Thèse doct.-ing.--Paris VI, 1974. / Résumé en anglais, allemand, espagnol et russe. Notes bibliogr.

Th. Univ.--Génie civil--Lille, 1991. / Résumé en anglais. Bibliogr. f. 122-125.

Les pieux doivent supporter les charges axiales transmises par la structure supportée sans perdre leur capacité portante et/ou subir des dommages structurels, ainsi que limiter les tassements excessifs. Ceci est vérifié en examinant la stabilité (résistance) et la tenue des mouvements au service (par exemple les tassements admissibles) de la fondation sur pieux. Les cadres de conception classiques (par exemple les spécifications AASHTO LRFD) traitent uniquement de la conception du pieu à l'état limite de résistance et la tenue des mouvements au service du pieu est généralement vérifiée après avoir déterminé la capacité portante. Par conséquent, un cadre de conception plus complet et plus pratique est nécessaire pour tenir compte simultanément des états limites de résistance et de service. Une approche d'analyse basée sur la prédiction de la réponse charge-tassement peut faciliter l'incorporation des états limites de résistance et de service dans la conception de routine des fondations sur pieux à charge axiale. La recherche présentée dans cette thèse visait à étudier les états limites de résistance et de service pour l'analyse et la conception de pieux tubulaires en acier chargés axialement. La recherche a été menée en trois phases majeures d'étude. La première phase a étudié la stabilité d'un pieu ayant une section carrée tubulaire en acier. Le modèle considérait le flambage d'un pieu chargé axialement retranché dans un milieu continu. Des analyses d'éléments finis tridimensionnels ont été effectuées en modélisant des pieux partiellement enfoncés dans des sols argileux et sableux typiques. Des analyses tridimensionnelles ont été nécessaires pour tenir compte de l'influence du milieu élastique du sol environnant. Afin de modéliser la section de pieu au plus près de la réalité, aucune contrainte particulière n'a été imposée à l'extrémité du pieu. L'influence de l'appuie-tête de pieu, ainsi que du support latéral du sol, sur la stabilité d'un pieu a été étudiée. De plus, à des fins de conception, l'effet de la rigidité de l'interface pieu-sol sur la valeur de la charge critique de flambement (Pcr) a été mis en évidence. La deuxième phase de l'étude a vérifié la stabilité du système pieux-sol contre la rupture en considérant la non-linéarité du milieu sol environnant. À ce stade, la tenue des mouvements au service du système pieu-sol a également été examinée au moyen de la relation charge-tassement du pieu afin de certifier de manière satisfaisante les déformations admissibles. Les objectifs de cette deuxième phase de l'étude ont été atteints grâce à la réalisation de deux niveaux d'analyse: (1) analyses par éléments finis en milieu continu, et (2) des analyses de transfert de charge unidimensionnelles. Le premier niveau d'analyse impliquait l'utilisation de modèles d'éléments finis bidimensionnels et tridimensionnels qui incorporaient des modèles de sol élastoplastiques classiques (Drucker-Prager et Mohr-Coulomb) et modèles de sol élastiques non linéaires (Duncan-Chang et Hyperbolic). Les propriétés de ces sols sont généralement obtenues à partir d'essais en laboratoire. Dans ce contexte, une nouvelle stratégie de modélisation a été proposée pour l'analyse élasto-plastique des pieux à section tubulaire en acier à angles vifs encastrés dans un sol granulaire (sableux). Le deuxième niveau d'analyse a introduit une approche basée sur l'utilisation simultanée des méthodes de transfert de charge et d'analyse par éléments finis. Dans ce cadre, une approche par éléments finis élasto-plastiques a été mise en œuvre afin de réaliser des analyses par éléments finis non linéaires avec la courbe réponse charge-tassement de pieux isolés chargés axialement. Ceci a été réalisé via les courbes de contrainte-déplacement non linéaires pieu-sol le long de l'arbre du pieu (courbe t-z) et en pointe (courbe q-z). L'algorithme de plasticité a considéré l'écrouissage par les courbes d'interaction pieu-sol (t-z et q-z). L'analyse du transfert de charge a montré une caractérisation significativement améliorée du comportement charge-tassement des pieux, par rapport aux résultats d'essais sur le terrain. Le calcul du tassement du pieu a également été amélioré en reproduisant les courbes d'interaction à la fois pour l'arbre du pieu et la pointe du pieu via l'utilisation de la méthode dite de «sous-couche» ou de «recouvrement». Enfin, la troisième phase visait à fournir