Modélisation multi-échelle du comportement mécanique des sols non-saturés

Multi-scale modelling of the mechanical behaviour of unsaturated soils

• Auteur / Autrice : Marie Miot
• Direction : Pierre Philippe, Guillaume Veylon, Antoine Wautier, François Nicot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie civil et architecture
• Date : Soutenance le 22/03/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INRAE (Aix-en-Provence)
• Jury : Président / Présidente : Richard Wan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luc Scholtès, Maxime Nicolas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mahdia Hattab, Moulay Saïd El Youssoufi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols insaturés

Modélisation des données (informatique)

Milieux granulaires

Mécanique des sols

Micromécanique (physique du solide)

Micromécanique (ingénierie)

Génie mécanique

Mots clés libres

Matériaux granulaires

Capillarité

Minimisation d'énergie

Coalescence

Modèle constitutif

Approche multi-Échelle

Micromécanique

Granular materials

Capillary forces

Energy minimization

Coalescence

Constitutive model

Multi-Scale model

Micromechanics

Résumé

La modélisation de digues en remblai nécessite des modèles de comportement mécanique de matériaux granulaires qui prennent en compte la microstructure du matériau afin de prédire les différents mécanismes pouvant entraîner une rupture. La présence d'eau dans les zones non saturées requiert la prise en compte des forces capillaires additionnelles. L'introduction de la microstructure rend les modélisations à l'échelle de l'ouvrage coûteuses. Le choix du modèle H 3D contourne cette difficulté avec un modèle multi-échelle considérant une distribution spatiale de cellules de dix grains. L'objectif de cette thèse est d'étendre le domaine de validité de ce modèle aux matériaux non saturés. Premièrement, une revue de la littérature sur l'étude des milieux granulaires et de la capillarité justifie les choix effectués pour la modélisation des sols granulaires non saturés. Deuxièmement, la méthode de calcul des forces capillaires par minimisation d'énergie est appliquée à l'étude de la coalescence de deux ponts capillaires dans un triplet de grains. Une comparaison avec des résultats expérimentaux et une étude paramétrique sur plusieurs paramètres physiques sont réalisées. Ensuite, des abaques de forces capillaires dans une cellule du modèle H sont construits en fonction du volume d'eau et de la géométrie de la cellule. Les hypothèses de calcul et de choix de régimes sont détaillées. Enfin, le modèle H 3D non saturés est implémenté en tant que loi constitutive dans des codes de calcul fondés sur la méthode des différences finies et la méthode Smoothed Particles Hydrodynamics afin de mesurer l'impact sur le comportement mécanique de la teneur en eau à plusieurs échelles

Modeling hydraulic structures, such as dykes requires robust constitutive models for granular materials, which account for the microstructure effects, in order to predict failure occurrence. Water in hydraulic structures creates unsaturated zones in which capillary forces must be accounted for. However, the introduction of the microstructure makes modeling at the scale of the structure computation time demanding. The choice of the 3D H model reduces computation time by relying on a multi-scale model considering a spatial distribution of ten-grain cells. The objective of this thesis is to extend the range of validity of this model to unsaturated materials.In the first chapter of this manuscript, a literature review on the modeling of granular materials together with the calculation of capillary forces is presented in order to introduce the choices made for the unsaturated granular materials modeling. Second, surface minimizations are performed in order to calculate capillary forces in a pendular bridge and in a triplet of grains. A comparison with experimental results and a set of parametric studies about contact angle, gravity and surface tension are carried out. Then, capillary forces abacus are calculated in a ten-grain cell of the H model, as a function of the water volume and the cell geometry. Details on the methodology and the hypothesis for the capillary regimes are provided.Finally, the unsaturated 3D H model is implemented as a constitutive relation in finite difference method and Smoothed Particles Hydrodynamics to assess the impact of water content on the behavior of the material at various scales such as the cell, the material point and a structure