l'utilisation du type de renfort, et notamment sur la combinaison entre des gogrilles et des renforts en grillage base de fil mtallique (Hatami et al, 2001). Les simulations numriques, effectues avec la prise en compte des conditions de contraintes planes, ont montr qu'un arrangement alternatif de renforts semble tre plus efficace que des arrangements groups de renforts de rigidit diffrente combins ensemble.

En comparant avec un modle numrique de prvision de rupture plus raliste (diffrences finies), certaines des configurations de calculs avec des renforts mixtes fournissent une rponse sous charge semblable un modle de renfort uniforme thorique. Les rsultats de l'tude ont suggr que la rigidit des couches de renfort places de petits intervalles est une stratgie privilgier pour rduire au minimum la dformation du parement plutt que dutiliser des renforts plus raides avec un plus grand espacement. Ces rsultats ont conduit Maccaferri concevoir une structure de remblai renforc hybride fait d'une combinaison de grillage mtallique et de gogrilles, o le composant en acier a une fonction de renfort secondaire (qui minimise la dformation du parement) et les gogrilles constituent les fonctions de renfort principal, apportant aux matriaux une plus haute rsistance pour un cot modr dans des conditions relativement simples d'installation (Figure 1).

Figure 1. Principe dun remblai hybride

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2. Essai complet sur une structure hybride Pour tudier pleinement le comportement rel d'une structure mixte, une activit de recherches compltes couvrant la modlisation physique et numrique a t effectue durant la priode 2000-2003 en coopration avec des laboratoires et des universits. Le modle d'essai a t tabli dans les installations pour essais statiques du laboratoire de Gnie Civil de ENEL-HYDRO Seriate, Italie. Le modle dessai consistait en un rservoir rigide de dimensions internes 2130 x 5100 x 4000 millimtres (Ghionna et al, 2002). Le sol employ comme matriau de remplissage tait un sable moyen normal uniformment gradu de silice (sable de Ticino) dont les paramtres de rsistance et de dformabilit sont :

- Pic de langle de frottement interne (cisaillement direct) p = 43 degrs - Cohsion draine c = 0 - Angle de frottement interne volume constant cv = 34 degrs - Module de cisaillement Go = 630900 kPa - Dilatance = 17 degrs

Le sable a t soumis des essais de cisaillement direct afin de dterminer le coefficient

dinteraction de cisaillement direct (ds), des tests de cisaillement sol/renfort et sol/sol (Vicari et Duran Da Silva, 2003). Les deux renforts utiliss lors de ce test taient un grillage mtallique maille double torsion - (Maccaferri Terramesh Vert, rsistance la traction Tult = 50 kN/m) et une gogrille de polyester (Macgrid WG3, Tult = 30 kN/m).

Un mur parement inclin de 20 degrs par rapport la verticale, de 2 m de largeur a t construit pour une hauteur totale de 3,6 m compos de 6 ranges de renfort places alternativement (Figure 2). Le chargement tait appliqu par une plaque en acier associ un circuit hydraulique agissant sur la plaque par un joint sphrique. L'analyse de toutes les mesures recueillies pendant la phase de chargement et les observations faites sur l'intgrit des renforts une fois le matriau retir la fin de l'essai, ont permis de dterminer la surface de rupture.

Figure 2. Coupe type du modle 3. Modlisation numrique de la structure hybride sous FLAC 2D La modlisation numrique du comportement du mur a t effectue au moyen d'un code bidimensionnel aux diffrences finies (FLAC-2D); une sub-routine a t ajoute la version commerciale du code afin de mettre en application une nouvelle loi cde comportement non linaire pour les sols granulaires. 3.1. Sol, renforts et interface Le modle de sol adopt pour le sable de Ticino est un modle lastique non linaire associ un critre de rupture de Mohr-Coulomb qui tient compte de la dilatance et de ladoucissement aprs le pic

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(Vicari et Duran Da Silva, 2005). Le comportement non linaire contrainte-tension est pris en considration au moyen d'une loi de dgradation du module de cisaillement de type hyperbolique. Les deux renforts ont t modliss par un modle lastique linaire, de type lment axial unidimensionnel caractris par la rsistance la traction Tult et de la rigidit linaire J :

