Analyse numérique des écoulements d'eau et de la consolidation des sols autour des tunnels creusés dans l'argile

This work analyses the seepage of ground water towards tunnels excavated in water bearing soils and the induced consolidation in presence of compressible soils. Several bibliographic syntheses are first presented on the problems induced by ground water seepage towards tunnels, on the existing calculation methods to estimate this seepage, on the field observed hydromechanical response of compressible soil masses to tunneling and on the approaches developed to model soil consolidation for grounds with variable water level. Several numerical studies were conducted with the finite element code CESAR-LCPC. The finite element method was used to analyse ground water seepage around tunnels, in permanent and transient flow conditions through two and three dimensional models. Several cases were modeled, considering an undeformable ground, in order to study the influence of soil anisotropy, ground layering, lining permeability and different field measures to reduce seepage effects at the tunnel face during construction. The response of compressible ground to tunneling was analysed with coupled hydro-mechanical calculations using an anisotropic elastoplastic constitutive law: MELANIE. Results were compared to those obtained by drained and undrained calculations. The undrained approach was also used to analyse the response of relatively hard ground to the precutting tunneling method and to study the behaviour of the supporting shell throughout the different construction steps. Furthermore, this thesis contributes to the development of the finite element code CESAR-LCPC. The subroutine of the constitutive law MELANIE was adapted to deal with the variation of preconsolidation pressure and soil elastic response with depth, and to update soil permeability according to ground deformations. An approach was proposed to model soil consolidation for ground with a variable water level, making use of Richards (1931) and Bishop (1960) hypotheses to deal with hydro-mechanical coupling above the water table. This approach was integrated into CESAR-LCPC and applied first to a study of soil consolidation under a foundation loading and secondly to tunnel construction. This method was finally used to analyse a case study: Grimsby tunnel, excavated in soft clayey soil. The study compares the results given by MELANIE with those given by elastic isotropic, elastic anisotropic and isotropic elastoplastic constitutive laws. Different hypotheses were tested for the hydromechanical coupling above the water table. Modeling results were compared to eleven year settlement measurements.Cette thèse étudie les écoulements hydrauliques autour des tunnels creusés en terrains aquifères et analyse les déformations induites par la consolidation du massif en présence de sols compressibles. Le mémoire comporte plusieurs synthèses bibliographiques portant sur les problèmes liés aux écoulements hydrauliques vers un ouvrage souterrain, sur les méthodes de calculs existantes pour l'étude de ces écoulements, sur la réponse hydromécanique des massifs de sols au creusement de tunnel (observations de chantiers), sur les techniques proposées pour simuler la construction d'un tunnel par la méthode des éléments finis et sur les approches de calculs développées pour le traitement de la consolidation d'un massif en présence d'une nappe à surface libre. Plusieurs études numériques ont été réalisées à l'aide du progiciel CESAR-LCPC. La méthode des éléments finis a été utilisée pour analyser les écoulements autour de tunnels en conditions bidimensionnelles et tridimensionnelles, en régimes permanent et transitoire. Différentes configurations sont étudiées, considérant un massif indéformable, pour étudier le rôle de lanisotropie de perméabilité des massifs, leur stratification, et le rôle du revêtement de la paroi du tunnel et de différentes dispositions proposées pour atténuer l'effet des écoulements au front en cours de construction. La réponse d'un massif de sols compressibles au creusement d'un tunnel a été analysée par des calculs hydromécaniques couplés et un modèle de comportement élastoplastique adapté aux sols anisotropes MELANIE. Les résultats de calcul sont comparés à ceux obtenus par des analyses drainée et non drainée. L'approche non drainée a, d'autre part, été adoptée pour étudier la réponse des massifs relativement raides à la méthode de creusement par prédécoupage et pour analyser le comportement de la prévoûte au cours des différentes phases de la construction. La thèse présente, de plus, une contribution au développement du code de calcul CESAR-LCPC. La programmation du modèle MELANIE dans CESAR-LCPC a été adaptée pour traiter la variation de la contrainte de préconsolidation et des modules d'élasticité avec la profondeur, et pour actualiser le coefficient de perméabilité du sol en fonction de la variation de l'indice des vides. Une approche est, par ailleurs, proposée pour le traitement de la consolidation en présence d'un niveau piézométrique variable en utilisant les généralisations de Richards (1931) et de Bishop (I960) pour le traitement de l'écoulement et du couplage au-dessus de la surface libre. Cette approche a été programmée dans un nouveau module s'intégrant dans le code CESAR-LCPC et a été appliquée à l'étude de la consolidation d'un massif sous le chargement d'une fondation et suite à la réalisation d'un tunnel. Ce travail s'achève par la modélisation d'un ouvrage instrumenté : le tunnel de Grimsby, creusé dans un massif argileux compressible. Les calculs ont été réalisés avec différentes lois de comportement (MELANIE, élasticité isotrope et anisotrope et élastoplasticité isotrope), et avec différentes hypothèses pour le traitement du couplage au-dessus du niveau piézométrique ; les résultats ont été comparés aux tassements de surface mesurés sur une période de onze ans après la construction