un cadre de conception pratique tenant compte simultanément de la résistance du pieu et des états limites de service. Le cadre de conception tient compte de la stabilité (flambage) de la section de pieux et peut être étendue à la conception de différents types de fondations profondes telles que des tubes en acier et des pieux en béton. / Piles should sustain the axial loads transmitted from the supported structure without failing in bearing capacity and/or undergoing structural damage, as well as limit excessive settlements. This is verified by examining the stability (strength) and serviceability (e.g. permissible settlements) of the pile foundation. Classical design frameworks (e.g. the AASHTO LRFD specifications) only address the pile design at the strength limit state, and the pile serviceability is typically checked after determining the design bearing capacity. Therefore, a more comprehensive and practical design framework is required to account simultaneously for the strength and serviceability limit states. An analysis approach based on predicting the load-settlement response can facilitate the incorporation of both strength and serviceability limit states in the routine design of axially loaded pile foundations. The research presented in this dissertation aimed at investigating the strength and serviceability limit states for the analysis and design of axially loaded steel tubular piles. The research was conducted over three major phases of study. The first phase investigated the stability of a pile having tubular steel square section. The model considered buckling of an axially loaded pile entrenched in a continuous medium. Three-dimensional finite element analyses were conducted by modelling partially embedded piles in typical clayey and sandy soils. Three-dimensional analyses were necessary in order to account for the influence of the surrounding soil elastic medium. In order to model the pile section as closely as possible to reality, no particular restrains were imposed on the pile tip. The influence of the pile head restraint, as well as lateral soil support, on the stability of a pile was investigated. Moreover, the effect of the pile-soil interface stiffness on the value of critical buckling load (Pcr) was brought to light for design purposes. The second phase of the study verified the stability of the pile-soil system against failure by considering the nonlinearity of the surrounding soil medium. The serviceability of the pile-soil system was also examined at this stage by means of the pile load-settlement relation in order to certify satisfactory control of the allowable deformations. The objectives of the second phase of the study were met through conducting two levels of analyses: (1) Continuum medium-based finite element analyses, and (2) one-dimensional load transfer analyses. The first level of analyses involved using two- and three-dimensional finite element simulations, that incorporated classical elasto-plastic (Drucker-Prager and Mohr-Coulomb), and nonlinear elastic (Duncan-Chang and Hyperbolic) soil models. The properties of such soils are generally obtained from lab tests. In this context, a new modelling strategy was proposed for the elasto-plastic analysis of steel tubular section piles having sharp corners embedded in a granular (sandy) soil medium. The second level of analyses introduced an approach based on the simultaneous use of the load transfer and finite element analysis methods. In this framework, an elasto-plastic finite element approach was implemented in order to conduct nonlinear finite element analyses with the load-settlement response curve of axially loaded single piles. This was achieved via the nonlinear pile-soil stress-displacement curves along the pile shaft (t-z curve) and a tip (q-z curve). The plasticity algorithm considered strain hardening through the pile-soil interaction (t-z and q-z) curves. The load transfer analysis showed a significantly improved characterization for the pile load-settlement behavior compared to field test results. The computation of pile settlement was also improved by reproducing the interaction curves for both pile shaft and pile tip via the use of the so-called "Sublayer" or "Overlay" method. Finally, the third phase aimed at providing a practical design framework accounting simultaneously for the pile strength and serviceability limit states. The design framework accounts for the stability (buckling) of the pile section and can be extended to the design of different types of deep foundations such as steel tubular and concrete piles.

