Chargements cycliques axiaux de pieux modèles en chambre …...Pieu foncé et battu, Dr=60-70%,...
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Chargements cycliques axiaux de pieux modèles
en chambre d’étalonnage Analyse de la dégradation cyclique
Matias Silva I. Post-doc Laboratoire 3SR (ancien thésard de Pierre)
Université Grenoble-Alpes
Journée Technique Hommage au Professeur Pierre FORAY
Sols et fondations sous sollicitations statiques, cycliques et dynamiques
1
-
Pourquoi s’intéresse-t-on à la réponse cyclique des
pieux?
Les fondations offshore sont soumises à des
chargements cycliques environnementaux ainsi
qu’à des sollicitations opérationnelles,
Elles sont aussi soumises à une grande quantité
de cycles charge-décharge pendant leur
installation,
Sujet complexe à traiter approche multi-
échelles,
Particulièrement important dans le cas des
éoliennes transmission des charges vers les
fondations. Periods and number of cycles characterising typical cyclic
loading events. Andersen et al. 2013
2
-
Chargement cyclique en géotechnique offshore
3 Rankine Lecture 2014, Interactions in Offshore Foundation
Design, Guy Houlsby.
-
Rankine Lecture 2014, Interactions in Offshore Foundation
Design, Guy Houlsby.
Chargement cyclique en géotechnique offshore
Ormonde, Irish Sea
17 – 21m waters Alpha Ventus, North Sea
~30m waters
Hornsea, North Sea
30m+ waters
Jacket structures
Tripods
Twisted Jacket
4
Fondations multi-pieux
Transmission des charges
latérales vers les fondations
effet ’Push-pull’.
-
Quelle est l’importance de ce sujet? Est-il d’actualité?
Randolph, M., & Cassidy, M. (2005). Challenges of offshore geotechnical engineering. Proceedings of the
international conference on soil mechanics and geotechnical engineering. Vol. 16. No. 1.
Geotechnique Lecture 2011, Foundation Design of Offshore Wind-Turbines, Byron Byrne.
Projet National SOLCYP, Comportement des pieux soumis à des sollicitations cycliques. http://www.pnsolcyp.org/
Rankine Lecture 2014, Interactions in Offshore Foundation Design, Guy Houlsby.
Comment peut-on faire pour mieux comprendre ce sujet?
Flow chart for cyclic design for axially loaded piles. In yellow
approach than can be applied in current practice. In green
approaches requiring further development, after Jardine et al. 2012
5
-
Les chargements cycliques axiaux La célèbre équipe MASTEC!!
D’abord on doit comprendre que le comportement des pieux en sable a besoin
d’une approche intégrale, et surtout… 6
-
Cours ‘Ouvrages géotechniques’, Master International, Grenoble 2008*
JNGG2010, Grenoble
*J’ai presque raté son examen final! … beaucoup d’expérience!
7
-
Les chargements cycliques axiaux
Transparents du cours ‘Fondations Profondes’, P. Foray
University of Canterbury, New Zealand, Mai 1996
Interface
Global 8
-
1977-1979
Institut de Mécanique de Grenoble – ELF,
Reproduire l’essai in-situ de Plancoët,
Pieu moulé, Dr = 70%,
Pieu modèle de 55 mm de diamètre,
5 niveaux de jauges,
3 niveaux de mesure de contrainte normale,
6 capteurs de contrainte totale dans le sol,
Chambre d’étalonnage diamètre 1.5 m et hauteur
2.0 m (présentation J. Desrues),
1 essai à 20000 cycles,
3 séries d’essais entre 100 et 300 cycles.
