Influence des cycles hydriques de la dessiccation et de l’humidification sur le comportement hydromécanique des géomatériaux non saturés

Influence of hydric cycles of humidification and desiccation on the hydromechanical coupled behaviour of unsaturated geomaterials

• Auteur / Autrice : Wahib Arairo
• Direction : Florent Prunier, Irini Djeran-Maigre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 07/05/2013
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCIE - Laboratoire de Génie Civil et d' Ingénierie Environnementale, EA 4126 (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Félix Darve
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florent Prunier, Irini Djeran-Maigre, Félix Darve, Jean Vaunat, Patrick Dangla, David Williams, Alain Millard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Vaunat, Patrick Dangla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élastoplasticité

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Sols insaturés

Géomatériaux

Mots clés libres

Géomatériau

Sol non saturé

Milieu poreux

Comportement élastoplastique

Sollicitation hydromécanique

Couplage hydromécanique

Hystérésis

Modélisation

Méthode des éléments finis

Geomaterial

Unsaturated soil

Porous medium

Elastoplastic behaviour

Hydromechanical coupling

Hysteresis

Modelisation

Finite element method

Résumé

Ce travail de recherche porte sur le comportement des milieux poreux (triphasiques), plus particulièrement les sols non saturés sous sollicitations hydro-mécaniques. Un modèle constitutif élastoplastique couplé est développé. Ce modèle original est formulé selon les principes suivants: une loi constitutive est développée pour décrire le comportement de chaque phase (squelette solide, liquide, et gaz). Ensuite, des relations de couplage sont ajoutées entre chacune des phases. Pour le comportement du squelette solide, une loi élastoplastique non associée est adoptée, avec deux surfaces de charges, en cisaillement et en compression. La partie hydrique est décrite par une formulation qui permet de prendre en compte l’effet d’hystérésis. Ce modèle a été enrichi par une relation de couplage hydromécanique qui permet d’exprimer la pression d’entrée d’air en fonction de la porosité. Ensuite, le couplage complet se fait avec la contrainte effective de Bishop en utilisant une nouvelle définition du paramètre de succion χ grâce à laquelle, les différents phénomènes présents dans la réponse des milieux poreux sous différentes sollicitations peuvent être reproduits. Ce modèle est validé par une confrontation à des données expérimentales issues de la littérature sur différents types de sol (sable, limon,…). Le modèle est implanté dans le code aux éléments finis Cast3M. L’analyse de problèmes particuliers, tels que la mise en œuvre d’un cas test d’un sol d’assise soumis à un cycle pluvial, ainsi que l’étude de la stabilité d’une pente, permette de montrer la capacité du modèle à reproduire le comportement des milieux poreux non saturés.

This work focuses on the behaviour of porous triphasic media, particularly on unsaturated soils subjected to hydromechanical loading. A coupled elastoplastic constitutive model has been developed. This original model is formulated according to the following principles: (1) a constitutive law describing the behaviour of different phases (solid skeleton, liquid and gas). (2) coupling relationships between each phase. For the behaviour of the solid skeleton, a non associated elastoplastic constitutive law is adopted, with two loading surfaces: shear surface and compression cap surface. The hydric part is discribed using a formulation which allows to take into account the hysteresis effect. This model has been extended using a hydromechanical coupling relation between the air entry value and the porosity. Then the coupling is completed with the Bishop effective stress, using a new definition for the suction parameter χ. Using this formulation, the various phenomena present in the porous media behaviour under different loading can be reproduced. The developed model has been validated through a comparison with experimental data on different types of soil (sand, silt,…). This model is implemented in the french finite element code Cast3M. The analysis of specific problems, such as (1) the study of shallow foundation subjected to cyclic rain event, as well as (2) the study of slope stability, show the model capacity to reproduce the behaviour of unsaturated porous media.