Numerical model of a Mechanically Stabilized Earth wall under High Speed Train loading
Modélisation du comportement d'un remblai renforcé sous chargement ferroviaire de type TGV
Résumé
This study focuses on the numerical modeling of the Mechanically Stabilized Earth (MSE)
walls behavior under High Speed Train (HST) loading.
First, the state of the art in reinforced earth as well as in railway dynamics modeling
is analyzed. Then we present results coming from the testing of a one-scale reinforced
embankment submitted to harmonic loading. They indicate that tensile forces in reinforcements,
stresses and displacements depend on loading frequency which is related to train
speed. One proposes a 3D Finite Element Model (FEM) in order to numerically reproduce
this experimentation. The numerical results fit reasonably well with the experimental ones,
highlighting the great importance of the choice of the constitutive law for the soil, reinforcement
and facing.
The same model is used to locally investigate the soil/reinforcement interface behaviour
during a harmonic loading in steady-state. The confining pressure presents significant
variations along the reinforcement strip during the dynamic loading while tensile forces
are less affected by the load. Nevertheless, the global interface stability remains
acceptable compared to a static load.
A second numerical model is proposed, which represents a bigger embankment.
The multiphase model is used to represent the reinforced soil and moving coordinates are
used to take into account the moving train. Theoretical developments of this model and its
implementation into CESAR-LCPC FEM code are detailed. The results indicate that the
train speed does not play a big role in the overall response of the structure, in the case of a
stiff reinforcement comparable to the experimental one. If the embankment is weaker, the
HST speed may be close to shear waves speed within the soil, which has significant consequences
into the structure, particularly on the stability of the soil/reinforcement interface.
Globally the experimental results and those coming from both numerical models
present the same trends: the dynamic effect coming from the train passing leads to the increase
of displacements and confining pressure close to the highest strips, while tensile
forces are less affected by the load. This leads us to the conclusion that the train speed does
not have a significant effect on the stability of MSE walls, at least for embankments having
similar parameters than the experimental one. However these results strongly depend on the
embankment geometry, the way to model the train and the parameters and constitutive laws
chosen for the soil, the soil/reinforcement interface and the facing.
Cette thèse étudie le comportement de remblais en sol renforcé lors du passage de trains à
grande vitesse, par simulation numérique. Il s’agit de déterminer si les trains à grande vitesse
ont un impact particulier sur ce type d’ouvrage.
Après un état de l’art des remblais en sol renforcé et de la modélisation numérique
de problèmes ferroviaires, les résultats du chargement harmonique d’un remblai expérimental
en Terre Armée sont analysés. Ils montrent que les valeurs des tractions dans les armatures,
des contraintes et déplacements dans le massif dépendent de la fréquence de la sollicitation,
c'est-à-dire de la vitesse de passage du train. On construit un modèle 3D aux
éléments finis pour reproduire cette expérience. Il permet de retrouver les valeurs expérimentales
avec une bonne précision, en mettant en avant l’importance du choix des lois de
comportement du sol, du parement et des armatures.
Ce modèle avec ses paramètres est alors utilisé pour discuter du comportement local
de l’interface armature/remblai au cours d’un chargement harmonique en régime établi.
Le confinement varie beaucoup le long des armatures supérieures au cours du chargement
dynamique, tandis que les tractions sont peu affectées par le chargement dynamique. Cependant,
malgré ces variations au cours du temps, la stabilité de l’interface reste peu affectée
par rapport au cas d’un chargement statique.
Un second modèle a été développé pour représenter un remblai de taille plus importante,
en utilisant la modélisation multiphasique et en utilisant un référentiel mobile pour
prendre en compte le déplacement du train. Les aspects théoriques et l’implémentation de
ce modèle dans le code CESAR-LCPC sont détaillés. On l’utilise pour effectuer une étude
tridimensionnelle d’un remblai renforcé. Elle met en évidence la faible influence de la vitesse
de la charge sur la réponse de l’ouvrage, dans le cas d’un remblai raide ayant des caractéristiques
tirées du remblai expérimental. Dans le cas d’un remblai moins raide, la vitesse
d’un TGV peut s’approcher de la vitesse des ondes de cisaillement dans le massif avec
des conséquences significatives au sein de la structure.
Finalement, les valeurs expérimentales et les deux modèles numériques développés
présentent les mêmes tendances : l’effet dynamique du passage du train a pour conséquence
une augmentation des déplacements et une variation du confinement des armatures, tandis
que les niveaux de traction sont peu affectés par la charge, ce qui nous incite à conclure que
la vitesse du train n’est pas significativement pénalisante sur la stabilité des remblais pour
les paramètres issus de l’analyse du remblai expérimental. Toutefois, ces résultats dépendent
fortement de la géométrie de la structure, de la façon de modéliser le train, des lois de
comportement et des valeurs des paramètres retenus pour le sol, le parement et l’interface
sol/armature.
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