2007-2014
Laboratoire 3SR, Imperial College London, Total,
ANR SOLCYP,
Reproduire les essais in-situ de Dunkerque,
Pieu foncé et battu, Dr=60-70%,
Pieu modèle de 36 mm de diamètre,
Plus de 60 essais cycliques,
3 niveaux avec mesure de contrainte normale et
de cisaillement chemins de contraintes,
12-36 capteurs de contrainte totale dans le sol,
Chambre d’étalonnage diamètre 1.2 m et
hauteur 1.4 m (présentation J. Desrues). 0 5 10 15 20 25 30
5
0
-5
-10
-15
TW1OW3OW2OW1
T4 T5T3T2
Pile
head load (
kN
)
Pile head displacement (mm)
T1
9
-
On se met au travail! On commence nos essais
10
-
Les essais 1977-1979
Pieu moulé de 55 mm de diamètre
Sable d’une densité forte, 70%
10
62
5
17
60
0
24
48
6
22
64
8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
2
4
6
8
20% Qs
QS
40% Qs
Pile
he
ad
lo
ad
(kN
)
Pile head displacement (mm)
Static load test
0 5000 10000 15000 20000 250000
10
20
30
40
50
60
70
80
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
2
4
6
8
10
pile diameter
9350 cycles
Pile
he
ad
dis
pla
ce
me
nt (m
m)
Number of cycles
10% of pile diameter
Définition des paramètres de chargement cyclique 11
-
Les essais 1977-1979
Pieu moulé de 55 mm de diamètre
Sable d’une densité forte, 70%
10
62
5
17
60
0
24
48
6
22
64
8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000
2
4
6
8
20% Qs
QS
40% Qs
Pile
he
ad
lo
ad
(kN
)
Pile head displacement (mm)
Static load test
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,00 1 2 3 4
Load (kN)
Z/D
80
205
600
800
1030
1140
3950
5875
6300
10000
15000
19500
22500
-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 90,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Pile
head load (
kN
)
Pile head displacement (mm)
0 100 200 300 400 500 6000
2
4
6
84
st series3
nd series2
nd series
Pile
head d
ispla
cem
ent (m
m)
Number of cycles
1st series
pile diameter
Les essais 1977-1979
Pieu moulé de 55 mm de diamètre
Sable d’une densité faible, 30%
Le taux de déformation permanent est en
relation avec les paramètres de charge
cyclique imposés
Le taux de déformation est très sensible
aux variations de l’amplitude cyclique
Introduction du concept de ‘Stabilité’
13
-
Quelques conclusions partielles
La réponse à l’arrachement est fortement influencée par
l’effet des chargements cycliques axiaux.
Le taux de déplacement permanent en tête du pieu
augmente de façon progressive.
La répartition de charge, et l’évolution des contraintes de
cisaillement le long du fût, est en relation avec le processus
de cyclage.
On constate une certaine valeur ‘limite’ suite à laquelle la
rupture cyclique semble irréversible.
On introduit une idée de ‘stabilité’.
14 …on continue nos essais
-
0
1
2
3
4
5
6
7
0.00 0.05 0.10 0.15 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4
Qcyc
/Qs=0.20
Qmean
/Qs=0.30
Pile
head load (
kN
)
Qcyc
/Qs=0.09
Qmean
/Qs=0.26
2000 cycles
Qcyc
/Qs=0.34
Qmean
/Qs=0.44
616 cycles
Pile head displacement (mm)
22 cycles
Essais 2007-2014, SOLCYP
Nous pouvons identifier trois types de réponses aux chargements cycliques: Stable,
Meta-Stable et Instable
Les cycles ‘Stables’ montrent de très lents taux de déformation presque constant dans
le temps grand nombre de cycles
Sensibilité importante à l’amplitude cyclique
15
Types de réponse
0 200 400 600 800 10002
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
Metastable
Stable
Unstable1m
m/1
00 c
ycle
s
1mm/104 cycles
Pile
he
ad d
isp
lace
men
t (m
m)
Number of cycles
10% Pile dia.
