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?

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