- Grillage : Tult = 50 kN/m; J = 500 kN/m - Gogrille : Tult = 30 kN/m; J = 186 kN/m

L'interface a t modlise par des lments grout reprsents par des systmes de ressort-glissant situs aux points nodaux ; le comportement au cisaillement des lments grout pendant le dplacement relatif entre le renfort et le sol est numriquement dcrit par une relation lastique linaire parfaitement plastique caractrise par les paramtres Kb, coefficient dinteraction (liaison) de rigidit et b, rsistance au cisaillement ultime (liaison). En outre un modle purement frottant (c.--d. cohsion nulle) a t pris en compte pour b avec lexpression b = v b tanp o b est le coefficient de force d'interaction (liaison). 3.2. Analyses de FLAC Une grille de 3656 quadrilatres 4 nuds, de 3800 mm de haut, de 5400 mm ( la base) et de 3800 mm (au sommet) dans la longueur, a t adopte dans les calculs sous FLAC; l'analyse numrique a commenc partir du mur compltement ralis. Tandis que la dilatance a t prise gale 17 degrs, l'analyse a couvert deux cas en termes de pics dangles de frottement de sol p (PS)= 53,5 degrs en conditions de dformations planes et p (TX)= 47 degrs en conditions triaxiales pour comparer les rsultats obtenus avec les 2 valeurs et en conclure quant au paramtre dimensionnant. 3.3. Rsultats de FLAC avec p (PS) Les tassements calculs sous la charge de la plaque sont trs proches des valeurs mesures, la fois sur les bords de la plaque quen son centre (entre 10% et 13%). Les tassements calculs et mesurs dans le plan des renforts prsentent des valeurs similaires avec des diffrences infrieures 17 %. Les calculs effectus sur les renforts infrieurs prsentent des diffrences plus leves (30-35%). Ceci sexplique par les trs faibles dformations mesures et par la moins grande prcision relative du modle. La figure 3 montre les forces de traction dans les renforts la dernire tape de chargement. L'analyse des sections centrales, o les efforts sont plus levs pour les deux renforts, a donn les forces calcules suivantes: Grillage TW 42 kN/m et Gogrille Tg 19 kN/m.

Figure 3. Surface de rupture mesure (schma de gauche), modlisation des dformations plastiques lies au cisaillement du sol et efforts dans les renforts (schma de droite)

Le rapport Tw/Tg est gal 2,26, ce qui est conforme au rapport correspondant entre le module

linaire de rigidit des renforts Jw/Jg = 2,69. Par consquent, les dformations longitudinales maximum calcules sont respectivement de 9% pour le grillage mtallique et de 10 % pour la gogrille, proches des valeurs de rupture galement mesures dans le mur exprimental.

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3.4. Rsultats de FLAC avec p(TX) La figure 4 montre les dformations plastiques lies au cisaillement du sol obtenues avec p(TX) lors de la dernire tape de chargement. On constate que la surface critique est trs proche de la valeur correspondante p(PS). Cependant, selon l'tat de dformation, les valeurs calcules sont considrablement plus hautes (65 75 %) que les valeurs correspondantes p(PS) et celles mesures dans le mur exprimental. Tout ceci est conforme aux tudes rebours effectues sur des structures en sol renforc qui indiquent que langle de frottement de pic de dformation plane contrle la rsistance interne des structures renforces par gosynthtiques (Allen e Bathurst, 2001).

Figure 4. Dformations plastiques de cisaillement avec p(TX) 4. Validation de Macstars W Mthode des Dplacements Macstars W est un logiciel dvelopp pour vrifier l'analyse de stabilit de pente en utilisant diffrents types du renfort et de scnarios complexes de conception. Le logiciel utilise l'approche conventionnelle de l'quilibre limite (Bishop, Janbu) et la mthode des dplacements (Lemonnier, Gourc). Macstars W a t employ pour vrifier son efficacit en reconstruisant le modle d'effort et de contrainte des renforts dans le mur exprimental, en imposant la surface de rupture et l'tape-chargement de la structure.