Les pieux énergétiques constituent une technique récente permettant d’une part le chauffage et la climatisation de bâtiments et assurant d’autre part le rôle de fondations profondes. Cette technique consiste à mettre en place dans des fondations profondes classiques un système échangeur de chaleur. Le principe de transfert de chaleur est similaire à celui utilisé pour des systèmes échangeurs de chaleur conventionnels : un fluide caloporteur permet d’extraire de l’énergie thermique du sol durant l'hiver et d’en injecter durant l’été. Dans le cas de pieux énergétiques, l’interaction entre le sol, le pieu et la structure ne fait pas seulement appel à des considérations mécaniques mais exigent de tenir compte d’aspects thermiques et hydrauliques, ce qui rend relativement complexe la compréhension globale du comportement d’un pieu énergétique. Actuellement, en France, la réalisation effective de pieux énergétiques rencontre un certain nombre de difficultés qui sont en partie liées à une connaissance insuffisante des effets des cycles de température sur la pérennité d’un système de fondations constitué de pieux échangeurs de chaleur. L’objectif de ce mémoire est d’apporter quelques éclairages sur ce sujet, notamment dans le but de contribuer, à terme, à l’élaboration de règles de calcul simples de la portance des fondations profondes énergétiques. Tout d’abord, une synthèse des phénomènes physiques régissant l’interaction thermo-hydro-mécaniques mis en jeu est présentée. Ensuite, considérant le rapport entre le diamètre d’un pieu et sa longueur suffisamment faible, les travaux réalisés se focalisent essentiellement sur les problématiques liées à l’allongement et au raccourcissement du pieu dans sa direction axiale. Différentes modélisation numériques sont effectuées par la méthode des différences finies pour étudier la réponse de pieux énergétiques dans des terrains sans cohésion en tenant compte de différentes conditions aux limites. Le premier modèle est relatif à un pieu énergétique isolé soumis à une seule charge thermique. Le second traite d’un pieu énergétique isolé soumis à une charge axiale mécanique et des variations de température. Le troisième porte sur le comportement des pieux énergétiques appartenant à un groupe de pieux. L’analyse porte en particulier sur l'interaction entre ces pieux et les autres pieux classiques. Dans tous les cas, afin de rendre compte correctement des effets cycliques, l’interface sol-pieu est modélisée par la loi ‘Modjoin’ développée au LGCgE. Enfin, un modèle unidimensionnel basé sur la méthode de courbes de transfert de type t–z est mis en oeuvre. Une loi t–z prenant en compte les effets de chargements cycliques est mise au point. Elle permet notamment de gérer la non-linéarité des phénomènes cycliques et de rendre compte de différents types d’écrouissage. / The recent technology for the heating/cooling building system, known as thermo-active piles, has effectively reduced the land use area and drilling cost by incorporating the vertical closed-loop heat exchanger pipes into the pile foundations. The heat transfer principle remains the same with the conventional ground heat exchanger system: an extraction of the steady ground temperature during winter and a recharge of the ground thermal energy during summer. Indeed, the energy transfer in the thermo-active pile system is becoming more complex owing to the thermo-hydro-mechanical interaction between the ground, the aquifer, the concrete pile, and the overlying building. Recently in France, the implementation of this novelty faces some difficulties due to the lack of understanding about the potential impact of seasonal temperature cycles on the environmental sustainability and the structural safety. Considering those concerns, this thesis conducts the study of the thermo-active piles behavior and their interaction with the structure and the environment in the intention to optimize the geotechnical design of such piles according to the French design standard for the deep foundations. First of all, a study of the physical phenomena occurring in the entire system under the thermo-hydro-mechanical interactions is conducted. Since the ratio of the pile diameter and the pile length is very small, the temperature variations in the pile affect mainly the pile axial response. Thus, the study interest is narrowed to the impact of temperature cycles on the pile bearing capacity by paying a particular attention on modeling the soil–structure interaction with finite difference method. A set of three-dimensional numerical models is performed to understand the thermo-active piles response located in cohesionless soil with consideration of several loading stages and various restraint conditions. The first model concerns a single thermo-active pile subjected to a single thermal load, the second deals with a single thermo-active pile under combined axial mechanical and cyclic thermal loads, and the third one is related to the thermo-active piles located in a group of piles to observe the influence on the other classical bearing piles. The need to properly render the cyclic plasticity behavior in such piles is provided by modeling the interface elements at the soil–pile contact zone using the laboratory-developed law named ‘Modjoin’ law. Otherwise, the load transfer t–z method in one-dimensional model can be an alternative solution in the practical geotechnical design, but no t–z law that takes into account the cyclic fatigue effects exists yet. This study carries out a development of the existing t–z law by integrating the nonlinearity condition and cyclic hardening rules.

