Modélisation numérique du mécanisme de liquéfaction des sols : application aux ouvrages hydrauliques

par Guillaume Veylon

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de François Nicot.

Le président du jury était Pierre-Yves Hicher.

Le jury était composé de Jean-François Serratrice, Maxime Nicolas, Luc Sibille, Bachir Touileb.

Les rapporteurs étaient Claudio Di Prisco, Eric Vincens.


  • Résumé

    Les matériaux granulaires présentent un large spectre de propriétés mécaniques. Développer des modèles constitutifs permettant d'intégrer ces caractéristiques dans le cadre de simulations à l'échelle de l'ouvrage demeure un réel challenge scientifique. A cet égard, les approches multi-échelles constituent aujourd'hui une voie très prometteuse. Elles permettent de faire émerger des propriétés macroscopiques à partir de modèles micromécaniques calibrés à l'échelle microscopique.Parmi les modèles multi-échelles, le modèle H marque une avancée majeure pour la prise en compte des effets de la microstructure dans le comportement des matériaux granulaires. La structure du matériau granulaire est décrite par une distribution d'hexagones orientés dans l'espace. A partir d'opérations d'homogénéisation, les contraintes et les déformations incrémentales sont reliées à l'échelle de la distribution, donnant lieu à un modèle de comportement qui a la capacité à reproduire propriétés mécaniques essentielles des matériaux granulaires.Nous étudions dans un premier temps les propriétés mécaniques de l'assemblage hexagonal de grains, élément de base du modèle H, afin d'identifier les conditions menant à sa déstabilisation. Nous réalisons dans un second temps une étude de sensibilité du modèle constitutif vis-à-vis des paramètres micro-mécaniques et microstructurels. Enfin, nous démontrons les capacités opérationnelles du modèle à partir d'essais triaxiaux non drainés réalisés sur un sable lâche liquéfiable.Dans un second temps, le modèle H est implémenté en tant que loi constitutive dans un code de calcul aux différences finies. Des simulations d'essais biaxiaux non homogènes sont conduites afin d'explorer les capacités du modèle à reproduire les différents modes de rupture observés en laboratoire. L'utilisation du modèle H pour modéliser des essais biaxiaux drainés et non drainés met clairement en évidence l'influence de la microstructure sur la réponse mécanique des matériaux granulaires. Enfin, le modèle H est utilisé dans le cadre d'une simulation hydro-mécanique couplée à l'échelle de l'ouvrage pour modéliser le chargement d'une fondation superficielle et la rupture d'une digue soumise à une crue.

  • Titre traduit

    Numerical modeling of soil liquefaction at the structure scale : application to hydraulic structures


  • Résumé

    Granular materials generally exhibit a broad spectrum of mechanical properties. Developing constitutive models to integrate these properties in the context of simulations at the structure scale remains a real scientific challenge. In this respect, multi-scale approaches offer very promising solutions as they allow the emergence of macroscopic properties from micromechanical models calibrated on a microscopic scale.Among the multiscale models, the H model marks a major step forward in taking into account the effects of the microstructure in the behavior of granular materials. The structure of the granular material is described by an assembly of hexagons, oriented in space. From homogenization operations, stresses and incremental strains are related to the scale of the assembly, giving rise to a constitutive model that has the ability to reproduce the essential mechanical properties of granular materials.We first study the mechanical properties of the hexagonal grain assembly in order to identify the conditions leading to the triggering of its instability. We then carry out a study of the sensitivity of the constitutive model with respect to micro-mechanical and microstructural parameters. Finally, we demonstrate the operational capacities of the model from triaxial undrained tests carried out on a liquefiable loose sand.In a second step, the H model is implemented as a constitutive law in a finite difference code. Simulations of non-homogeneous biaxial tests are carried out in order to explore the model's capacities to reproduce the different failure modes observed in the laboratory. The use of the H model to model drained and undrained biaxial tests highlights the influence of the microstructure on the mechanical response of granular materials. Finally, model H is used in numerical simulations at the structure scale to model the loading of a shallow foundation and the failure of a levee subjected to a flooding event.


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