LCPC - Moyens remarquables - Centrifugeuse

Pont Rion-Antirion

Situé 250 km à l’ouest d’Athènes (Grèce), le Pont Rion-Antirion assurera à partir de 2004 une nouvelle liaison en franchissant le golfe de Corinthe. Avec une portée de référence de 560 mètres, le pont de Rion-Antirion se place parmi les dix plus grands ponts : construit sur quatre pylônes, chaque fondation atteignant un diamètre de 90 m, c’est le pont à haubans qui présente le tablier suspendu le plus long du monde (2252 mètres). Le pont doit résister à la collision d’un pétrolier de 180 000 tonnes navigant à 16 nouds, à des vents de 250 km par heure et à des séismes de 7 sur l’échelle de Richter.

Modélisation Physique en Centrifuge pour les grands ouvrages de Génie Civil
Chaque grand ouvrage de Génie Civil présente la particularité de constituer un prototype : il n’y a pas toujours d’antécédent auquel les ingénieurs puissent se référer pour prévoir le comportement de leur ouvrage. Par ailleurs les grands ouvrages en construction dans le monde sont de plus en plus souvent audacieux et font appel à des concepts novateurs. Les outils dont dispose l’ingénieur pour la conception et le dimensionnement d’un ouvrage exceptionnel sont la modélisation numérique et la modélisation physique. La modélisation numérique est une transcription en termes mathématiques d’une approche idéalisée de l’ouvrage, la modélisation physique consiste en des expériences sur modèle réduit de tout ou partie de l’ouvrage. Cette dernière permet non seulement de valider les modèles théoriques, mais aussi de visualiser et de quantifier le comportement de l’ouvrage, tout particulièrement dans des situations extrêmes de comportement non linéaire ou de chargement à la rupture (séisme, chocs, tempête exceptionnelle, etc..). Ces modèles physiques nécessitent cependant des installations lourdes (souffleries, tables vibrantes, centrifugeuses géotechniques). Pour l’étude des fondations et des interactions sol-structure, les règles de similitude, établies pour l’essentiel par Edouard Phillips en 1869, conduisent à tester les modèles réduits sous macrogravité, en centrifugeuse. L’accélération centrifuge doit être n fois supérieure à la pesanteur terrestre si le modèle est réalisé à l’échelle 1/n.

Caractéristiques du site
Le challenge est de construire un ouvrage reliant le Péloponnèse au continent dans des conditions d’environnement extrêmement délicates : profondeur de 65m au milieu du détroit, sols de fondation de caractéristiques médiocres (alluvions quaternaires de faibles caractéristiques sur des épaisseurs supérieures à 500m), aléa sismique élevé (séisme de magnitude 7 prenant naissance sur une faille située à environ 8km, induisant des accélérations maximales de 0.5G au niveau du sol). L’ouvrage doit pouvoir s’adapter à des mouvements tectoniques importants (décalages de 2m entre deux appuis consécutifs, tant en vertical qu’en horizontal).

Principe de fondation
Le principe de fondation est totalement novateur en zone sismique. Chaque pylône s’appuie sur un caisson de 90m de diamètre, qui repose au fond de la mer sur le sol préalablement renforcé par des inclusions rigides verticales. Au nombre de 150 à 200 sous chaque appui, ces inclusions sont tubulaires (2m de diamètre, 25 à 30m de longueur) et battues selon une maille de 7m par 7m environ. Une couche de ballast de 3,60m est intercalée entre le toit de l’argile marine et la surface inférieure du radier emprisonnant la tête des inclusions, la fondation n’étant jamais en contact avec les inclusions.
L’ensemble de ce concept, graviers plus inclusions rigides, permet à la fois de contrôler le mode de rupture de la fondation en cas d’événement exceptionnel et de limiter les efforts transmis à la superstructure. Le gravier joue le rôle de fusible et le renforcement des sols permet d’éviter le développement de surfaces de rupture profondes qui induiraient des mouvements de rotation importants sur un pylône de 230m de hauteur.
Ce procédé de fondation novateur a été adopté par le groupement d’entreprises GEFYRA, qui a été chargé de la construction du pont et dont le groupe VINCI DUMEZ-GTM est le pilote.

