Application de la Méthode des Points Matériels aux phénomènes gravitaires

par Fabio Gracia Danies

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

Sous la direction de Pascal Villard et de Vincent Richefeu.

Le président du jury était Guillaume Chambon.

Le jury était composé de Anne Mangeney, Ali Rafiée, Pierre Plotto.

Les rapporteurs étaient Eduardo E. Alonso, Jean-Pierre Rajot.


  • Résumé

    Dans les régions de montagne, la prévision des évènements gravitaires reste un défi pour la gestion des risques. Des méthodes de calcul telles que la méthode des éléments discrets (DEM), où les particules interagissent les unes avec les autres pour restituer un comportement global d’une masse granulaire, ont été utilisées pour aborder ce type de problématique. L’application de la DEM reste normalement limitée aux évènements de petits volumes impliquant un nombre de blocs plutôt faible, puisque les temps de calcul peuvent devenir rapidement prohibitifs avec l’augmentation du nombre de particules. Les méthodes de calcul continues sont donc une alternative intéressante car elles permettent de réduire les temps de calcul. Elles nécessitent cependant la définition d’une loi de comportement macroscopique capable de représenter correctement les principaux traits de comportement mécanique du matériau au sein de la masse. L'objectif principal du travail de thèse réside dans le développement d’un outil numérique permettant de modéliser certains aléas gravitaires tels que les écoulements en masse. Notre choix s’est porté sur une méthode Lagrangienne-Eulérienne (méthode des points matériels – MPM) capable de gérer de grandes déformations tout en bénéficiant des principaux avantages de la méthode des éléments finis (FEM). La méthode utilise une grille Eulérienne fixe sur laquelle se déplacent des points matériels pendant les simulations. Un outil numérique, nommé MPMbox (2D et 3D), a été développé entièrement durant la thèse en C++. Le code a été validé à l'aide d'une série de solutions analytiques en quasi-statique (tests géotechniques standards) ainsi que par des applications de la littérature incluant des déformations importantes et rapides (tests d'affaissement). Après validation, le code a été confronté aux prédictions d’un outil de calcul DEM (DEMbox) dans le cadre de simulations numériques impliquant l'écoulement (initiation, régimes transitoires, propagation et arrêt) d'un matériau granulaire (particules sphero-polyhédriques) sur un plan incliné. Les résultats ont été comparés en termes de distance de propagation, de forme du dépôt et d'énergies dissipées à l'interface et dans la masse pendant l'écoulement. Pour les applications qui ont suivies, des éléments discrets ont été couplés à la MPM afin qu'un bloc rigide (DEM) puisse interagir avec un sol déformable (MPM). Cette application a consisté en l'analyse (2D) de la collision entre un bloc rocheux rigide (rond ou carré) et un sol bicouche élastoplastique. Les investigations ont été largement basées sur la mesure de coefficients de restitution (rapport des énergies cinétiques avant et après impact) qui reste difficile à déterminer expérimentalement.

  • Titre traduit

    Application of the Material Point Method to gravitational phenomena


  • Résumé

    In mountainous regions, the prediction of gravitational phenomena remains a challenge for the management of risk. Computational methods such as the Discrete Element Method (DEM) have been used for the modeling of these types of phenomena, where particles interact with each other to give an overall behavior of the mass. Its application can be somewhat restricted to small and medium number of blocks, since the computational time can easily become too large. Continuum analyses are therefore an attractive approach, which can reduce the computational times, but that rely on a constitutive law to represent the behavior within the mass. The main objective of this PhD was to develop a numerical tool that allowed the modeling of some specific gravitational hazards, such as the flowing of mass. A Lagrangian-Eulerian method such as the Material Point Method (MPM) is able to handle large deformations, while preserving most of the capabilities of the Finite Element Method (FEM). The method uses an Eulerian grid which is only used as a numerical scratch-pad, and remains fixed during simulations. A numerical tool named MPMbox (2D and 3D) was then developed from the ground up using C++. The code was validated using a series of analytical solutions for quasi-static analysis (some standard geotechnical tests), as well as simulations including large and rather rapid deformations (slump tests). After validation, the code was first used to make a numerical comparison with the DEM. In the comparison, a parametric survey was carried out during which the flow of a granular material on a sloped surface was simulated. Results were compared in terms of run-out distance, spread of the deposit and energy dissipated at the interface and within the mass during the flow. For a second study, discrete elements were coupled with MPM so that a rigid block could interact with a deformable soil. This application consisted in the (2D) analysis of the collision between a discrete block (round and squared) and a bounded elasto-plastic double-layered soil (soft over hard layers). The investigations were largely based on the measurement of the restitution coefficient (ratio of kinetic energies before to after the impact), which cannot be easily determined experimentally.

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