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Wikibardig:Thèses - G²DR - RECOVER - INRAE (2018 -...)

De Wikibardig

Cette page présente une liste de thèses soutenues au sein de l'équipe G²DR de l'UMR RECOVER d'INRAE à partir de 2018.


WAUTIER, A. - 2018. Analyse micro-inertielle des instabilités mécaniques dans les milieux granulaires, application à l'érosion interne. Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille. 232 p. Téléchargez le document ici.

La plupart des digues sont constituées de matériaux granulaires compactés. Elles sont ainsi perméables et constamment soumises à des écoulements d'eau dans leur volume. Dans certaines conditions, ces écoulements sont susceptibles d'altérer leur microstructure par érosion interne et de générer des instabilités mécaniques responsables de ruptures inopinées lors de fortes crues. Cette thèse s'intéresse à l'analyse multi-échelle des instabilités mécaniques dans les matériaux granulaires soumis au phénomène d'érosion interne. Dans ce travail, le comportement mécanique de ces matériaux est simulé en trois dimensions à l'échelle de volumes élémentaires représentatifs, et ce, pour différents états de contraintes et gradients hydrauliques. Grâce à l'utilisation du critère du travail du second-ordre et d'outils micromécaniques, leur stabilité est analysée avant et après l'application d'un écoulement interne. Il est établi que l'origine micro-inertielle des instabilités observées provient du déconfinement et de la flexion des chaînes de force ainsi que des déformations plastiques importantes résultant de l'effondrement des chaînes de force. Par leur capacité à enrayer rapidement le développement de telles déformations plastiques, il est montré que les particules libres contribuent à assurer la stabilité mécanique des matériaux granulaires. Ce résultat est fondamental pour analyser les conséquences de l'érosion interne sur la stabilité mécanique d'un matériau granulaire car les particules libres sont facilement transportables sous l'action d'un écoulement interne. Selon si elles sont colmatées ou érodées, un écoulement interne aura alors un effet stabilisateur ou déstabilisateur vis-à-vis du comportement mécanique des matériaux granulaires soumis à l'érosion interne. Contact : INRAE - UMR RECOVER - Equipe G2DR

BENSEGHIER, Z. - 2019. Etude numérique de l'érosion d'un matériau granulaire cohésif par un écoulement fluide. Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille. 190 p. Téléchargez le document ici.

L’érosion constitue le principal risque auquel sont soumis les ouvrages hydrauliques en terre. Il est donc crucial de quantifier l’érodabilité des sols et plusieurs essais d’érosion ont été mis au point dans ce but. Cependant, leurs modèles d’interprétation sont assez simplistes et des incohérences peuvent être constatées. Malgré plusieurs études expérimentales sur le sujet, les mécanismes d’érosion à l’échelle des grains restent encore mal compris. Dans cette thèse, la méthode numérique LBM-DEM a été mise en œuvre afin d’analyser l’érosion à l’échelle du grain. La cohésion du sol est prise en compte par une loi de contact adaptée incluant éventuellement un modèle d’endommagement dépendant du temps. Une parallélisation GPU a permis en outre d’améliorer la vitesse de calcul et l’efficacité du code. Après une analyse préalable d’un jet impactant laminaire 2D, la pertinence du critère classique de Shields pour les échantillons sans cohésion a d’abord été confirmée avant qu’une généralisation de ce critère ne soit proposée pour les sols faiblement cohésifs avec un accord très satisfaisant. Enfin, le modèle d’interprétation classique de l’essai JET a été adapté à notre problématique afin d’analyser et discuter de façon critique les paramètres d’érodabilité. Enfin, une configuration mieux contrôlée d’écoulement tangentiel à contrainte de cisaillement constante a été étudié, permettant de suggérer une loi de puissance, et non linéaire, pour décrire l’érosion à l’échelle de l’échantillon. Une étude paramétrique sur la cohésion inter-particulaire et la taille des grains a finalement été menée, afin d’examiner le lien entre les paramètres micro et macro.

RULLIERE, A. - 2020 . Etude du comportement au cisaillement d'une discontinuité rocheuse : application aux calculs de stabilité d'un barrage-poids avec prise en compte de la cohésion apparente . Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille et de l'Université de Sherbrooke (Québec, Canada). 192 p.

