Limit Support Pressure and Critical Cover-to-Diameter Ratio of Shallow-Buried Tunnel Faces in Sand-over- Clay Composite Ground

Résumé technique : Pression de support limite et rapport critique couverture/diamètre des fronts de tunnels peu enterrés en terrain composite sable sur argile

Énoncé du problème
Les tunnels peu enterrés en milieu urbain rencontrent de plus en plus des conditions de terrain composites complexes, spécifiquement une stratigraphie de type sable sur argile. Contrairement aux terrains homogènes, ces systèmes stratifiés présentent des caractéristiques de résistance et de déformation contrastées qui influencent considérablement la stabilité du front de tunnel. Alors que les recherches existantes ont traité la stabilité du front de tunnel dans des sols sableux ou argileux homogènes, et que certaines études ont examiné les terrains stratifiés, il subsiste une lacune dans la compréhension des mécanismes de rupture spécifiques, des modes de relâchement de la pression des terres et de la transition entre les modes de rupture globale et locale dans les terrains composites de type sable sur argile. Plus précisément, une comparaison systématique des différences de déformation entre les couches de sable et d'argile, du processus de rupture progressive par rapport à la position de l'interface des couches de sol (centre vs couronne), ainsi qu'un critère quantitatif pour le rapport critique couverture/diamètre ($C/D$) sous des résistances au cisaillement variables, font défaut.

Méthodologie
Cette étude a employé une approche multidimensionnelle combinant la modélisation physique et la simulation numérique :

1. Essais de modélisation par centrifugeuse : Réalisés à 60g sur une centrifugeuse géotechnique TLJ-3. Quatre cas d'essais ont été conçus avec un tunnel de diamètre prototype de 6 m. L'interface des couches de sol était positionnée soit au centre du front du tunnel, soit à la couronne du tunnel, avec des rapports couverture/diamètre ($C/D$) de 0,8 et 1,2.
2. Techniques de surveillance : La vélocimétrie par images de particules (PIV) a été utilisée pour analyser les champs de déplacement du sol et l'évolution de la zone de rupture. Des capteurs de déplacement laser ont mesuré le retrait du front, tandis que des cellules de pression de terre ont surveillé le relâchement des contraintes au front du tunnel et dans le sol devant le front.
3. Analyse de limite par éléments finis tridimensionnelle à borne inférieure : Un modèle numérique a été développé pour déterminer la pression de support minimale requise pour la stabilité. Cette méthode a utilisé des champs de contraintes statiquement admissibles satisfaisant l'équilibre, les conditions aux limites et le critère de plasticité de Mohr-Coulomb. Elle a été utilisée pour valider les résultats expérimentaux et effectuer une analyse paramétrique sur l'angle de frottement interne ($\phi$) de la couche de sable supérieure.

Contributions clés et résultats

• Mécanismes de rupture et position de l'interface :

  • Lorsque l'interface des couches de sol intersectait le centre du front du tunnel, l'instabilité était principalement régie par la couche de sable supérieure. La zone de rupture se propageait vers le haut et vers l'extérieur, atteignant finalement la surface du sol (rupture globale).
  • Lorsque l'interface était située à la couronne du tunnel, la couche d'argile sous-jacente restreignait efficacement la propagation ascendante de la zone de rupture. Dans ces cas, la zone de rupture restait confinée à environ 1,5 diamètre de tunnel devant le front, et aucune surface de rupture continue ne s'est formée, même à un retrait de front de 30 mm.

• Étapes de la rupture progressive :
  Le processus de retrait du front a été identifié comme se déroulant en trois étapes distinctes :

  1. Déformation locale : Concentrée près du front.
  2. Rupture progressive : Propagation ascendante et externe de la zone de déplacement avec un relâchement continu de la pression des terres.
  3. Stabilité résiduelle : Stabilisation de la pression de support et formation d'une bande de déplacement continue.
     Les cas D1 et D2 ont atteint l'état limite à un retrait de front d'environ 10 mm.

• Relâchement de la pression des terres et pression de support :

  • Le relâchement de la pression des terres dans la couche de sable était nettement plus élevé que dans la couche d'argile. Par exemple, dans le cas D1, le taux de relâchement des contraintes atteignait 66 % dans la couche de sable contre 56 % dans la couche d'argile.
  • Les pressions de support limites pour les cas de rupture étaient de 12,7 kPa (D1, $C/D=0,8$) et 13,4 kPa (D2, $C/D=1,2$). L'augmentation du $C/D$ de 0,8 à 1,2 n'a entraîné qu'une augmentation de 5,5 % de la pression de support limite, suggérant une sensibilité limitée à la profondeur de couverture dans cette plage spécifique pour cette configuration d'interface.
  • Les cas D3 et D4 (interface à la couronne) n'ont pas atteint d'état limite dans la plage de test, les ratios de pression de support restant supérieurs à 0,85.

• Validation numérique :
  L'analyse de limite tridimensionnelle à borne inférieure a produit des pressions de support limite présentant des écarts de moins de 10 % par rapport aux résultats de la centrifugeuse (−9,4 % pour D1 et −4,5 % pour D2). Le modèle numérique a reproduit avec succès les caractéristiques de rupture et a confirmé que la couche d'argile fournit un effet stabilisateur lorsqu'elle est située sous le front du tunnel.

• Rapport critique couverture/diamètre :
  L'analyse paramétrique a révélé une forte relation entre l'angle de frottement interne ($\phi$) de la couche de sable supérieure et le rapport $C/D$ critique requis pour la transition d'une rupture globale à une rupture locale.

  • À mesure que $\phi$ augmentait de 15° à 35°, le $C/D$ critique diminuait de 2,20 à 1,10.
  • Une régression linéaire a établi une relation : $(C/D)_{crit} = 3,02 - 0,056\phi$, avec un coefficient de détermination $R^2 = 0,995$.
  • Une résistance au cisaillement plus élevée dans la couche de sable renforce l'effet d'arche du sol, permettant à la zone de rupture de se refermer devant le front à des profondeurs de couverture plus faibles.

Signification
Les auteurs affirment que ces conclusions fournissent une référence pour déterminer les paramètres de support du front de tunnel et évaluer le risque de rupture globale dans les tunnels peu enterrés construits en terrain composite de type sable sur argile. L'étude souligne que la position de l'interface des couches de sol est un facteur de contrôle pour les modes de rupture et que la transition de la rupture globale à la rupture locale peut être prédite quantitativement en fonction de l'angle de frottement interne et de la profondeur de couverture. La méthode de l'analyse de limite à borne inférieure validée offre un outil fiable pour identifier les zones potentiellement cédées et les modes de rupture dans des conditions de terrain complexes similaires.