http:123link.proV8C5RÉSUMÉCette thèse vise à étudier le comportement de revêtement articulé du tunnel endéveloppant une nouvelle approche numérique à la Méthode de Réaction Hyperstatique(HRM) et la production des modèles numériques en deux dimensions et trois dimensions àlaide de la méthode des différences finies (FDM). Létude a été traitée dabord sous chargesstatiques, puis effectuée sous charges dynamiques.Tout dabord, une étude bibliographique a été effectuée. Une nouvelle approchenumérique appliquée à la méthode HRM a ensuite été développée. En même temps, unmodèle numérique en deux dimensions est programmé sur les conditions de charge statiquedans le but dévaluer linfluence des joints, en termes de la distribution et des caractéristiquesdes joints, sur le comportement du revêtement articulé de tunnel. Après cela, des modèlescomplets en trois dimensions dun seul tunnel, de deux tunnels horizontaux et de deux tunnelsempilés, dans lesquels le système des joints est simulé, ont été développés. Ces modèles entrois dimensions permettent détudier le comportement non seulement du revêtement dutunnel, mais encore le déplacement du sol entourant le tunnel lors de l’excavation. Un modèlenumérique en trois dimensions simplifié a ensuite été réalisé afin de valider la nouvelleapproche numérique appliquée à la méthode HRM.Dans la dernière partie de ce mémoire, la performance du revêtement articulé du tunnelsous chargements dynamiques est prise en compte par l’analyse quasistatique et dynamiquecomplète en utilisant le modèle numérique en deux dimensions (FDM). Un modèle HRM aégalement été développé prenant en compte des charges quasistatiques. Les différences decomportement de tunnel sous chargements statiques et sismiques sont mises en évidence et
Numerical analyses of segmental tunnel lining under static and dynamic loads Ngoc Anh Do To cite this version: Ngoc Anh Do Numerical analyses of segmental tunnel lining under static and dynamic loads Civil Engineering INSA de Lyon, 2014 English HAL Id: tel-01149920 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01149920 Submitted on May 2015 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche franỗais ou ộtrangers, des laboratoires publics ou privộs N° d’ordre : 2014ISAL0042 Année 2014 Thèse NUMERICAL ANALYSES OF SEGMENTAL TUNNEL LINING UNDER STATIC AND DYNAMIC LOADS ANALYSES NUMERIQUES DE REVETEMENT ARTICULE DE TUNNEL SOUS CHARGES STATIQUE ET DYNAMIQUE Présentée devant L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Pour obtenir LE GRADE DE DOCTEUR ECOLE DOCTORALE : MEGA – Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique Par Ngoc Anh DO Ingénieur et Master en Construction des Ouvrages Souterrains et des Mines Ecole supérieure des Mines et de Géologie, Hanoi, Vietnam Soutenue le 07 Juillet 2014 devant la Commission d’Examen Jury Mme et MM Richard KASTNER Professeur Président - INSA de Lyon Tarcisio CELESTINO Professeur Rapporteur - University of São Paulo Günther MESCHKE Professeur Rapporteur - Ruhr-Universität Bochum Pierpaolo ORESTE Professeur associé Examinateur - Politecnico di Torino Daniel DIAS Professeur Irini DJERAN-MAIGRE Professeur Directeur de thèse - Grenoble Alpes Université Directrice de thèse - INSA de Lyon Cette thèse a été effectuée au Laboratoire L.G.C.I.E de l’INSA de LYON Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales - Quinquennal 2011-2015 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE CHIMIE DE LYON http://www.edchimie-lyon.fr M Jean Marc LANCELIN Université de Lyon – Collège Doctoral Bât ESCPE 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 13 95 directeur@edchimie-lyon.fr M Gérard SCORLETTI Ecole Centrale de Lyon 36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 60.97 Fax : 04 78 43 37 17 Gerard.scorletti@ec-lyon.fr Mme Gudrun BORNETTE CNRS UMR 5023 LEHNA Université Claude Bernard Lyon Bât Forel 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex Tél : 06.07.53.89.13 e2m2@ univ-lyon1.fr Mme Emmanuelle CANET-SOULAS INSERM U1060, CarMeN lab, Univ Lyon Bâtiment IMBL 11 avenue Jean Capelle INSA de Lyon 696621 Villeurbanne Tél : 