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Un des modes de rupture redouté des barrages est le cisaillement autour des discontinuités rocheuses du massif de fondation ou de l’interface de fondation roc-béton. Afin d’évaluer la résistance au cisaillement de ces discontinuités, les guides professionnels préconisent la réalisation d’essais de cisaillement et l’utilisation du critère de rupture de Mohr-Coulomb. Une telle démarche permet alors d’obtenir une valeur de cohésion apparente que les guides professionnels suggèrent cependant de négliger dans les calculs de stabilité, privant alors l’ouvrage d’un paramètre de résistance. Issu d’une collaboration entre l’Université de Sherbrooke, INRAE et Hydro-Québec, ce projet a pour objectif d’améliorer l’état des connaissances sur le comportement au cisaillement des discontinuités rocheuses en déterminant expérimentalement les facteurs d’influence et en développant un modèle mécanique de comportement au cisaillement des discontinuités rocheuses prenant en compte l’effet de la rugosité. 110 essais de cisaillement direct ont été menés afin d’évaluer les effets sur le cisaillement des discontinuités rocheuses de : la rugosité, l’endommagement, l’emboîtement, la contrainte normale, l’effet des propriétés mécaniques du matériau ou du type de contact. Les résultats montrent que la rugosité et l’emboîtement semblent être les deux facteurs d’influence les plus importants. Par la suite des lois empiriques reliant le comportement mécanique au cisaillement d’une discontinuité rocheuse à sa rugosité ont été développées. Ce modèle a ensuite été extrapolé à l’échelle d’un ouvrage et de son massif de fondation à l’aide d’une modélisation numérique aux éléments discrets.

JEANNIOT, C. - 2020. Etudes expérimentales et numériques du comportement vibroacoustique de sols sous écoulement turbulent dans le contexte de l'érosion interne de digues. Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille. 209 p.

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L’érosion interne est une cause majeure de la rupture des ouvrages hydrauliques tels que les digues de protection et les barrages en remblai. Elle est notamment initiée par des écoulements localisés, qui détachent et transportent les particules de sol à travers le remblai ou sa fondation. La détection des émissions vibroacoustiques de tels écoulements est envisagée dans ce travail. Elle repose sur l’utilisation de capteurs permettant de mesurer l’énergie vibroacoustique associée à des sources internes telles que les écoulements turbulents. Le Hole Erosion Test est un essai de laboratoire utilisé en géomécanique pour caractériser la résistance à l’érosion des sols vis à vis des écoulements localisés. Des essais ont été réalisés avec le Hole Erosion Test équipé d’accéléromètres. L’analyse des mesures montre une forte corrélation entre le diamètre du conduit et la densité spectrale de puissance (PSD) de la pression acoustique mesurée, et avec les mesures hydrauliques (débit et pression différentielle). Un modèle analytique a été développé. Il est fondé sur la résolution d’une équation de propagation avec un terme source caractéristique de type couche limite turbulente. Les résultats analytiques sont en bon accord avec la physique étudiée. Ces investigations théoriques et expérimentales, réalisées pour des écoulements turbulents sans érosion du sol, montrent la possibilité de détecter et de quantifier des écoulements localisés par mesure vibroacoustique. La prise en compte de l’érosion reste encore une question ouverte.


MIOT, M. - 2021. Modélisation multi-échelle du comportement mécanique des sols non-saturés. Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille. 201 p.

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La modélisation de digues en remblai nécessite des modèles de comportement mécanique de matériaux granulaires qui prennent en compte la microstructure du matériau afin de prédire les différents mécanismes pouvant entraîner une rupture. La présence d'eau dans les zones non saturées requiert la prise en compte des forces capillaires additionnelles. L'introduction de la microstructure rend les modélisations à l'échelle de l'ouvrage coûteuses. Le choix du modèle H 3D contourne cette difficulté avec un modèle multi-échelle considérant une distribution spatiale de cellules de dix grains. L'objectif de cette thèse est d'étendre le domaine de validité de ce modèle aux matériaux non saturés. La méthode de calcul des forces capillaires par minimisation d'énergie est appliquée à l'étude de la coalescence de deux ponts capillaires dans un triplet de grains. Une comparaison avec des résultats expérimentaux et une étude paramétrique sur plusieurs paramètres physiques sont réalisées. Ensuite, des abaques de forces capillaires dans une cellule du modèle H sont construits en fonction du volume d'eau et de la géométrie de la cellule. Les hypothèses de calcul et de choix de régimes sont détaillées. Enfin, le modèle H 3D non saturés est implémenté en tant que loi constitutive dans des codes de calcul fondés sur la méthode des différences finies et la méthode Smoothed Particles Hydrodynamics afin de mesurer l'impact sur le comportement mécanique de la teneur en eau à plusieurs échelles.


MOUALI, L. - 2021. Etude expérimentale et numérique du comportement hydromécanique des sols résiduels tropicaux : application à la modélisation sismique d'un barrage en remblai aux Antilles. Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille. 207 p.

