Dispositif expérimental d'impact de blocs rocheux de Gresy

Parmi les risques naturels auxquels sont exposées les zones montagneuses, les chutes de blocs sont les plus fréquents.

Les chutes de blocs sont caractérisés par le déplacement rapide et brutal d'un volume de roche inférieur à la centaine de m³, constitué de un à plusieurs dizaines de blocs rocheux. Ceci inclut les chutes de pierres, phénomènes d’ampleur non catastrophique mais d’occurrence quotidienne dans certains secteurs et ayant des conséquences parfois dramatiques.

Sur cette thématique, les travaux menés au sein de l'unité ETNA concernent notamment les ouvrages de protection de type merlon. Les merlons se présentent sous la forme de digues, construits en terre. Leur rôle est d’intercepter les blocs rocheux dans leur course, au pied des versants d'où ils proviennent.

Une solution particulière pour la construction de ces merlons consiste à empiler des « cellules ». Ces cellules se présentant sous la forme de cages de grillage métallique remplies de matériaux naturels (pierres, sol...). Elles sont plus couramment appelées gabions et sont de forme parallélépipède rectangle (1m*1m*3m). La technologie cellulaire offre la possibilité de construire facilement des ouvrages « sandwichs », au sein desquels les cellules ont des caractéristiques différentes selon leur position. La figure 1 présente deux exemples de tels ouvrages : les cellules constituant le parement exposé aux blocs rocheux sont remplies de matériaux grossiers (pierres) tandis que les cellules au cœur de l’ouvrage, et dites de noyau, sont remplies de matériaux plus fins. L’objectif avec une telle structure sandwich est d’améliorer l’efficacité du merlon à arrêter les blocs rocheux, en favorisant la dissipation d’énergie notamment.

Objectifs scientifiques

Le développement de cette technologie s’appuie sur une approche expérimentale menée en parallèle d’une approche numérique, menées aux différents échelles allant des matériaux à l’ouvrage. Il s’agit en particulier d’étudier leur comportement mécanique sous sollicitations dynamiques d'impact dans des conditions similaires à celles rencontrées au sein du merlon.

Ces travaux ont été menés dans le cadre du projet REMPARe, soutenu par l’ANR, avec en particulier réalisation d’expérimentations à l’échelle de la cellule sous sollicitations dynamiques d’impact.

Ces expérimentations ont été conduites dans une partie non exploitée de la carrière de Grésy sur Aix (73), propriété de l’entreprise Léon Grosse. Ce site est géré par le LOCIE, laboratoire de l’université de Savoie. L’équipement de ce site a été pris en charge par al structure fédérative RNVO.

Dispositif expérimental

La définition des conditions expérimentales et des caractéristiques du dispositif a été guidée (1) par la nécessité de reproduire de façon réaliste les conditions de chargement par un bloc rocheux lors d’un impact sur le merlon cellulaire et (2) par la volonté de fournir des données de calage et de validation des modèles numériques.

Les expérimentations consistent à larguer en chute libre un impacteur depuis une hauteur maximale de 7m. L’impacteur est une sphère de 260 kg ayant un poids volumique de 30kN/m³, constitué d’une coque en acier remplie de béton. Il est équipé d’un accéléromètre placé en son centre, permettant de mesurer la décélération de l’impacteur lors de l’impact. (Lambert et al., 2009 ; 2007 ; Lambert , 2007)

La cellule à soumettre à impact est placée sur un socle en béton considéré indéformable. Ce socle repose sur trois capteurs de force disposés en trépied, sur la dalle du site.

Lors de l’impact, la décélération de la sphère et la force sur chacun des trois capteurs de force sont mesurées.
L’accélération mesurée (a, en m/s²) permet de calculer la force d’impact par la relation F=m*a, où m est la masse de la sphère (en kg). Cette force est la force appliquée sur l’impacteur par la cellule. On calcule également la force transmise à la dalle lors de l’impact par sommation des mesures faites par les 3 capteurs de force. La force d’impact et la force transmise permettent d’évaluer la réponse de la cellule à l’impact.

Dans le souci de s’approcher de la réalité à l’échelle de l’ouvrage différentes configurations ont été  considérées (Fig. 4) :

Les matériaux de remplissage sont soit des matériaux grossiers (pierres de 60 à 120 mm) soit des matériaux fins (sable) pour lequel un géotextile de contention est utilisé.