04.72.68.49.09 Fax :04 72 68 49 16 Emmanuelle.canet@univ-lyon1.fr Mme Sylvie CALABRETTO LIRIS – INSA de Lyon Bat Blaise Pascal avenue Jean Capelle 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72 43 80 46 Fax 04 72 43 16 87 Sylvie.calabretto@insa-lyon.fr E.E.A E2M2 Sec :Renée EL MELHEM Bat Blaise Pascal 3e etage Insa : R GOURDON ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE http://edeea.ec-lyon.fr Secrétariat : M.C HAVGOUDOUKIAN eea@ec-lyon.fr EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION http://e2m2.universite-lyon.fr Insa : H CHARLES EDISS INTERDISCIPLINAIRE SCIENCESSANTE http://www.ediss-lyon.fr Sec : Insa : M LAGARDE INFOMATHS INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES http://infomaths.univ-lyon1.fr Sec :Renée EL MELHEM Bat Blaise Pascal 3e etage infomaths@univ-lyon1.fr Matériaux MATERIAUX DE LYON http://ed34.universite-lyon.fr Secrétariat : M LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat Saint Exupéry Ed.materiaux@insa-lyon.fr MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE http://mega.universite-lyon.fr Secrétariat : M LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat Saint Exupéry mega@insa-lyon.fr M Jean-Yves BUFFIERE INSA de Lyon MATEIS Bâtiment Saint Exupéry avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 Jean-yves.buffiere@insa-lyon.fr M Philippe BOISSE INSA de Lyon Laboratoire LAMCOS Bâtiment Jacquard 25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél :04.72 43.71.70 Fax : 04 72 43 72 37 Philippe.boisse@insa-lyon.fr ScSo* M OBADIA Lionel http://recherche.univ-lyon2.fr/scso/ Université Lyon 86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07 Sec : Viviane POLSINELLI Tél : 04.78.77.23.86 Fax : 04.37.28.04.48 Brigitte DUBOIS Lionel.Obadia@univ-lyon2.fr Insa : J.Y TOUSSAINT *ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie ScSo ii Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés ACKNOWDLEGEMENTS The work described within this thesis was conducted at Laboratory LGCIE, INSA of Lyon, University of Lyon, France, from September 2011 to July 2014 Foremost, I am particularly grateful to my supervisors, Professor Daniel Dias, Professor Irini Djeran-Maigre They have been very supportive, given me invaluable advices on the preparation of this thesis and research articles I would like to thank Professor Daniel Dias for his constant support He pushed me to achieve my full potential His professional guidance and willingness to make himself constantly available have been crucial to the completion of this research I would like to thank Professor Irini Djeran-Maigre for her invaluable guidance, supervision, encouragement and support throughout this study I would like to state my sincere appreciation to my collaborator, Professor Pierpaolo Oreste, for his professional support, discussion and for his original Hyperstatic Reaction Method on which some new solutions presented in this study are based I wish to record my sincere appreciation of their help and I will never forget three years of my PhD study under their direction I would also like to thank every member of the Laboratory LGCIE, INSA of Lyon for their encouragement Special thanks to Mr Vu Xuan Hong for nominating me as a PhD candidate The financial support of the Vietnamese Ministry of Education and Training, Vietnam and of the Laboratory LGCIE, INSA of Lyon, France is gratefully acknowledged I would like to give thanks to my friends for their support during the hardest parts of this research Finally, I am deeply indebted to my family, who made this research possible by their support, patience and love Particularly, this research would not have started, could not have been undertaken and would never have been completed without the support of my wife, Ngoc and my two daughters, Chau Giang and Minh Chau Nothing would have been possible without their support and it is to them that I dedicate this thesis Ngoc Anh DO Lyon, July 2014 iii Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés SUMMARY This PhD thesis has the aim to study the behaviour of segmental tunnel lining by developing a new