Thèse soutenue

Étude sur les Couplages Thermo-Hydro-Mécaniques sur les sols compactés soumis aux cycles de gel-dégel

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Auteur / Autrice : Xin Li
Direction : Henry Kwai-Kwan WongAntonin FabbriBenoît Pardoen
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Genie civil
Date : Soutenance le 14/12/2023
Etablissement(s) : Vaulx-en-Velin, École nationale des travaux publics de l’État
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
Jury : Président / Présidente : Teddy Fen Chong
Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Morvan
Rapporteur / Rapporteuse : Teddy Fen Chong, Chin J. Leo

Résumé

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Les cycles de gel-dégel peuvent induire des déformations irrécupérables dans les sols compactés. Cela peut conduire à des problèmes de durabilité et donc augmenter le coût de la conception, de la construction et de l'entretien des structures. Cette thèse vise à identifier les interactions thermo-hydro- mécaniques (THM) couplées dans un sol compacté saturé soumis à des cycles de gel-dégel et à développer un modèle d'éléments finis pour simuler la réponse élastoplastique cyclique induite par le gel-dégel. En ce qui concerne le développement du modèle, la poromécanique sert de pont pour relier les différents comportements couplés. Le sol compacté saturé par le gel est traité comme un milieu poreux triphasé. Sous l'hypothèse d'une glace solide élastique, un cadre mathématique thermodynamique sur la modélisation du comportement de couplage THM du matériau poreux saturé par le gel, comprenant les équations de base de la cinématique, de la masse et de l'équilibre thermique, ainsi que la loi constitutive du squelette solide, est rigoureusement dérivé. Sur la base de ce cadre poromécanique, des études analytiques et numériques sur le comportement couplé THM d'une couche de sol poroélastique gelée dans des conditions oedométriques, mais avec deux conditions limites hydrauliques différentes, sont réalisées. Lorsque la surface du sol est recouverte d'une fine couche de glace non confinée, la couche de sol étudiée soumise à une température cryogénique subit un tassement dû au phénomène de cryo-aspiration, tandis que des limites globalement imperméables entraînent un soulèvement dû au gel à travers la couche de sol. Dans ce qui suit, après avoir introduit la contrainte effective de type Terzaghi et le degré de saturation de la glace comme deux variables d'état indépendantes et qualifié la rigidité dans le plan de vide spécifique à la contrainte effective, un modèle constitutif thermo-poro-élastoplastique est proposé pour le sol compacté saturé de glace. Les résultats simulés démontrent la capacité du modèle constitutif proposé à reproduire la dépendance de l'augmentation de la résistance à l'augmentation de la teneur en glace, la déformation typique induite par le gel-dégel (alternance entre retrait et gonflement) sous différentes températures de gel et l'accumulation du gonflement résiduel au cours des cycles de gel-dégel. Une attention particulière est ensuite accordée à la formulation d'un modèle THM à éléments finis (forme faible des équations gouvernantes, discrétisation temporelle, linéarisation cohérente, discrétisation spatiale et algorithme de mise à jour des contraintes) capable de capturer l'impact du processus de congélation-décongélation de l'eau dans les pores sur la déformation des milieux poreux. Grâce à la comparaison des résultats prédits avec les résultats de référence obtenus précédemment dans l'étude d'une couche de sol poroélastique gelée, la bonne correspondance entre eux valide la fiabilité du modèle d'éléments finis mis en œuvre.