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Wikibardig:Modélisations des sols granulaires et tropicaux sous chargement cyclique par approches élasto-plastique, DEM et multi-échelles
Thèse réalisée par Tarek MOHAMED (INRAE)
Mots clés: Élastoplastique, P2PSand, DEM, Multi-échelles, Sable de Toyoura, Sols tropicaux, Anisotropie, chargement cyclique
Résumé :
Les ouvrages hydrauliques, tels que les barrages et les digues, sont soumis à plusieurs conditions de chargement pendant leur durée de vie, y compris le chargement sismique. Ainsi, des outils numériques représentatifs capables de capturer le comportement de différents sols sous divers chemins de chargement sont nécessaires pour bien analyser les différents mécanismes qui peuvent entrainer des défaillances structurelles.
Le contexte de la thèse est l’étude du comportement des sols tropicaux sous chargement sismique. Ces structures pourraient être construites en utilisant différents types de sols pour diverses fonctions.
À cet effet, différents types de sols sont étudiés.
Dans un premier temps, nous étudions le cas des matériaux purement granulaires. En particulier, le sable de Toyoura qui est un matériau standard en géomécanique et se caractérise par ses particules très irrégulières.
Ensuite, nous considérons les sols tropicaux. Ces derniers sont formés d’un mélange de sols argileux, limoneux et granulaires, qui présente des réponses en contraintes et déformation volumique très complexes sous des charges monotones et cycliques. En tant que matériaux discrets, les sols tropicaux présentent en général un comportement complexe lorsqu’ils sont soumis à une chargements externe, montrant une réponse contrainte-déformation non linéaire, une contraction ou une dilatation en fonction de l’indice des vides, une déformation plastique supplémentaire sur un chemin de chargement-déchargement et une anisotropie du matériau.
Lors de l’utilisation des modèles constitutifs, des équations complexes sont nécessaires pour décrire indirectement ces phénomènes, alors que la méthode des éléments discrets (DEM) reproduit directement ces phénomènes liés au milieu discret.
Ainsi, des modèles DEM3D sont initialement développés pour simuler quantitativement la réponse macroscopique du sable de Toyoura et des sols résiduels tropicaux. Concernant une raideur supplémentaire de résistance au roulement au modèle de contact linéaire classique.
Le deuxième modèle suit une stratégie différente dans laquelle la raideur au roulement est abandonnée au profit de formes plus complexes sous la forme de quelques polyèdres 3D différents définis à partir d’une micrographie 2D de particules de Toyoura.
Quant aux sols tropicaux, le modèle DEM 3D proposé est inspiré de la composition physique des sols tropicaux dans lesquels deux modèles de contact différents sont assignés pour représenter les parties grossières et fines du sol tropical avec deux jeux de paramètres numériques distincts.
En parallèle, nous proposons un nouveau modèle élastoplastique, "MP2PSand". Le modèle obéit au cadre théorique de la "Bounding surface plasticity" en combinaison avec des paramètres d’état connectés au concept d’état critique. De plus, le modèle intègre l’effet de l’évolution de la micro-structure dans un paramètre d’état qui est décrit sur la base de la micro-structure du modèle DEM avec polyèdres.
Son écriture tient compte de l’influence de la rotation des axes principaux de contrainte. Finalement, l’implémentation d’un couplage multi-échelles entre les deux schémas numériques continu et discret, Flac3D et PFC, est retenue pour la résolution de problèmes aux limites.
Une telle approche multi-échelles permet de simuler l’évolution de la réponse d’une structure sous chargement sismique en utilisant trois ou quatre paramètres de contact au niveau du matériau au lieu de plusieurs paramètres difficiles à calibrer dans le cas des modèles constitutifs classiques.
Ici, le précédent modèle DEM du sable Toyoura est utilisé dans l’approche de modélisation multi-échelles pour évaluer la capacité de liquéfaction d’une colonne de sol 3D sous chargement sismique. Les résultats sont comparés avec les prédictions d’un modèle de sol avancé "P2PSand".
Document téléchargeable librement ici
Contact : tarek.mohamed@inrae.fr - laurent.peyras@inrae.fr - jerome.duriez@inrae.fr
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Pour plus d'information sur l'auteur : INRAE - UMR RECOVER - Equipe G2DR
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