Modélisation du comportement poromécanique des sols sujets à érosion interne par suffusion

Modelling the poromechanical behaviour of soils subjected to internal erosion by suffusion

• Auteur / Autrice : Quentin Rousseau
• Direction : Giulio Sciarra, Rachel Gelet, Didier Marot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 12/01/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Dumontet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giulio Sciarra, Hélène Dumontet, Stéphane Bonelli, Luc Dormieux, Rachel Gelet, Didier Marot, Luc Sibille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Bonelli, Luc Dormieux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élastoplasticité

Thermodynamique

Sols -- Érosion

Matériaux poreux

Mots clés libres

Suffusion

Poromécanique

Lois de comportement

Elasto-plasticité

Homogénéisation

Microstructure évolutive

Suffusion

Poromechanics

Constitutive laws

Elasto-plasticity

Homogenization

Evolutive microstructure

Résumé

Les écoulements d’infiltration dans les sols sont susceptibles d’engendrer des processus d’érosion interne. Dans les sols grenus sans cohésion, la « suffusion » est une érosion interne se caractérisant par trois phénomènes simultanés et indissociables : l’arrachement, le transport et la filtration des grains solides les plus fins au travers du réseau de pores. Puisqu’il existe une forte corrélation entre la majorité des avaries au sein d’ouvrages hydrauliques en terre (barrage, digues et canaux d’irrigation) et les phénomènes d’érosion interne, ces derniers sont au cœur d’enjeux économiques et sociétaux notables. En centrant l’intérêt sur l’érosion interne par suffusion, l’objectif de ces travaux de thèse est de contribuer à l’élaboration d’un outil clé pour l’ingénieur face à ces problèmes : un modèle de comportement poromécanique considérant un couplage entre réponse hydromécanique et suffusion. La thermodynamique des milieux poreux est employée en vue d’analyser le couplage entre suffusion, écoulement et état mécanique. Un modèle de comportement est proposé en accord avec ce couplage complexe. D’un côté, l’effet de la suffusion sur le comportement mécanique du sol est modélisé via l’extension d’un modèle élasto plastique existant en introduisant la porosité induite par suffusion comme variable d’écrouissage. A titre de validation, la réponse du modèle élasto-plastique est analysée puis comparée à des résultats expérimentaux issus de la littérature. D’un autre côté, la pertinence du modèle de couplage macroscopique entre diffusion hydraulique et érosion interne est éprouvée par une analyse à deux échelles, via la théorie de l’homogénéisation (quasi) périodique.

Seepage flows within soils are prone to induce internal erosion processes. Concerning cohesionless granular soils, “suffusion” is a kind of internal erosion characterized by three simultaneous processes: detachment, transport and interlocking of the fine particles of the soil through the pore network. As a strong correlation exists between internal erosion and most of the incidents occurring within hydraulic structures (dams, dykes and irrigation channels), these processes are directly involved in some major economic and society concerns. By focusing on suffusion, the main objective of this research is to contribute to the development of a engineering tool to face the abovementioned problems: a poromechanical model that couples suffusion and the hydromechanical behaviour of the considered soil. The thermodynamics of porous media is employed to analyze the coupling between suffusion, seepage flow and mechanical state. A poromechanical model is proposed in agreement. On the one hand, the effect of suffusion on the mechanical behaviour of the soil is modelled by extending an existing soil elasto-plastic model considering the suffusion induced porosity as a hardening variable. The model is then validated with respect to experimental results available in the literature. On the second hand, the macroscopic constitutive model coupling suffusion and seepage flow is tested considering a multi scale analysis using the (quasi) periodic homogenization theory.