numerical approach to the Hyperstatic Reaction Method (HRM) and producing two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical models using the finite difference method (FDM) The study first deals with under static loads, and then performs under dynamic loads Firstly, a literature review has been conducted A new numerical approach applied to the HRM has then been developed At the same time, a 2D numerical model is programmed regarding static loading conditions in order to evaluate the influence of the segmental joints, in terms of both joint distribution and joint stiffness characteristics, on the tunnel lining behaviour After that, full 3D models of a single tunnel, twin horizontal tunnels and twin tunnels stacked over each other, excavated in close proximity in which the joint pattern is simulated, have been developed These 3D models allow one to investigate the behaviour of not only the tunnel lining but also the displacement of the ground surrounding the tunnel during the tunnel excavation A simplified 3D numerical model has then been produced in order to validate the new numerical approach applied to the HRM In the last part of the manuscript, the performance of the segmental tunnel lining exposed to dynamic loading is taken into consideration through quasi-static and full dynamic analyses using 2D numerical models (FDM) A new HRM model has also been developed considering quasi-static loads The differences of the tunnel behaviour under static and seismic loadings are highlighted Keywords: Tunnel; Segmental lining; Hyperstatic Reaction Method; Numerical model; Quasi static; Dynamic; Soft ground iv Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés v Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés RÉSUMÉ Cette thèse vise étudier le comportement de revêtement articulé du tunnel en développant une nouvelle approche numérique la Méthode de Réaction Hyperstatique (HRM) et la production des modèles numériques en deux dimensions et trois dimensions l'aide de la méthode des différences finies (FDM) L'étude a été traitée d'abord sous charges statiques, puis effectuée sous charges dynamiques Tout d'abord, une étude bibliographique a été effectuée Une nouvelle approche numérique appliquée la méthode HRM a ensuite été développée En même temps, un modèle numérique en deux dimensions est programmé sur les conditions de charge statique dans le but d'évaluer l'influence des joints, en termes de la distribution et des caractéristiques des joints, sur le comportement du revêtement articulé de tunnel Après cela, des modèles complets en trois dimensions d'un seul tunnel, de deux tunnels horizontaux et de deux tunnels empilés, dans lesquels le système des joints est simulé, ont été développés Ces modèles en trois dimensions permettent d'étudier le comportement non seulement du revêtement du tunnel, mais encore le déplacement du sol entourant le tunnel lors de l’excavation Un modèle numérique en trois dimensions simplifié a ensuite été réalisé afin de valider la nouvelle approche numérique appliquée la méthode HRM Dans la dernière partie de ce mémoire, la performance du revêtement articulé du tunnel sous chargements dynamiques est prise en compte par l’analyse quasi-statique et dynamique complète en utilisant le modèle numérique en deux dimensions (FDM) Un modèle HRM a également été développé prenant en compte des charges quasi-statiques Les différences de comportement de tunnel sous chargements statiques et sismiques sont mises en évidence et expliquées Mots-clés: Tunnel; Revêtement articulé; Méthode de Réaction Hyperstatiques; Modèle numérique; Quasi statique; Dynamique; Sol souple vi Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés vii Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés TABLE OF CONTENTS ACKNOWDELEMENTS .iii SUMMARY iv RÉSUMÉ vi TABLES OF CONTENTS viii LIST OF FIGURES xii LIST OF TABLES xxv GENERAL INTRODUCTION xxvii Background – Problematic xxix Scope xxx Original Features xxx Outline and Contents xxxi PART – BIBLIOGRAPHY Introduction .3 Chapter : Influence of Segmental Joints on the Tunnel Lining Behaviour 