Les rsultats principaux de l'analyse mthode de dplacements sont dcris ci-dessous (Vicari et Duran da Silva 2005) :

- les conditions exprimentales de rupture ont t obtenues avec une valeur de l'angle de frottement de 52 degrs proche de p(PS)=53,5 degrs conformes aux rsultats de FLAC ; - Les tassements verticaux calculs sont presque identiques ceux mesurs et tendent tre plus levs seulement quand la charge applique est proche de la rupture (Figure 5) ; - la valeur maximum du facteur de scurit (FS) est atteinte pour toutes les tapes de charge en imposant une contrainte dans les renforts de grillage mtallique gal 18% ; - l'tat FS=1 est atteint pour q=650 kPa, auquel correspond un tassement vertical de la partie suprieure de la tte de mur gal 40 millimtres.

En conclusion, la mthode des dplacements introduite dans le logiciel Macstars W permet une trs bonne modlisation des conditions de dimensionnement, loin des conditions de rupture, ce qui correspond une approche classique de dimensionnement pour le concepteur.

Figure 5. Comparaison entre les calculs effectus par Macstars et les tassements mesurs

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5. tude de cas de structures hybrides en sol renforc par Grillage mtallique et Gogrilles 5.1. Mur de 15 m de haut - Rnovation de cale sche de Nigg (Cromarty Firth, UK, 1997) Barmac, propritaire de Nigg drydock, souhaitait faire voluer son installation pour permettre la restauration de plus grands navires : un nouveau mur de quai de 240 m de long et 15 m de hauteur tait ncessaire pour remplacer le pan inclin existant. Les exigences des clients ont t analyses en dtail et en raison de la nature sans prcdent de la conception, Maccaferri et Ove Arup ont travaill conjointement pour satisfaire les demandes du client.

La conception prliminaire de Maccaferri pour le mur renforc de Terramesh system (Module de remblai renforc en grillage parement gabion) a t ralise en conformit avec la norme BS 8006 ; vrifiant la stabilit interne et externe, en utilisant la fois un logiciel interne (MACSTARS) et un logiciel commercialis d'quilibre limite (SLOPE).

La contrainte principale tait labaissement des eaux souterraines de 13 m 0 m en moins de douze heures, ce qui a compliqu la conception et a exig la mise en place dune importante srie de drains composs de gotextiles et d'agrgats. En combinant cette action avec les charges importantes appliques sur le mur, la stabilit de la structure pouvait seulement tre assure avec l'utilisation de renforts haute rsistance en gogrille polyester (Paralink 300 kN/m), utilis en combinaison avec le Terramesh system (50 kN/m) suivant les indications de la figure 6.

La gogrille dispose dans la moiti infrieure de la structure assure une rsistance leve pour liminer le risque de grand glissement et des renforts de longueur pouvant atteindre 20m ont t utiliss. La gogrille ParaLink est une structure composite, compose dun noyau intrieur en fibres de polyester caractrises par un faible fluage et dune gaine en polythylne dur, rendant la structure durable et idale pour l'environnement agressif de chez Nigg.

Figure 6. Nigg, UK Calculs avec Macstars et coupe type de la solution hybride Les travaux ont t raliss en un mois. Dans la semaine suivant la fin des travaux, le dock a t mis en eau pour la premire fois (Figure 7). Les paramtres de sol utiliss dans la conception sont rapports dans le tableau 1.

Figure 7. Nigg, UK Ouvrage en cours de ralisation et une fois termin

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Tableau 1. Projet de cale sche de Nigg - Paramtres de sol utiliss dans la conception (kN/ m3) (deg) c (kN/m)

Remblai 19 30 0 Fondation 19 28 0

Remblai structurel 19 33 0

5.2. Ouvrage de 29,2m de haut - Amnagement dun Parc Leiria (Portugal) Ce mur en sol renforc a t construit pour agrandir le parking du Parc Retail Leiria, Portugal. Louvrage prsente une hauteur maximale de 29,2 m. Compte tenu de la faible emprise en pied, la solution retenue a consist en la combinaison dun mur en remblai renforc (semi vertical) et dun talus en sol renforc. Une solution constitue de renforts principaux en gogrilles et de renforts secondaires plus courts en grillage mtallique (Figure 8) a t retenue. Les paramtres de sol utiliss dans la conception sont reports dans le tableau 2. Tableau 2. Projet Leiria Paramtres de sol utiliss dans le dimensionnement

