Modélisation du comportement d'un remblai renforcé sous chargement ferroviaire de type TGV: Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Paris-Est, discipline Géotechnique

This study focuses on the numerical modeling of the Mechanically Stabilized Earth (MSE)walls behavior under High Speed Train (HST) loading.First, the state of the art in reinforced earth as well as in railway dynamics modelingis analyzed. Then we present results coming from the testing of a one-scale reinforcedembankment submitted to harmonic loading. They indicate that tensile forces in reinforcements,stresses and displacements depend on loading frequency which is related to trainspeed. One proposes a 3D Finite Element Model (FEM) in order to numerically reproducethis experimentation. The numerical results fit reasonably well with the experimental ones,highlighting the great importance of the choice of the constitutive law for the soil, reinforcementand facing.The same model is used to locally investigate the soil/reinforcement interface behaviourduring a harmonic loading in steady-state. The confining pressure presents significantvariations along the reinforcement strip during the dynamic loading while tensile forcesare less affected by the load. Nevertheless, the global interface stability remainsacceptable compared to a static load.A second numerical model is proposed, which represents a bigger embankment.The multiphase model is used to represent the reinforced soil and moving coordinates areused to take into account the moving train. Theoretical developments of this model and itsimplementation into CESAR-LCPC FEM code are detailed. The results indicate that thetrain speed does not play a big role in the overall response of the structure, in the case of astiff reinforcement comparable to the experimental one. If the embankment is weaker, theHST speed may be close to shear waves speed within the soil, which has significant consequencesinto the structure, particularly on the stability of the soil/reinforcement interface.Globally the experimental results and those coming from both numerical modelspresent the same trends: the dynamic effect coming from the train passing leads to the increaseof displacements and confining pressure close to the highest strips, while tensileforces are less affected by the load. This leads us to the conclusion that the train speed doesnot have a significant effect on the stability of MSE walls, at least for embankments havingsimilar parameters than the experimental one. However these results strongly depend on theembankment geometry, the way to model the train and the parameters and constitutive lawschosen for the soil, the soil/reinforcement interface and the facing.Cette thèse étudie le comportement de remblais en sol renforcé lors du passage de trains àgrande vitesse, par simulation numérique. Il s’agit de déterminer si les trains à grande vitesseont un impact particulier sur ce type d’ouvrage.Après un état de l’art des remblais en sol renforcé et de la modélisation numériquede problèmes ferroviaires, les résultats du chargement harmonique d’un remblai expérimentalen Terre Armée sont analysés. Ils montrent que les valeurs des tractions dans les armatures,des contraintes et déplacements dans le massif dépendent de la fréquence de la sollicitation,c'est-à-dire de la vitesse de passage du train. On construit un modèle 3D auxéléments finis pour reproduire cette expérience. Il permet de retrouver les valeurs expérimentalesavec une bonne précision, en mettant en avant l’importance du choix des lois decomportement du sol, du parement et des armatures.Ce modèle avec ses paramètres est alors utilisé pour discuter du comportement localde l’interface armature/remblai au cours d’un chargement harmonique en régime établi.Le confinement varie beaucoup le long des armatures supérieures au cours du chargementdynamique, tandis que les tractions sont peu affectées par le chargement dynamique. Cependant,malgré ces variations au cours du temps, la stabilité de l’interface reste peu affectéepar rapport au cas d’un chargement statique.Un second modèle a été développé pour représenter un remblai de taille plus importante,en utilisant la modélisation multiphasique et en utilisant un référentiel mobile pourprendre en compte le déplacement du train. Les aspects théoriques et l’implémentation dece modèle dans le code CESAR-LCPC sont détaillés. On l’utilise pour effectuer une étudetridimensionnelle d’un remblai renforcé. Elle met en évidence la faible influence de la vitessede la charge sur la réponse de l’ouvrage, dans le cas d’un remblai raide ayant des caractéristiquestirées du remblai expérimental. Dans le cas d’un remblai moins raide, la vitessed’un TGV peut s’approcher de la vitesse des ondes de cisaillement dans le massif avecdes conséquences significatives au sein de la structure.Finalement, les valeurs expérimentales et les deux modèles numériques développésprésentent les mêmes tendances : l’effet dynamique du passage du train a pour conséquenceune augmentation des déplacements et une variation du confinement des armatures, tandisque les niveaux de traction sont peu affectés par la charge, ce qui nous incite à conclure quela vitesse du train n’est pas significativement pénalisante sur la stabilité des remblais pourles paramètres issus de l’analyse du remblai expérimental. Toutefois, ces résultats dépendentfortement de la géométrie de la structure, de la façon de modéliser le train, des lois decomportement et des valeurs des paramètres retenus pour le sol, le parement et l’interfacesol/armature