Identificiation in-situ des sols liquéfiables par pénétromètre statique cyclique : modélisations physiques et numériques

In-situ identification of liquefiable soils by cyclic static penetrometer : physical and numerical modelling

• Auteur / Autrice : Hamid Hosseini Sadr Abadi
• Direction : Bruno Chareyre, Luc Sibille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 26/11/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Reiffstek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Robert Courivaud, Pascal Villard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Vincens, Pierre Breul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments discrets

Mécanique des sols

Sols -- Liquéfaction

Pénétromètres

Mots clés libres

Vibro-CPT

Sensibilité

Pénétromètre statique

Liquéfaction du sol

Cyclique

Identification

Vibro - CPT

Sensivity

Cone penetration test

Soil liquefaction

Cyclic

Identification

Résumé

L’identification des sols liquéfiables et le comportement de sols face aux sollicitations cycliques représentent des défis important en géotechnique. Différents essais, en laboratoire ou in-situ,sont utilisés pour évaluer ce phénomène. Le groupe Equaterre, en particulier, développe un pénétromètre statique à pointe cyclique qui permet d’imposer une variation cyclique de la force sur la pointe, par le biais de tiges centrales coulissantes, et de mesurer les déformations qui en résultent. Ceci permet d’accéder directement à la réponse du sol en place, et potentiellement de mettre en évidence une tendance à la liquéfaction ou à la mobilité cyclique. Cette thèse comporte deux parties principales: modélisation physique en chambre de calibration et modélisation numérique.La modélisation physique consiste à réaliser des tests de faisabilité de la méthode développée par Equaterre en chambre de calibration au sein de laboratoire 3SR Grenoble. Les tests en chambre de calibration ont été réalisés sur du sable de Fontainebleau, avec deux états de densité moyennement dense et lâche. Des tests CPTU et pénétromètre cyclique Equaterre ont été réalisés dans ces deux situations. Les résultats ont montré le bon potentiel de cette méthode pour identifier le risque de la liquéfaction.La modélisation numérique repose sur un couplage entre la méthode des éléments discrets(DEM) pour la phase solide et une méthode de volumes finis définis à l’échelle des pores (méthode PFV) pour l’écoulement interne. La géométrie de révolution est exploitée pour réduire le domaine modélisé à un quart du problème, et une gradation des tailles de particules en fonction de la distance à la pointe est également mise en oeuvre pour réduire le nombre totale de particules (et donc les temps de calcul) tout en maintenant une discrétisation fine au voisinage immédiat de la pointe. Deux types de matériaux, dense et lâche, sont simulés et pour chacun on analyse la réponse mécanique pour le cas sec et pour le cas saturé, sous chargement monotone et cyclique. L’analyse des réponses en terme de force et de pression intersticielle montre un bon accord qualitatif avec les résultats en en chambre de calibration.Mots clés: Pénétromètre statique cyclique; Chambre de calibration; Liquéfaction de sol; Méthode des éléments discrets (DEM); Méthode de volumes finis à l’échelle des pores (PFV).

The identification of liquefiable soils and the behaviour of soils in response to cyclic stresses are important challenges in geotechnical engineering. Various laboratory and in-situ tests are used to evaluate this phenomenon. The Equaterre group, in particular, is developing a static penetrometer with a cyclic tip that allows a cyclic variation of the force to be imposed on the tip by means of sliding central rods and the resulting deformations to be measured. This provides direct access to the response of the soil in place, and potentially highlights a tendency towards liquefaction or cyclic mobility. This thesis has two main parts: physical modeling in a calibration chamber and numerical modeling.Physical modelling consists in carrying out feasibility tests of the method developed by Equaterre in a calibration chamber in the 3SR Grenoble laboratory. The tests in the calibration chamber were carried out on Fontainebleau sand, with two states of medium density and loose. CPTU tests and Equaterre cyclic penetrometer were performed in both situations. The results showed the good potential of this method to identify the risk of liquefaction.Numerical modelling is based on a coupling between the discrete element method (DEM) for the solid phase and a finite volume method defined at pore scale (PFV method) for internal flow. The geometry of revolution is used to reduce the modelled domain to a quarter of the problem, and a gradation of particle sizes according to the distance to the tip is also implemented to reduce the total number of particles (and therefore the computation times) while maintaining a fine discretization in the immediate vicinity of the tip. Two types of materials, dense and loose, are simulated and for each one the mechanical response is analyzed for the dry case and for the saturated case, under monotonous and cyclic loading. The analysis of the responses in terms of force and interstitial pressure shows a good qualitative agreement with the results in the calibration chamber.Keywords: Static cyclic penetrometer; Calibration chamber; Soil liquefaction; Discrete element method (DEM); Pore-scale finite volume method (PFV).