(kN/m3) (deg) c (kN/m) Remblai 19 35 0

Fondation 19 33 20 Remblai structurel 19 35 0

En parallle, une comparaison a t faite en utilisant une approche conventionnelle utilisant le mme

type de renforts de gogrilles avec une plus petite rsistance et uniformment espace. Les renforts en gogrilles ont t choisis pour fournir des facteurs de scurits interne et global comparables la solution combinant des renforts principaux et secondaires; la section alternative de conception est rapporte dans la figure 8. Bas sur l'exprience, le cot estimatif de la section conue utilisant des renforts combins, en incluant l'approvisionnement du matriel et les cots d'installation (mise en uvre, fourniture et compactage du remblai) a t estim approximativement 15 % moins chre que la section quivalente conue avec des renforts en gogrilles seulement. Le projet Leiria a t conu en avril 2001. La construction de mur (3.300 m2 de parement) a commenc en mai 2001 et sest termine en aot 2001. Lhydro ensemencement a t fait en octobre 2001 (Figure 9).

Figure 8. Leiria, Portugal Solution mise en uvre - gogrilles et grillage- (schma suprieur) en comparaison avec la solution avec une gogrille uniforme (schma infrieur)

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Figure 9. Leiria, Portugal Vue de louvrage en construction et une fois termin 5.3. Ouvrage de 37 m de hauteur - Autoroute entre Rreshen et Kalimash (Albanie) Le projet de 103 kilomtres de long, attribu l'entreprise Bechtel Enka Joint Venture (BEJV), est un raccordement cl entre le port de Durres, premier port dAlbanie sur la Mer Adriatique et le Kosovo. L'autoroute est conue en 2 x 2 voies avec des chausses de 2 x 3,75 m, compltes par des bandes darrt durgences de 2 m et fonde sur le relief difficile du terrain montagneux de l'Albanie plus de 1.000 m daltitude. Maccaferri tait responsable de la fourniture et de la pose, par lintermdiaire de son associ local (Albanie Draht), de 30 structures en sol renforc hybrides composes de Terramesh system ayant des nappes de 4 m de longueur et de gogrilles ParaLink 300, dont la longueur est variable en fonction de lemplacement dans le remblai. La hauteur maximale des diffrents ouvrages est de 37 m. Les proprits des sols utiliss dans le dimensionnement sont reportes dans le tableau 3. Compte tenu de la fondation sur versant du massif en sol renforc, les lments de base sont associs des longueurs de gogrille plus faibles quen tte douvrage (Figure 10).

Tableau 3. Projet autoroutier entre Rreshen et Kalimash, Albanie - proprits du sol utilis dans le dimensionnement

(kN/ m3) (deg) c (kPa) Remblai 20 35 0

Fondation 25,8 46 40 Remblai structurel 20 30 0

Figure 10. Projet autoroutier entre Rreshen et Kalimash, Albanie Calculs Macstars et Coupe type de 37 m de hauteur

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Figure 11. Projet autoroutier entre Rreshen et Kalimash, Albanie Vue de la structure en construction et une fois termine

5.4. Ouvrage de 80 m de hauteur Aroport du Sikkim (Inde) La rgion du Sikkim, au nord de lInde, est une zone trs isole laccs difficile par des cols trs haute altitude. La ralisation dun aroport pour approvisionner plus rapidement la rgion et permettre lintervention rapide des secours devenait indispensable. Le relief de haute montagne imposait la ralisation dune piste sur un versant montagneux, ncessitant de gros travaux de terrassement en dblais et remblais et la construction douvrages de soutnement laval de la piste sur une longueur de plus de 2 km.

