Modélisation du comportement axial des pieux d'éoliennes marines ancrés dans des massifs crayeux

Modelling the axial behaviour of marine wind turbine piles anchored in chalk

• Auteur / Autrice : Mirna Doghman
• Direction : Hussein Mroueh
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGCgE - Laboratoire de Génie Civil et géo-Environnement
• Jury : Président / Présidente : Isam Shahrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Burlon, Jean-Claude Dupla, Alia Hatem, Guillaume Damblans
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anh-Minh Tang, Mahdia Hattab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Différences finies

Cisaillement (mécanique)

Modèles mathématiques

Élastoplasticité

Hydroliennes

Manche (mer)

Structures offshore -- Ancrage

Interaction sol-structure

Craie

Propriétés mécaniques

Pieux

Mots clés libres

Chargement axial

Chargement cyclique

Piles

Axial loading

Chalk

Soil-structure interaction

Cyclic loading

Wind turbines

Résumé

La conception des pieux soumis à un chargement axial est largement considérée dans les ouvrages de génie civil. Différents types de chargement sont rencontrés, ils peuvent être monotones ou cycliques. Les récents projets d’éoliennes offshores sont implantés au large de la Manche, tant du côté français que anglais, où la craie se trouve très répandue. Afin de répondre aux exigences de ces projets, les méthodes de calcul disponibles pour prédire la réponse des pieux, en termes de déplacements et d’évolution de la capacité portante, devraient tenir compte des caractéristiques suivantes : le comportement non conventionnel de la craie et l’impact du chargement cyclique.Le premier objectif de ce travail est d’évaluer la fiabilité des approches existantes pour l’estimation de la capacité portante des pieux dans la craie. Le deuxième objectif est de proposer une modélisation numérique pratique de l’interface sol-pieu avec une loi de comportement tenant compte de l’influence de la variation de la contrainte normale sur le mécanisme de cisaillement le long du pieu, adaptée pour la craie mais aussi par extension pour d’autres types de sol.Une comparaison entre l’approche française présentée par les spécifications de la norme nationale française NF P 94-262 et la perspective britannique présentée par les recommandations du CIRIA C574 est d’abord abordée. Cette comparaison est basée sur les résultats disponibles des essais de chargement statique enregistrés dans la base de données française. Le rapport entre les valeurs calculées et mesurées de la résistance de frottement et de la résistance de pointe est interprété et la dispersion de chaque approche est étudiée. Une attention particulière est accordée à l’évolution de la capacité à long terme des pieux battus dans la craie, présentés dans la base de données considérée.Concernant le deuxième objectif, un modèle de comportement basé sur les principes de l’élastoplasticité, avec un seul mécanisme de rupture suivant le critère de Mohr-Coulomb, est proposé. La notion de loi de comportement considérée implique la modification de la règle d’écoulement correspondante. Cette dernière est directement définie sur la base des résultats expérimentaux des essais de cisaillement direct décrivant l’évolution du comportement volumétrique de l’interface. La formulation du modèle constitutif est d’abord présentée. Des expressions numériques représentant les données expérimentales sont ensuite proposées et calibrées sur la base des résultats des essais de cisaillement direct monotone et cyclique.Le modèle de comportement est implémenté dans le code de calcul de différence finie FLAC3D. Il est ensuite appliqué à un exemple théorique considérant une charge monotone. Les résultats correspondants sont comparés avec les prédictions d’un calcul t-z classique où la variation de la contrainte normale n’est pas prise en compte. Ensuite, la loi de comportement développée est combinée avec une procédure de sauts de cycles afin d’effectuer des calculs cycliques. Les résultats correspondants sont présentés et analysés.Sous le même objectif, la dernière partie vise à fournir un prototype numérique pratique pour modéliser la réponse des pieux sous charges axiales. Suivant la méthode des éléments finis, une approche unidimensionnelle est développée et sa formulation est présentée. Selon les principes de l’élastoplasticité, le schéma de calcul suit une procédure itérative non linéaire considérant la loi de comportement d’interface sol-pieu développée dans cette thèse. L’approche proposée est implémentée dans Fortran. Il permet d’effectuer un grand nombre de séquences cycliques avec une grande réduction de la consommation de temps de calcul. Les premiers calculs sont effectués et comparés aux résultats antérieurs des prévisions de FLAC3D afin de valider la procédure de modélisation. Enfin, plusieurs simulations cycliques sont effectuées considérant différentes caractéristiques cycliques et un grand nombre de cycles.

Design of axially loaded piles is widely considered in civil engineering works. Different types of loading are encountered, they can be either monotonic or cyclic. Forthcoming Offshore Windfarm projects will arise on both the French and English sides of the English Channel where chalk is found widespread. In order to meet the requirements of these projects, calculation methods developed to predict the pile response, in terms of displacements and bearing capacity evolution, should consider the following features: the unconventional behaviour of chalk and the impact of cyclic loading.The first objective of this work is to evaluate the reliability of existing approaches for the estimation of pile capacity in chalk. The second objective is to provide a practical numerical modelling of the soil-pile interface with a simple behaviour law considering the influence of normal stress variation on the shear mechanism along the pile shaft, adapted for chalk and other soil types.A comparison between the French perspective presented by the specifications of the French national standard NF P 94-262 and the UK perspective presented by the recommendations of CIRIA C574 is firstly conducted. This comparison is based on available results of static pile load tests recorded in the French database. The ratio of the calculated and the measured values of pile shaft resistance and pile base resistance is interpreted and the scatter of each approach is studied. A special attention is paid to the evolution of the long-term capacity of driven piles in chalk, presented in the considered database.Regarding the second objective of this thesis, a constitutive model based on elastoplasticity principles, with a single yield mechanism acting upon Mohr-Coulomb criterion, is proposed. The concept of the considered behaviour law implies the modification of the corresponding flow rule. The latter is directly defined on the base of experimental results of direct shear tests describing the evolution of the interface volumetric behaviour. The formulation of the constitutive model is firstly presented. Numerical expressions representing the experimental data are then proposed and calibrated on the results of monotonic and cyclic direct shear tests.The constitutive model is implemented in the FLAC3D finite difference calculation code. It is then applied to a theoretical example considering monotonic loading. Corresponding results are compared with predictions of a conventional t-z calculation where the variation of normal stress is not considered. Afterwards, the developed behaviour law is combined with a skipped cycles procedure in order to perform cyclic calculations. Corresponding results are presented and analysed.Lying under the same objective, the last part of this thesis intends to provide a practical numerical prototype for modelling the pile response under axial loadings. Based on the finite element method, a one-dimensional approach is developed and its formulation is presented. According to elastoplasticity principles, the calculation scheme follows a non-linear iterative procedure considering the soil-pile interface behaviour law developed in this thesis. The proposed approach is implemented in Fortran in a CodeBlocks file. It allows to perform a large number of cyclic sequences with a great reduction in computational time consumption. First calculations are performed and compared with previous results of FLAC3D predictions in order to validate the modelling procedure. Finally, several additional cyclic simulations are performed considering different cyclic characteristics and a large number of cycles.