Essais en centrifugeuse
Les essais ont été réalisés sur la centrifugeuse du centre de Nantes du LCPC à la demande d’Alain Pecker, directeur de GEODYNAMIQUE & STRUCTURE (chargé de la conception du système de fondation du pont). L’argile du site a été utilisée pour ces expériences. Mélangée à de l’eau de façon à obtenir un matériau plus fluide, l’argile est d’abord débarrassée des éléments grossiers (coquillages, galets, algues,.), puis consolidée en plusieurs couches dans des conteneurs de 89 cm de diamètre. Les inclusions sont ensuite foncées dans l’argile (certaines étant instrumentées avec des jauges de déformation pour mesurer les efforts qu’elles reprennent) et la couche de ballast puis la fondation circulaire sont mises en place.

Mise en place des inclusions à 1G dans le massif (agile naturelle)

La préparation se termine par l’installation des dispositifs de chargement (servo-vérin et moteur électrique) et la pose de l’instrumentation (caméras de suivi, capteurs de mesure des efforts appliqués, des déplacements verticaux et horizontaux de la fondation, du tassement du sol, des pressions interstitielles.).

Fondation immergée et dispositif expérimentale

Le conteneur est alors placé dans la centrifugeuse et subit d’abord une phase de consolidation sous 100 g pendant plusieurs heures, jusqu’à ce que le degré de consolidation requis, déterminé par la méthode d’Asaoka, soit atteint. Des essais au pénétromètre statique sont réalisés pour vérifier les caractéristiques mécaniques de l’argile, sans arrêt de la centrifugeuse. Les essais de chargement peuvent ensuite débuter et la fondation est soumise à différents types de sollicitation d’amplitude croissante : chargements horizontaux associés à des moments et alternant des séquences de chargement statique et cyclique. Le dernier chargement est volontairement poussé jusqu’à la rupture du système de fondation. Après arrêt de la centrifugeuse, le massif de sol fait l’objet de découpes verticales pour déterminer les déformations internes et la cinématique de la rupture.

Etat du remblai modélisé avec du sable après essai

Visualisation des ruptures sous chargement horizontal cyclique

Les expériences ont permis de vérifier la bonne tenue du système de fondation sous sollicitations, de déterminer le diagramme des chargements limites admissibles et les mécanismes de rupture. Les données expérimentales nécessaires à la validation des approches théoriques et numériques ont aussi été obtenues. Les essais sur modèles réduits ont enfin contribué à optimiser le nombre et la position des inclusions de renforcement. On peut ajouter que le groupe des experts internationaux chargé de la vérification du dimensionnement, parmi lesquels le professeur Peck, est venu assister à un essai. La réponse du pont aux effets du vent a par ailleurs été étudiée, également sur modèles réduits, dans la soufflerie du centre de Nantes du CSTB (aerodynamique.cstb.fr) et les haubans ont été testés sur le banc de fatigue du centre de Nantes du LCPC.

Pour en savoir plus :

GARNIER J., PECKER A. (1999) Use of centrifuge tests for the validation of innovative concepts in foundation engineering. 2nd Int. Conf. on Earthquake Geotechnical Engineering, Lisbonne, juin, 7p.

PECKER A. (1998) Apport des essais en centrifugeuse au dimensionnement d’une fondation de pont. Colloque " Mécanique et géotechnique. Jubilé scientifique de Pierre Habib ". Luong (ed.) ISBN2 7302 0521 3. pp. 143-153.

PECKER A. (2000) Pont de Rion - Antirion : fiabilité et conception parasismique des fondations. La sécurité des grands ouvrages, Presses ENPC, pp. 21-51.

RUSSEL H. (2000) Greek triumph - A bridge is born. Bridge design & engineering, Fourth quarter, pp. 29-36.

TEYSSANDIER J.-P., COMBAULT J., PECKER A. (2000) Rion-Antirion, le pont qui défie les séismes. La Recherche 334, septembre pp. 42-46.

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