Latéralement la cellule est soit :

• laissée libre de se déformer : essais non confinés – NC (Fig. 4 (a)),
• confinée dans une structure rigide : essais confinés – C (Fig. 4 (b)),
• entourée d’un massif constitué du même matériau que son matériau de remplissage : essais en confinement matériau – CM (Fig. 4 (c)).

Ces trois conditions aux limites balayent l’éventail des possibilités à l’échelle de l’ouvrage.

La figure 5 présente quelques résultats obtenus avec ce dispositif expérimental. Les conclusions fortes qui s’en dégagent, concernant l’influence des deux paramètres principaux sont :

• lorsque l’on favorise les déplacements sur les faces latérales de la cellule on augmente fortement la durée de l’impact et on réduit à la fois la force d’impact et la force transmise
• les courbes donnant la force d’impact sont très irrégulières pour les cellules remplies de pierres ;
• avec une cellule remplie de pierres l’impact dure plus longtemps qu’avec une cellule remplie de sable ;

avec une cellule remplie de sable, la force transmise est plus grande qu’avec une cellule remplie de pierres, du fait de la fracturation de celles-ci.

Ces expérimentations ont permis de valider le modèle numérique des cellules remplies de pierres (Bertrand, 2007 ; Bertrand et al., 2006). Le modèle numérique est un modèle discret : il décrit les matériaux par des éléments sphériques. Ce modèle avait été calé puis validé à partir d’essais de compression simple, à vitesse lente (Lambert et al., 2011).

Les résultats des simulations numériques d’impacts sur cellules s’avèrent très proches des résultats expérimentaux, quelles que soient les conditions aux limites de la cellule (Fig. 6). Forts de cette validation du modèle numérique, il a été possible de modéliser le comportement de différents ouvrages cellulaires (Bourrier et al., 2011 ; Bertrand et al., 2010 ; Lambert et al., 2010 ; Bertrand, 2007).

Collaborations

• Laboratoire 3SR – UMR5521, Grenoble.
• Locie, Université de Chambéry.

Publications

Bourrier, F., Lambert, S., Heymman, A., Gotteland, P., Nicot, F. (2011). How multi-scale approaches can benefit cellular structure design. Canadian geotechnical journal, accepté.

Lambert, S., Nicot, F., Gotteland, P. (2011). Uniaxial compressive behavior of scrapped-tire and sand-filled wire netted geocell with a geotextile envelope. Geotextiles and geomembranes, Vol. 29, p. 483-490.

Lambert, S., D. Bertrand, Nicot; F., Gotteland, P., Heymann, A. (2010). Les merlons pare-blocs : de l'expérimentation à la simulation numérique. Sciences, Eaux & Territoires, Vol. 2, p. 198-205.

Bertrand, D., Lambert, S., Gotteland, P., Nicot, F., (2010). Les merlons à structure cellulaire. Traité MIM – Collection Risques naturels : Géo-mécanique des instabilités rocheuses : du déclenchement à l’ouvrage, p. 369-402.

Lambert, S., Gotteland, P., Nicot, F. (2009). Experimental study of the impact response of geocells as components of rockfall protection embankments, Natural Hazards and Earth Systems Science, Vol. 9, p. 459-467.

Lambert, S. (2007). Comportement mécanique de géocellules – application aux constituants de merlons pare-blocs cellulaires, Thèse de doctorat, Université Joseph Fourier Grenoble 1, 237 p.

Lambert, S., Gotteland, P., Bertrand, D., Nicot, F. (2007). Comportement mécanique de géo-cellules sous impact – application aux ouvrages pare-blocs, Revue française de géotechnique, Vol. 119, p. 51-63.

Nicot, F., Gotteland, P., Bertrand, D., Lambert, S. (2007). Multi-scale approach to geo-composite cellular structures subjected to impact, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 31, p. 1477-1515.

Bertrand, D. (2007) Modélisation du comportement mécanique d’une structure cellulaire soumise à une sollicitation dynamique localisée, Application aux structures de protection contre les éboulements rocheux. Thèse de doctorat, Université Joseph Fourier Grenoble 1, 2006, 197 pages.

Bertrand, D., Gotteland, P., Lambert, S., Nicot F.(2006). Multi-scale modelling of cellular geo-composite structure under localized impact. Revue Européenne de Génie civil. Vol. (10)3, p. 309-322p.

Bertrand, D., Nicot, F., Gotteland, P., Lambert, S (2006). Modelling a geo-composite cell using discrete analysis, Computers and geotechnics, Vol. 32, p 564-577.

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Dr Stéphane Lambert
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Spécialités : Mécanique des solides, mécanique des sols, ouvrages de protection