Contribution des approches multi-échelles à la modélisation des glissements de terrains

On the contribution of multiscale approach to landslide modeling

• Auteur / Autrice : Zeyong Liu
• Direction : François Nicot, Antoine Wautier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil et Sciences de l'Habitat
• Date : Soutenance le 01/07/2025
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements, dynamiques et territoires de la montagne (Le Bourget du Lac, Savoie ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Jianfu Shao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chaofa Zhao, Olivier Millet, Yannick Thiery
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mahdia Hattab, Mohamed Guessasma
• DOI : 10.70675/2e727261za890z419czb789zdf3d8039c22c

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux granulaires

Analyse multiéchelle

Mots clés libres

Matériaux granulaires

Micromécanique

Modélisation multi-Échelle

Modèle H

Réactions configurationnelles

Matériaux cohésifs

Abaqus

Simulation numérique

Granular materials

Micromechanics

Multiscale modeling

H-Model

Configurational reactions

Bond materials

Abaqus

Numerical simulation

Résumé

Les matériaux granulaires ont suscité un intérêt croissant au cours des dernières années en raison de la grande diversité de leurs comportements constitutifs sous différentes trajectoires de chargement. La modélisation multi-échelle s'est révélée être une approche efficace pour appréhender ces comportements, en établissant un lien entre les propriétés macroscopiques des matériaux granulaires et leurs caractéristiques microstructurales. Dans ce contexte, le modèle H, développé dans un cadre multi-échelle, constitue une extension du modèle micro-directionnel grâce à l'introduction d'une échelle intermédiaire, fondée sur des motifs hexagonaux élémentaires formés par des particules adjacentes. Ce modèle permet une description naturelle de divers comportements constitutifs et offre une compréhension claire du potentiel des approches multi-échelles.La présente thèse porte sur le développement du modèle H en deux dimensions. Dans sa formulation initiale, ce modèle ne permet pas d'atteindre l'état critique, en raison de son incapacité à représenter les réorganisations mésostructurales, notamment la création et la perte de contacts entre particules. L'avancée des simulations par éléments discrets a permis de mieux comprendre la nature de l'état critique, considéré comme un équilibre dynamique résultant de transformations configurationnelles. Pour surmonter cette limitation, le modèle H est enrichi afin d'intégrer des mécanismes de transformation mésostructurale, lui permettant ainsi d'atteindre l'état critique sous un chargement biaxial.Le modèle H est également étendu à l'étude de la réponse mécanique des matériaux granulaires cimentés, aboutissant au développement du modèle H-bond. La majorité des modèles constitutifs existants adoptent une approche phénoménologique qui tend à négliger les mécanismes microstructuraux à l'échelle des grains liés. En s'inspirant du modèle H, l'approche multi-échelle permet de simuler le comportement des matériaux cimentés sous différentes trajectoires de chargement, en décrivant les mécanismes élémentaires intervenant entre les grains liés. Le modèle examine en particulier l'influence des processus de rupture des liaisons locales sur la réponse macroscopique de l'échantillon, en fonction des propriétés de résistance de ces liaisons.Enfin, l'approche multi-échelle proposée est appliquée à un cas réel de géotechnique : le glissement de terrain de l'Hermitage. Dans ce cadre, le modèle H-bond est utilisé pour définir le comportement constitutif à l'échelle microscopique au sein d'un volume élémentaire représentatif (RVE), intégré ensuite dans un code éléments finis explicite. Cette démarche fournit des éléments de compréhension précieux pour des problématiques d'ingénierie complexes et met en évidence la capacité de la modélisation multi-échelle à relier les mécanismes microstructuraux aux comportements géotechniques à grande échelle.

Granular materials have attracted increasing attention in recent years due to their wide range of constitutive behaviors under various loading paths. Multiscale modeling has proven to be an effective approach for capturing these behaviors by linking the macroscopic properties of granular materials to their underlying microstructural characteristics. The H-model, developed within a multiscale framework, extends the micro-directional model by introducing an intermediate scale—elementary hexagonal patterns of adjoining particles. This model enables a natural description of diverse constitutive features and provides clear insights into the potential of such multiscale approaches.This thesis focuses on the development of the 2D H-model, which, in its original form, cannot reach the critical state due to its inability to capture mesostructural reorganization via contact gain and loss. With the advancement of discrete element simulations, microscopic insights into the critical state have emerged, highlighting its nature as a dynamic equilibrium of configurational transformations. To address this limitation, the H-model is enhanced to incorporate mesostructural transformations, enabling it to reach the critical state under biaxial loading conditions.The H-model is further extended to investigate the mechanical response of cemented granular materials, leading to the development of the H-bond model. Most existing constitutive models follow phenomenological approaches that inevitably overlook the microstructural mechanisms occurring at the scale of bonded grains. Inspired by the H-model, the multiscale approach enables simulation of cemented material behavior under various loading paths by describing the elementary mechanisms between bonded grains. In particular, the model explores how local bond failure processes influence the macroscopic response of the entire specimen, depending on the characteristics of bond strength.Finally, the proposed multiscale approach is applied to a real geotechnical problem: the Hermitage landslide. In this application, the H-bond model is used to define the microscale constitutive behavior within a representative volume element (RVE), which is then integrated into an explicit finite element code. This provides valuable insights into complex engineering problems and underscores the capability of multiscale modeling to bridge microstructural understanding and large-scale geotechnical behavior.