Compte tenu de la grande hauteur des ouvrages et de lala sismique important, la technique de soutnement sest naturellement oriente vers une solution en sol renforc. Cette technique permettait entre autres de rpondre aux exigences de temps (rapidit de pose), de souplesse (ouvrage fond en zone sismique), de drainage (zone soumise de forts pisodes pluvieux mousson), dintgration dans lenvironnement et de rutilisation des matriaux issus des dblais importants. Une analyse spcifique du terrain en place et du remblai mis en uvre a t ralise. Les proprits des sols rencontrs ainsi que le coefficient sismique horizontal considrs dans le dimensionnement sont reportes dans le tableau 4.

Tableau 4. Aroport du Sikkim (INDE) - proprits du sol utilis dans le dimensionnement

(kN/m3) (deg) c (kPa) Remblai 20 30 0

Terrain naturel 20 30 0 Coefficient sismique horizontal : H=0,.12 (agH=1,17m/s)

Lemprise limite a ncessit la mise en uvre dun parement sub-vertical en pied douvrage laide

dun module de remblai renforc en grillage parement gabions alors que la partie suprieure tait constitue de modules de remblai renforc en grillage inclins et vgtalisables. En couverture, un talus dune douzaine de mtres de hauteur, de 30 degrs dinclinaison a t ralis. Le talus a t impermabilis laide dune couche dargile de 25 cm dpaisseur et dune gomembrane et protg de lrosion par un tapis anti-rosion.

Les renforts principaux de louvrage sont des gogrilles en polyester protges par une gaine en polypropylne de rsistance et de longueur variable suivant leur emplacement dans le remblai.

Pour la section la plus importante, la hauteur totale de louvrage est de 80 m avec 26 m de parement minral sub-vertical, 40 m de parement raidi vgtalisable et 12 m de talus inclin 30 degrs. En pied douvrage le dimensionnement a conduit mettre en uvre des gogrilles dune rsistance de 800 kN/m pour une longueur de 66 m espaces tous les mtres de longueur (Figure 12).

Des dispositifs de collecte des eaux ont galement t amnags afin de canaliser les quelques 5 cours deaux traversant la zone dtude ainsi que lensemble des eaux pluviales tombant sur le site. Des

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drains constitus de gravier + gotextiles on t placs larrire du remblai structurel et des cadres btons traversant la structure en sol renforc ont spcialement t installs pour permettre la traverse des torrents dvalant de la montagne (Figure 13).

La ralisation de louvrage de soutnement sest effectue entre janvier 2009 et dcembre 2011 et les installations compltes de laroport devraient tre termines pour fin 2012. Durant la construction, en septembre 2011 louvrage a subi un sisme de magnitude 6,8 sur lchelle de Richter (ce qui a caus une acclration horizontale denviron 2,94 m/s2 bien suprieure lacclration de calcul de 1,17 m/s2) sans pour autant compromettre son intgrit au contraire de nombreux ouvrages construits dans le secteur.

Figure 12. Coupe type de la hauteur maximale

Figure 13. Photographies de louvrage fini

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6. Conclusion Des recherches compltes couvrant la modlisation physique et numrique ont t ralises sur des structures mixtes combinant des gogrilles et des renforts en grillage mtallique. Ces recherches taient bases sur la ralisation dun ouvrage exprimental taille relle charg progressivement jusqu sa rupture et sur la modlisation numrique du comportement au moyen d'un code bidimensionnel aux diffrences finies (FLAC-2D) et sur la validation de Macstars W, logiciel dvelopp pour vrifier l'analyse de stabilit de pente en utilisant diffrents types de renforts et de scnarios complexes lors de conception.

Les rsultats permettent aujourdhui Maccaferri de concevoir des structures en remblai renforc hybrides, combinaison de grillage mtallique et de gogrilles, pour diminuer sensiblement le cot des ouvrages par rapport aux solutions traditionnelles connues. Des ouvrages de trs grandes hauteurs ont dj t raliss dans le monde et sont en projet actuellement.

7. Rfrences bibliographiques Allen T.M. and Bathrust R. J. (2001). Prediction of Soil Reinforcement Loads in Mechanically Stabilized

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