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La réutilisation des sols résiduels tropicaux pour la construction de barrages en remblais constitue un enjeu important. Les barrages situés dans les régions tropicales sont souvent soumis au risque sismique. Le plus souvent, les fondations ayant des faibles caractéristiques sont purgées et substituées par des sols compactés. Ainsi, le comportement sismique des barrages situés dans ces régions dépend des propriétés dynamiques des sols résiduels compactés. L’évaluation du comportement sismique d’un barrage repose sur la capacité des modèles à prédire l’évolution de la rigidité de la structure au cours de la sollicitation sismique. Il est donc important de disposer de modèles fiables permettant de prédire le module de cisaillement maximal, la courbe de réduction du module de cisaillement normalisé et la courbe d’amortissement. Les objectifs de notre travail de recherche sont de contribuer à l'amélioration de la connaissance du comportement mécanique cyclique des sols résiduels tropicaux compactés et de proposer des modèles permettant de prédire leur comportement. Pour répondre à ces objectifs, une étude expérimentale des propriétés cycliques de sols prélevés sur le site d’un barrage dans les Antilles Françaises a été menée à partir d’essais triaxiaux cycliques non drainés et d’essais à la colonne résonnante. On montre ainsi que les équations existantes dans la littérature ne sont pas adaptées à nos résultats expérimentaux. Des formules prédictives pour la détermination de Gmax, G/Gmax et de D sont développées. Sur la base des résultats expérimentaux obtenus, des simulations numériques dynamiques non-linéaires ont été menées à l’échelle de l’échantillon et de l’ouvrage

CLERC, A. - 2022. Analyse mésoscopique de la transition inertielle dans les milieux granulaires. Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille. 185p .

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L’un des caractères remarquables des milieux granulaires est leur capacité à se comporter comme un solide ou un fluide. La transition inertielle, passage d’un régime quasi-statique à un régime dynamique, est assimilable à un brusque changement de comportement solide-fluide. Les bouffées d’énergie cinétique, premiers signes d’une instabilité, sont analysées à l’échelle mésoscopique en simulant des matériaux granulaires quasi 2D, soumis à un cisaillement, avec ou sans gravité. Les cycles de grains sont des structures permettant une analyse fine de l’évolution du milieu à une échelle intermédiaire, entre celle des grains et celle du volume élémentaire représentatif. Sur cette base, une échelle mésoscopique est définie, ainsi que des grandeurs mésoscopiques, notamment un tenseur des contraintes et un travail du second-ordre mésoscopiques. Lors d'essais biaxiaux sans gravité, il est observé que des bouffées d’énergie cinétique apparaissent dans des zones lâches, où les contacts sont plus proches du seuil de glissement que dans le reste de l’échantillon. L’évolution des mésostructures illustre les réorganisations microscopiques localisées dans le temps et dans l’espace créées par une bouffée localisée. Ces observations montrent que le critère du travail du second ordre est aussi applicable à l’échelle mésoscopique et que son annulation est un précurseur à l’apparition d’une bouffée d’énergie cinétique. Des résultats similaires sont retrouvés lors du déclenchement d'un glissement d’une pente soumise à la gravité. Plus la pente augmente, plus les réorganisations liées aux bouffées sont fréquentes, jusqu’à un glissement généralisé qui marque la fin de la transition inertielle

MOHAMED, T. - 2022. Modélisations des sols granulaires et tropicaux sous chargement cyclique par approches élasto-plastique, DEM et multi-échelles . Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille Téléchargez le document ici

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".

Shadi Youssef - 2023.Érosion de la surface du sol: loi locale et influence des propriétés du sol et des écoulements sur la résistance à l'érosion des ouvrages hydrauliques . Diplôme de doctorat de l'université d'Aix Marseille Téléchargez le document ici

L'érosion interne est la cause principale de défaillance des structures hydrauliques en terre comme les digues et les barrages en remblai, liée aux écoulements d’infiltration qui détachent et transportent des particules de sol à travers le remblai ou sa fondation. La vulnérabilité à l'érosion est connue comme étant dépendante de plusieurs facteurs liés aux propriétés du sol et du fluide d’érosion. Cette étude a examiné différents facteurs liés au sol pouvant influencer l'érodibilité de mélanges argile/sol grossier, spécifiquement : la méthode de préparation du sol, donc la microstructure, la teneur en eau, le degré de compactage, la fraction de fines et la forme des particules grossières. Deux types de tests, le Hole Erosion Test (HET) et l’Erosion Function Apparatus (EFA), ont été réalisés sur des échantillons de densités, fractions argileuses et teneurs en eau variables. Pour les essais HET, une nouvelle technique a été développée pour mesurer le diamètre post-érosion mais aussi pour mener une analyse morphologique du conduit. Les résultats ont montré que la méthode de préparation du sol a un impact significatif sur la résistance à l'érosion via une modification de la microstructure et que les pourcentages d'argile inférieurs à 50% accentuent fortement l'érodibilité des mélanges étudiés. L’augmentation de la teneur en eau induit une légère augmentation de la résistance à l'érosion, mais aussi de la cinétique d'érosion. Les résultats HET ont indiqué une augmentation de la résistance à l'érosion avec le taux de compactage, tandis que les résultats EFA ont montré une insensibilité à ce paramètre. En ce qui concerne l’effet de la forme des particules grossières (sable d’Hostun, sable de Loire, billes de verre), les résultats ont révélé deux conclusions contre-intuitives : les particules arrondies confèrent une meilleure résistance contre l'initiation de l'érosion mais, une fois l'érosion amorcée, elles favorisent une cinétique plus rapide.

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