Dans le cadre du Projet National SOLCYP, le présent travail avait pour but d'étudier la réponse des pieux sous chargements axiaux pour les phases avant, pendant et après cycles. Pour atteindre cet objectif, une étude expérimentale étendue a donc été réalisée par le moyen de deux compagnes d'essais de chargements cycliques sur différents types de pieux instrumentées (battus, forés, vissés) dans deux sites expérimentaux : le site de Merville dans l'argile surconsolidée des Flandres et le site de Loon-Plage près de Dunkerque dans les sables denses des Flandres. Les essais cycliques comportaient des essais en compression, en traction et alternés avec des séries de cycles à forte amplitude conduisant à la rupture cyclique et des séries d'amplitude modérée à très grands nombres de cycles (N>5 000 cycles).L'interprétation de ces essais a englobé, d'une part, une analyse globale du comportement des pieux sous chargements cycliques notamment (i) la réduction de la capacité du pieu; (ii) le nombre de cycles que le pieu peut support avant la rupture (iii) l'évolution du déplacement en tête des pieux (rigidité cyclique). D'autre part, elle a intégré une étude locale en particulier sur la dégradation du frottement latéral et l'évolution de la résistance de pointe du pieu. Cette thèse, basée sur l'étude expérimentale, a permis la formulation des conclusions pratiques sur le comportement des pieux sous chargements cycliques axiaux et a proposé des perspectives pour bien cerner cette problématique

Dans le cadre du Projet National SOLCYP, le présent travail avait pour but d'étudier la réponse des pieux sous chargements axiaux pour les phases avant, pendant et après cycles. Pour atteindre cet objectif, une étude expérimentale étendue a donc été réalisée par le moyen de deux compagnes d'essais de chargements cycliques sur différents types de pieux instrumentées (battus, forés, vissés) dans deux sites expérimentaux : le site de Merville dans l'argile surconsolidée des Flandres et le site de Loon-Plage près de Dunkerque dans les sables denses des Flandres. Les essais cycliques comportaient des essais en compression, en traction et alternés avec des séries de cycles à forte amplitude conduisant à la rupture cyclique et des séries d'amplitude modérée à très grands nombres de cycles (N>5 000 cycles).L'interprétation de ces essais a englobé, d'une part, une analyse globale du comportement des pieux sous chargements cycliques notamment (i) la réduction de la capacité du pieu; (ii) le nombre de cycles que le pieu peut support avant la rupture (iii) l'évolution du déplacement en tête des pieux (rigidité cyclique). D'autre part, elle a intégré une étude locale en particulier sur la dégradation du frottement latéral et l'évolution de la résistance de pointe du pieu. Cette thèse, basée sur l'étude expérimentale, a permis la formulation des conclusions pratiques sur le comportement des pieux sous chargements cycliques axiaux et a proposé des perspectives pour bien cerner cette problématique

Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2000. / Bibliogr. f. 115-122.