-
Diagrammes de stabilité cyclique
Essais 2007-2014, SOLCYP
Stable: Pas de rupture cyclique après > 1000 cycles? ~ Qcyc < 20% Qs
Meta-stable: Rupture cyclique potentielle entre 100 et 1000 cycles
Instable: Rupture cyclique en moins de 100 cycles 16
Pieux foncés Pieux battus
Meta-stable
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Nf=number of cycles at failure
410f
59 18f
44
14
616f
23
71f
22
11
Qcyc/Q
S
Qmean
/QS
Tw
o w
ayO
ne w
ay
>1000
Nf=1
10
25
500
100
Unstable
Stable
34f
165
Meta-stable
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Nf=number of cycles at failure
580
4
4
10
1
6625
1163f
9
Qcyc/Q
S
Qmean
/QS
Two
way
One
way
>1000
Nf=1
100
1000
500
5
Unstable
Stable
61
-
Essais 2007-2014, SOLCYP
0 100 200 300 400 500
-200
-100
0
100
200
'
cv=27
o
Sh
ea
r str
ess
rz (
kP
a)
Radial stress r (kPa)
Direction of
radial stresses
17
Réponse de l’interface
Mesure des chemins de contraintes à
l’interface sol-pieu
Analogie avec des essais de laboratoire
(Présentation Marc Boulon)
Pieu instrumenté Mini-ICP,
d’après Jardine et al. 2009
-
18
Chemin de contrainte presque vertical
éloigné de la ligne de rupture de l’interface,
contraction des contraintes radiales
Possible amélioration de la capacité à
l’arrachement
0 100 200 300 400 500
-200
-100
0
100
200
'
cv=27
o
Shear
str
ess
rz (
kP
a)
Radial stress r (kPa)
Direction of
radial stresses
0 100 200 300 400 500
-200
-100
0
100
200
'
cv=27
o
Shear
str
ess
rz (
kP
a)
Radial stress r (kPa)
Direction of
radial stresses
Essais 2007-2014, SOLCYP Réponse de l’interface
Stable, non alterné Instable, alterné
Forte contraction des contraintes radiales, la
totalité du fût atteint la rupture
Dégradation de la capacité à l’arrachement
-
19
0 100 200 300 400 500
-200
-100
0
100
200
'
cv=27
o
Shear
str
ess
rz (
kP
a)
Radial stress r (kPa)
Direction of
radial stresses
0 100 200 300 400 500
-200
-100
0
100
200
'
cv=27
o
Shear
str
ess
rz (
kP
a)
Radial stress r (kPa)
Direction of
radial stresses
Essais 2007-2014, SOLCYP Réponse de l’interface
Meta-stable, non alterné Meta-stable, alterné
Contraction progressive des contraintes radiales rupture progressive et locale
Possible dégradation de la capacité à l’arrachement
-
0 1 2 3 40
1
2
3
4
5
6
7
8
After unstable
TW cycles
After metastable
OW cycles
Pile
he
ad
lo
ad
(kN
)
Pile head displacement (mm)
After low amplitude
stable OW cycles
Essais 2007-2014, SOLCYP Effets de cycles sur la capacité à l’arrachement
20
Les essais stables de faible amplitude
purement en tension peuvent induire une
amélioration de la capacité à l’arrachement
Confirmation des résultats obtenus dans le
terrain, Jardine et al. 2006
L’interface montre une réponse plus dilatante
réarrangement des grains, densification
locale
L’analyse de l’interface joue un rôle très
important!!!
…et en parlant des interfaces?
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Essais 2007-2014, SOLCYP
36 mm de diamètre
Interface acier- sable suite à des essais ‘Ring shear’ d’après
Barmpopoulos et al. (2010), Ho et al. (2011)
Coupe d’un échantillon récupéré depuis l’interface
du pieu tomographie à rayon-X
Terrain?
L’interface pieu-sol joue un rôle fondamental
dans la réponse cyclique.
21
Réponse de l’interface
-
Conclusions
La réponse cyclique des pieux peut être caractérisée en trois types: Stable, Meta-Stable
et Instable.
La rupture cyclique de pieux montre un mode Top-to-Down. La rupture se propage
depuis la tête du pieux le long du fût.
Des améliorations potentielles jusqu’à 20% de la capacité à l’arrachement suite à des
cycles non-alternés (tension) de faible amplitude (Qcyclic < 27% Qs).
Cette augmentation de la capacité est actuellement attribuée à une dilatance améliorée
(densification locale).
Au cours du cyclage Métastable on observe un taux modéré de dégradation de la
capacité en raison de la contraction des contraintes radiales conduisant à une rupture
locale.
Dans le cas des cycles Instables on observe une dégradation rapide de la capacité suite
à une réduction plus importante des contraintes radiales menant à une rupture le long
du fût.
L’historique de chargement cyclique reste un sujet à analyser.
22
-
Perspectives
23
de la Macro à la Micro et vice versa
-
Merci! … et merci profe!
24