1.1 Introduction 1.2 Consideration of the effect of the joint connection 1.2.1 Effect of segmental joint studied by analytical methods 1.2.2 Effect of segmental joint studied by 2D numerical analysis 18 1.2.3 Effect of segmental joint studied by 3D numerical analysis 21 1.2.4 Effect of segmental joint studied by experimental tests 28 1.3 Conclusions 32 Chapter : Twin Tunnel Interaction …………………………………………………… 33 2.1 Introduction 34 2.2 Twin horizontal tunnel interaction 34 2.3 Stacked twin tunnel interaction 40 2.4 Conclusions 47 Chapter : Behaviour of Tunnel Lining under Dynamic Loads 47 3.1 Introduction 49 3.2 Analysis methods 51 3.2.1 Closed-form solutions 51 viii Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés 3.2.2 Physical tests 56 3.2.3 Numerical modelling 57 3.3 Conclusions 66 PART : STATIC ANALYSES OF SEGMENTAL TUNNEL LININGS………………67 Introduction………………………………………………………………………………….69 Chapter : Two-dimensional Numerical Analyses 71 4.1 Numerical Investigation of Segmental Tunnel Lining Behaviour 73 4.1.1 Introduction 73 4.1.2 The Bologna-Florence railway line project 73 4.1.3 Numerical modelling 75 4.1.4 Parametric study 77 4.1.5 Conclusions 93 4.2 Numerical Investigation - The influence of the Simplified Excavation Method on Tunnel Behaviour 95 4.2.1 Introduction 95 4.2.2 2D numerical modelling 96 4.2.3 2D parametric studies 99 4.2.4 Comparison between 2D and 3D numerical results 105 4.2.5 Conclusions 107 4.3 Numerical Investigation of the Interaction between Twin Tunnels: Influence of Segment Joints and Tunnel Distance 109 4.3.1 Introduction 109 4.3.2 Numerical modelling 109 4.3.3 Parametric study 112 4.3.4 Conclusions 116 4.4 General conclusions 117 Chapter : Three-dimensional Numerical Analyses 119 5.1 Numerical Investigation of a Single Tunnel 121 5.1.1 Introduction 121 5.1.2 Constitutive models 122 5.1.3 The adopted numerical model 123 ix Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure h) Normal displacement at the tunnel g) Normal displacement at the tunnel crown sidewall Figure A.1 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type A: cohesion c = 0.05MPa, friction angle = 350, Young’s modulus ES = 500MPa; K0= 0.5; H = 4R) (Case 1) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.2 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type A: cohesion c = 0.05MPa, friction angle = 350, Young’s modulus ES = 500MPa; K0= 1.5; H = 4R) (Case 2) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.3 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type B: cohesion c = 0.02MPa, friction angle = 310, Young’s modulus ES = 150MPa; K0= 0.5; H = 4R) (Case 3) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.4 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type B: cohesion c = 0.02MPa, friction angle = 310, Young’s modulus ES = 150MPa; K0= 1.5; H = 4R) (Case 4) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.5 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type C: cohesion c = 0.005MPa, friction angle = 280, Young’s modulus ES = 50MPa; K0= 0.5; H = 4R) (Case 5) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.6 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type C: cohesion c = 0.005MPa, friction angle = 280, Young’s modulus ES = 50MPa; K0= 1.5; H = 4R) (Case 6) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.7 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type A: cohesion c = 0.05MPa, friction angle = 350, Young’s modulus ES = 500MPa; K0= 0.5; H = 20R) (Case 7) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.8 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type A: cohesion c = 0.05MPa, friction angle = 350, Young’s modulus ES = 500MPa; K0= 1.5; H = 20R) (Case 8) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.9 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type B: cohesion c = 0.02MPa, friction angle = 310, Young’s modulus ES = 150MPa; K0= 0.5; H = 20R) (Case 9) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.10 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type B: cohesion c = 0.02MPa, friction angle = 310, Young’s modulus ES = 150MPa; K0= 