Les fondations profondes sont largement utilisées et peuvent subir différent types de sollicitations axiales. Ces dernières peuvent avoir un caractère monotone ou cyclique. Le développement de méthodes de calcul pour prévoir le comportement des pieux sous ces deux types de chargements en termes de tassement et d’évolution de capacité portante, est d’une grande utilité pour l’ingénierie géotechnique. Le travail de cette thèse est une contribution à une meilleure prévision du comportement des pieux sous charges axiales monotones et cycliques. La thèse comporte deux parties principales. La première partie traite la problématique de la prévision du tassement d’un pieu sous charge axiale monotone. Un intérêt particulier est porté aux tassements car le dimensionnement d’un pieu requiert une estimation adéquate à la fois de la capacité portante et du déplacement en tête de pieu. La méthode utilisée dans cette partie est celle des courbes de transfert. L’étude commence tout d’abord par une analyse statistique du modèle habituellement utilisé pour le calcul de tassement nommé Frank et Zhao. Ensuite, deux nouveaux modèles de calcul de tassement sont proposés et analysés. Une analyse comparative entre les trois modèles de calcul de déplacement d’un pieu est réalisée dans cette étude. L’objectif de cette analyse est d’estimer la dispersion des modèles de calcul en comparant les tassements calculés aux tassements mesurés et répertoriés dans la base de données de l’IFSTTAR. La seconde partie s’intéresse à la problématique des chargements cycliques. En effet, plusieurs types de structures sont sollicités cycliquement et peuvent subir des désordres du fait de l’accumulation de déplacements en tête des fondations. L’objectif de cette partie de la thèse est de proposer un modèle permettant de rendre compte principalement de l’évolution de la capacité portante du pieu au cours des cycles, et aussi de proposer une estimation des déplacements. Le modèle développé se base sur la méthode des courbes de transfert, et est associé à deux procédures de dégradation du frottement axial limite. Il est tout d’abord présenté et ensuite appliqué à un exemple théorique. Afin de valider ce modèle, ses résultats sont comparés aux résultats d’essais de pieux en vraie grandeur / Different types of loads can be applied to deep foundations which are widely used nowadays. Piles can be subjected to monotonic or cyclic loads. Thus, geotechnical engineering needs the development of calculation methods to predict the behavior of piles under these types of loads in terms of displacements and bearing capacity. The study presented in this thesis aims to ameliorate the prediction of the behavior of piles under axial monotonic and cyclic loads. This thesis is divided into two parts. The issue of the first part is the prediction of the settlement of a pile submitted to monotonic and axial load. This part focuses on the estimation of settlements because a correct design of a pile requires a correct estimation of bearing capacity as well as displacements. The approach used in this part is the load transfer method. The study starts by a statistical analysis of the t-z model of Frank and Zhao which is generally used for the calculation of pile settlements. Two new t-z models of settlement calculation are presented and analyzed later. Moreover, a comparative analysis between the three t-z models is presented in this study. The aim of this analysis is to estimate the dispersion of the models using the comparison between calculated settlements and measured settlements listed in IFSTTAR’s database. The second part of the thesis deals with the issue of cyclic loads. Indeed, different structures can be subjected to cyclic loads and disorders can be noted due to the accumulation of displacements at the top of the pile. The aim of this part is to propose a calculation model allowing essentially the estimation the evolution of bearing capacity during cycles. It permits also the estimation of displacements. The model developed in this part is based on load transfer approach, and is associated to two calculation methods of degradation of shaft friction. This model is firstly presented, and then it is applied to a theoretical case. In order to validate this model, its numerical results are compared to experimental results of full scale pile tests

Les efforts transmis aux fondations des ouvrages de génie civil (éoliennes, infrastructures de transport, ...) sont rarement constants et montrent des fluctuations plus ou moins importantes. Le travail présenté concerne l'étude en centrifugeuse du comportement du pieu isolé et des groupes de 2×2 pieux sous chargement latéral cyclique dans du sable de Fontainebleau sec dense ou moyennement dense. On s'intéresse, pour un chargement en condition de « service », à l'accumulation des déplacements en tête, à l'évolution des moments maximum et à la dégradation des courbes p-y suite au chargement cyclique. Dans le cas des groupes de pieux, l'influence des cycles sur l'effet de groupe, généralement caractérisé par un effet d'ombre sur les rangées arrières du groupe a été étudiée, ainsi que celle de l'entraxe et de la densité. L'accumulation de déplacements en tête, pour le pieu isolé et le groupe de pieux, augmente avec le niveau de chargement cyclique. Une formulation en deux phases logarithmiques de cette accumulation est proposée. Des courbes p-y enveloppes ont été déterminées et une relation a pu être établie entre les courbes p-y monotone et cyclique du pieu isolé. Pour les groupes de pieux, dans le cas d'un entraxe égal à 3B, différentes relations sont proposées et tiennent compte de la position du pieu (pieu avant ou pieu arrière) ainsi que du chargement cyclique. Pour le chargement axial, un pieu instrumenté pour des essais en centrifugeuse a été développé dans le cadre de cette thèse. Les premiers résultats obtenus avec ce pieu permettent d'étudier la répartition des efforts dans le pieu (frottement et pointe) pendant et après les cycles.

