Analyse des effets thermiques sur le comportement mécanique des bétons destinés aux revêtements de tunnels: Fid-Bau Portal

Analyse des effets thermiques sur le comportement mécanique des bétons destinés aux revêtements de tunnels

Aggoun, S. / Torrenti, J. M. / Prost, J. / Legrand, M.

Résumé Le problème de la fissuration des revêtements de tunnels en béton non armé, notamment en l'absence de causes externes est étroitement lié aux caractéristiques physico-chimiques du matériau. La connaissance de la cinétique d'hydratation du béton, à partir d'essais quasi-adiabatiques, nous a permis de déterminer le terme source de l'équation classique de Fourier pour le transfert de la chaleur. La résolution de celle-ci se fait à l'aide du module Texo qui simule d'une manière satisfaisante les champs de températures se développant au cours de la fabrication des pièces en béton. La détermination de ces champs de températures nous a conduit à localiser les zones à fortes élévations de température. A partir d'une loi de comportement thermo-élastique vieillissante, nous déterminons les contraintes qui en résultent. Le résultat, en terme de contraintes, fait apparaître que la fissuration transversale des revêtements de tunnels en béton non armé est pratiquement inéluctable et surtout qu'elle est traversante. L'ouverture de ces fissures est notamment dépendante de la présence ou non des hors profils géométriques et du dosage en ciment du béton.

Summary The use of an unreinforced sectional concrete lining in rock excavated tunnels presently appears to be technically and economically appropriate for ensuring good stability and effective operation. However, this type of structure suffers from systematic crack formation. In the absence of external loads, cracking in this type of lining is closely related to the physico-chemical characteristics of the material and to the environment in which this material is ageing. The phenomenon is worsened by conditions particular to tunnels, viz., on the one hand, the strains hindered by the surrounding ground, and on the other the pre-cast invert; also, the presence of geometric overbreaks can lead to variations in the lining thickness. The importance of the heat and hydration gradients resulting from the above phenomena is demonstrated by field tests. Numerical simulations based on laboratory tests let us assess the resulting stresses. (i) Practically unavoidable transverse crack formation can result from the effects of heat. The width of this type of crack and the frequency depend especially on the outer shape and on the proportion of cement in the concrete. (ii) Surface skin cracking can occur, resulting from the effects of hydration. Checks made in the tunnels investigated revealed the cracks expected from our computations. However, these results, in terms of thermal stresses, should not be overestimated especially bearing in mind the numerical model currently used, which does not consider creep effects during the setting and initial hardening of the concrete.