1.5; H = 20R) (Case 10) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.11 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type C: cohesion c = 0.005MPa, friction angle = 280, Young’s modulus ES = 50MPa; K0= 0.5; H = 20R) (Case 11) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés a) Bending moment at the tunnel sidewall b) Bending moment at the tunnel crown c) Normal force at the tunnel sidewall d) Normal force at the tunnel crown e) Maximum shear force f) Maximum normal pressure g) Normal displacement at the tunnel sidewall h) Normal displacement at the tunnel crown Figure A.12 Behaviour of the tunnel lining considering changes in the tunnel dimensions (diameter D), lining thickness, and reduction factor of rigidity, , (ground type C: cohesion c = 0.005MPa, friction angle = 280, Young’s modulus ES = 50MPa; K0= 1.5; H = 20R) (Case 12) Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés FOLIO ADMINISTRATIF THESE SOUTENUE DEVANT L'INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON NOM : DO Prénoms : Ngoc Anh DATE de SOUTENANCE : 07 juillet 2014 TITRE : Numerical analyses of segmental tunnel lining under static and dynamic loads NATURE : Doctorat Numéro d'ordre : 2014ISAL0042 Ecole doctorale : Mécanique, Energétique, Génie civil, Acoustique Spécialité : Génie Civil RESUME : This PhD thesis has the aim to study the behaviour of segmental tunnel lining by developing a new numerical approach to the Hyperstatic Reaction Method (HRM) and producing twodimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical models using the finite difference method (FDM) The study first deals with under static loads, and then performs under dynamic loads Firstly, a literature review has been conducted A new numerical approach applied to the HRM has then been developed At the same time, a 2D numerical model is programmed regarding static loading conditions in order to evaluate the influence of the segmental joints, in terms of both joint distribution and joint stiffness characteristics, on the tunnel lining behaviour After that, full 3D models of a single tunnel, twin horizontal tunnels and twin tunnels stacked over each other, excavated in close proximity in which the joint pattern is simulated, have been developed These 3D models allow one to investigate the behaviour of not only the tunnel lining but also the displacement of the ground surrounding the tunnel during the tunnel excavation A simplified 3D numerical model has then been produced in order to validate the new numerical approach applied to the HRM In the last part of the manuscript, the performance of the segmental tunnel lining exposed to dynamic loading is taken into consideration through quasi-static and full dynamic analyses using 2D numerical models (FDM) A new HRM model has also been developed considering quasi-static loading The differences of the tunnel behaviour under static and seismic loadings are highlighted MOTS-CLES : Tunnel; Segmental lining; Hyperstatic Reaction Method; Numerical model; Quasi static; Dynamic; Soft ground Laboratoire (s) de recherche : LGCIE – Laboratoire de Génie Civil et d’Ingénierie Environnementale Directeur de thèse: Professeur Daniel DIAS et Professeur Irini DJERAN-MAIGRE Président de jury : Professeur Richard KASTNER Composition du jury : Richard KASTNER Tarcisio CELESTINO Günther MESCHKE Pierpaolo ORESTE Irini DJERAN-MAIGRE Daniel DIAS Professeur, Lab LGCIE, INSA de Lyon, France Professeur, University of São Paulo, Brazil Professeur, Ruhr-Universität Bochum, Germany Professeur associé, Politecnico di Torino, Italie Professeur, Lab LGCIE, INSA de Lyon, France Professeur, Lab LTHE, Grenoble Alpes Université Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés Président Rapporteur Rapporteur Examinateur Directrice de thèse Directeur de thèse SUMMARY: This PhD thesis has the aim to study the behaviour of segmental tunnel lining by developing a new numerical approach to the Hyperstatic Reaction Method (HRM) and producing two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) numerical models using the finite difference method (FDM) The