Dans le cadre du Projet National SOLCYP, le présent travail avait pour but d'étudier la réponse des pieux sous chargements axiaux pour les phases avant, pendant et après cycles. Pour atteindre cet objectif, une étude expérimentale étendue a donc été réalisée par le moyen de deux compagnes d'essais de chargements cycliques sur différents types de pieux instrumentées (battus, forés, vissés) dans deux sites expérimentaux : le site de Merville dans l'argile surconsolidée des Flandres et le site de Loon-Plage près de Dunkerque dans les sables denses des Flandres. Les essais cycliques comportaient des essais en compression, en traction et alternés avec des séries de cycles à forte amplitude conduisant à la rupture cyclique et des séries d'amplitude modérée à très grands nombres de cycles (N>5 000 cycles).L'interprétation de ces essais a englobé, d'une part, une analyse globale du comportement des pieux sous chargements cycliques notamment (i) la réduction de la capacité du pieu; (ii) le nombre de cycles que le pieu peut support avant la rupture (iii) l'évolution du déplacement en tête des pieux (rigidité cyclique). D'autre part, elle a intégré une étude locale en particulier sur la dégradation du frottement latéral et l'évolution de la résistance de pointe du pieu. Cette thèse, basée sur l'étude expérimentale, a permis la formulation des conclusions pratiques sur le comportement des pieux sous chargements cycliques axiaux et a proposé des perspectives pour bien cerner cette problématique / As part of the French National research project SOLCYP, the purpose of this work was study the behavior of the piles under axial loadings for the phases before, during and after cycles.To achieve this objective, an extensive series of static and cyclic axial pile load tests have been carried out in two experimental sites of the North of France: the overconsolidated Flandrian clays (Merville experimental site) and in dense Flandrian sands (Loon-Plage experimental site). Tests were performed on driven closed-ended pipe piles, bored piles and screwed. All piles were instrumented with retrievable extensometers for measuring the load distribution along the pile wall.Cyclic load tests were composed of series of cycles of constant load amplitude. A large range of load histories were applied including series of small amplitude cycles and great number of cycles (N > 5000) and series of large amplitude cycles leading to cyclic failure after a small number of cycles..A large volume of data has been interpreted to describe the effects of axial cyclic loads on the behavior of the piles. The interpretation of these tests included, on the one hand, a global analysis focusing on (i) the potential reduction on the ultimate axial capacity; (ii) the number of load cycles of a given load that the pile can sustain before cyclic failure and (iii) the evolution of displacements of the pile head during cyclic loading (pile stiffness). In addition, it integrated a local study in particular on shaft friction degradation along the pile wall and evolution of the resistance of point of the pile.This thesis, based on the experimental study, allowed the formulation of the practical conclusions on the behavior of the piles under axial cyclic loadings and proposed prospects for determining these problems well