Thèse de Omar Moreno Regan, soutenue le 15 avril 2016

Université Paris-Est, école doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement

Directeur de thèse : Patrice Chatellier (IFSTTAR)

Encadrement : Emmanuel Bourgeois (IFSTTAR), Anne Sophie Colas (IFSTTAR).

Le métro de Paris, exploité par la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP), compte aujourd’hui seize lignes et transporte environ 5 millions de passagers par jour.

L’ensemble des infrastructures du métro est essentiellement souterrain et a été construit pour la plupart au début du XXe siècle. Environ 85% des tunnels sont composés d’une voûte en maçonnerie et de piédroits et radier en béton non armé.

Structure du tunnel entre les stations Pont de Levallois et Anatole France

Certains de ces ouvrages présentent des pathologies de dégradation, notamment des fissures en clé de voûte et des discontinuités dans le contact tunnel-sol encaissant. Lors de travaux dans les tunnels ou à proximité, le comportement de la maçonnerie de la voûte est difficile à appréhender, d’une part parce que les matériaux constitutifs sont rarement étudiés de façon approfondie et d’autre part parce qu’il existe peu de modèles de calcul qui intègrent l’environnement particulier de ces tunnels.

La thèse décrit un modèle de comportement permettant de représenter au mieux le comportement des voûtes en maçonnerie de tunnel. Ce modèle a été implanté dans un code de calcul par éléments finis, afin de pouvoir évaluer l’influence de travaux à proximité. Pour cela, un modèle existant dans la littérature a été choisi et adapté : le comportement des voûtes en maçonnerie est représenté par une loi de comportement qui combine une technique d’homogénéisation de la maçonnerie et une loi d’endommagement isotrope décrivant l’évolution des propriétés mécaniques des matériaux constitutifs, ce qui permet de reproduire de façon implicite le comportement non linéaire orthotrope de la voûte ; le comportement des piédroits et du radier est représenté par une loi d’endommagement isotrope. Le modèle proposé, implanté dans le code de calcul CESAR-LCPC, permet de reproduire le mécanisme de ruine d’un tunnel par la formation de rotules.

Parallèlement au travail de modélisation, la thèse présente une campagne d’essais de laboratoire qui caractérise les matériaux constitutifs de la voûte et des piédroits et du radier, et qui donne la valeur des paramètres du modèle. Ces essais ont été réalisés sur des éprouvettes issues de carottes prélevées in situ.

Exemple de carotte prélevée dans la voute du métro parisien

Enfin, le modèle numérique, alimenté par les caractéristiques mécaniques issues des essais en laboratoire, est utilisé pour simuler la réponse d’un tunnel en maçonnerie à des chargements appliqués à proximité.

Cette modélisation a été conduite sur deux cas d’étude concernant le réseau du métro parisien.

Application du modèle proposé : formation de rotules dans la voute de la station Mairie d’Ivry

The Paris subway system, operated by the Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP), has sixteen lines and carries about 5 million passengers every day. The infrastructure is mostly underground and was built predominantly in the early twentieth century. About 85% of the tunnels are built with a masonry vault and unreinforced concrete sidewalls and slab. Some of these structures show degradation pathologies, notably cracks at the crown of the tunnel and discontinuities at the tunnel – soil interface. When civil engineering works are carried out in the tunnels or nearby, the behavior of the masonry vault is difficult to predict, firstly because the constitutive materials of the tunnel are rarely thoroughly studied and secondly because there are few models that incorporate the particular behavior of these tunnels. The thesis describes a model that represents the behavior of the masonry tunnel vaults. This model was implemented in a finite element code in order to assess the influence of nearby engineering works. In the selected approach, an existing model was selected from the literature and adapted to our study: the behavior of the masonry vault is represented by the selected model that combines a homogenization technique for the masonry and an isotropic damage law describing the evolution of the mechanical properties of each component, thus reproducing implicitly the nonlinear orthotropic behavior of the vault; the behavior of the sidewalls and slab is represented by an isotropic damage law. The proposed model, implemented in the computer code CESAR-LCPC, reproduces the failure mechanism of a tunnel by the formation of hinges. Alongside the modeling work, a laboratory test campaign was undertaken to characterize the materials of the vault, sidewalls and slab, and to estimate the model parameters. These tests were carried out on specimens taken from cores extracted in situ. Finally, the numerical model, along with the characteristics obtained from laboratory testing, is used to simulate the response of a masonry tunnel subjected to loads applied nearby in two case studies on the Paris subway system.

Lien vers le mémoire de thèse : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01355701/document