study first deals with under static loads, and then performs under dynamic loads Firstly, a literature review has been conducted A new numerical approach applied to the HRM has then been developed At the same time, a 2D numerical model is programmed regarding static loading conditions in order to evaluate the influence of the segmental joints, in terms of both joint distribution and joint stiffness characteristics, on the tunnel lining behaviour After that, full 3D models of a single tunnel, twin horizontal tunnels and twin tunnels stacked over each other, excavated in close proximity in which the joint pattern is simulated, have been developed These 3D models allow one to investigate the behaviour of not only the tunnel lining but also the displacement of the ground surrounding the tunnel during the tunnel excavation A simplified 3D numerical model has then been produced in order to validate the new numerical approach applied to the HRM In the last part of the manuscript, the performance of the segmental tunnel lining exposed to dynamic loading is taken into consideration through quasi-static and full dynamic analyses using 2D numerical models (FDM) A new HRM model has also been developed considering quasi-static loads The differences of the tunnel behaviour under static and seismic loadings are highlighted Keywords: Tunnel; Segmental lining; Hyperstatic Reaction Method; Numerical model; Quasi static; Dynamic; Soft ground RÉSUMÉ : Cette thèse vise étudier le comportement de revêtement articulé du tunnel en développant une nouvelle approche numérique la Méthode de Réaction Hyperstatique (HRM) et la production des modèles numériques en deux dimensions et trois dimensions l'aide de la méthode des différences finies (FDM) L'étude a été traitée d'abord sous charges statiques, puis effectuée sous charges dynamiques Tout d'abord, une étude bibliographique a été effectuée Une nouvelle approche numérique appliquée la méthode HRM a ensuite été développée En même temps, un modèle numérique en deux dimensions est programmé sur les conditions de charge statique dans le but d'évaluer l'influence des joints, en termes de la distribution et des caractéristiques des joints, sur le comportement du revêtement articulé de tunnel Après cela, des modèles complets en trois dimensions d'un seul tunnel, de deux tunnels horizontaux et de deux tunnels empilés, dans lesquels le système des joints est simulé, ont été développés Ces modèles en trois dimensions permettent d'étudier le comportement non seulement du revêtement du tunnel, mais encore le déplacement du sol entourant le tunnel lors de l’excavation Un modèle numérique en trois dimensions simplifié a ensuite été réalisé afin de valider la nouvelle approche numérique appliquée la méthode HRM Dans la dernière partie de ce mémoire, la performance du revêtement articulé du tunnel sous chargements dynamiques est prise en compte par l’analyse quasi-statique et dynamique complète en utilisant le modèle numérique en deux dimensions (FDM) Un modèle HRM a également été développé prenant en compte des charges quasi-statiques Les différences de comportement de tunnel sous chargements statiques et sismiques sont mises en évidence et expliquées Mots-clés: Tunnel; Revêtement articulé; Méthode de Réaction Hyperstatiques; Modèle numérique; Quasi statique; Dynamique; Sol souple Cette thèse est accessible l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0042/these.pdf © [N.A Do], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés ... simulating the segmental tunnel lining exposed to dynamic circumstances in both quasi -static and full dynamic conditions Determination of the segmental tunnel lining behaviour under dynamic loads; ... d’ordre : 2014ISAL0042 Année 2014 Thèse NUMERICAL ANALYSES OF SEGMENTAL TUNNEL LINING UNDER STATIC AND DYNAMIC LOADS ANALYSES NUMERIQUES DE REVETEMENT ARTICULE DE TUNNEL SOUS CHARGES STATIQUE ET DYNAMIQUE... 225 PART : DYNAMIC ANALYSES OF SEGMENTAL TUNNEL LININGS…………227 Introduction……………………………………………………………………………… 229 Chapter : Numerical Analyses under Dynamic Loads : Quasi -Static Analysis 231