Optimizing the design and modeling of 2D-tunnel excavation centrifuge models in granular soils

RÉSUMÉ: L’urbanisation rapide accroît la demande de tunnels souterrains pour répondre aux besoins croissants en infrastructures, tout en limitant les perturbations de surface. Le creusement dans les sols granulaires saturés reste toutefois moins bien compris que dans les argiles, ce qui justifie le recours accru à la modélisation expérimentale et numérique. Les modèles physiques 2D à échelle réduite simulent fréquemment l’excavation par un cylindre rigide et une membrane en caoutchouc remplie d’eau, progressivement vidée. Cette étude utilise l’analyse par éléments finis pour optimiser ces essais en centrifugeuse dans le sable. La membrane est représentée par un modèle hyperélastique d’Ogden et le sol par un modèle de Mohr-Coulomb, complété par un modèle de plasticité de type cap à élasticité non linéaire. Les effets de la rigidité de la membrane s’amplifient avec la perte de volume, et les interactions sol-membrane influencent fortement les déformations. Ces résultats fournissent des pistes pour améliorer la modélisation centrifuge des tunnels en sols granulaires. Ces résultats contribuent à optimiser la modélisation en centrifugeuse en mettant en évidence le rôle de la saturation, des propriétés de la membrane et du comportement du sol dans la redistribution des contraintes.

ABSTRACT: Rapid urbanization drives demand for underground tunnels to meet infrastructure needs while minimizing surface disruption. Unfortunately, tunneling in saturated granular soils is less well understood than in clays, leading to increasing reliance on experimental and numerical modeling. It is common in scaled 2D physical models to simulate tunnel excavation using a rigid cylinder and a fluid-filled rubber membrane gradually emptied to mimic tunnel installation. This study uses finite element analysis to optimize such centrifuge experiments on tunnels in sand. A hyperelastic Ogden model represents the membrane, and the soil is modeled with a Mohr-Coulomb model and an advanced cap plasticity model with nonlinear elasticity. Membrane stiffness was found to influence the tunnel volume loss, and membrane–soil interactions subsequently affect ground responses. The fluid cavity method with a soft membrane best replicates experimental settlements, outperforming the previously used numerical methods. The study shows that partially saturated soils undergo greater tunnel induced surface deformation and stress transfer than saturated soils. These findings will help optimize centrifuge modeling by highlighting the roles of saturation, membrane stiffness and soil behavior in tunnel soil-structure interaction.