Modélisation du comportement cyclique des ouvrages en terre intégrant des techniques de régularisation., Cyclic behaviour modeling of geotechnical structures including regularization methods

Alexandre Foucault

Description

Sous la direction de Arezou Modaressi
Thèse soutenue le 21 juin 2010: Ecole centrale Paris
L'objectif technique majeur de cette thèse se rapporte au développement d'un outilde simulation numérique fiable et robuste adapté à la maîtrise et la connaissance dufonctionnement mécanique des ouvrages géotechniques. Cet outil de simulation doitnotamment permettre une maîtrise des scénarii les plus pénalisants pour leur tenue,notamment sous l'aléa sismique.La qualité des résultats d'un tel outil dans le cadre de la méthode des éléments finisest fonction du modèle de comportement utilisé, de la qualité de l'intégration dumodèle et de sa résolution numérique. Dans le cadre de ce travail, le modèleélastoplastique de comportement cyclique des sols de l'ECP (dit de Hujeux) a étéintroduit dans Code_Aster selon un schéma d'intégration implicite, permettant ainsiune représentation fine et précise des phénomènes mis en jeu durant l'aléasismique. Ce modèle possède également l'avantage d'être adapté au comportementde différents types de sols dans le cadre des milieux poreux sous l'hypothèse despetites déformations. Après validation sur des chemins de chargement variés, lemodèle est à présent utilisé pour la simulation de la construction par couches, de lamise en eau et de la tenue sismique de barrages en terre.Le caractère non standard et adoucissant de ce modèle conduit à mettre en oeuvredes techniques de régularisation pour résoudre le problème de dépendancepathologique des résultats aux maillages lors de l'apparition de modes de ruinelocalisée. Le modèle de second gradient de dilatation est utilisé en complément aumodèle de comportement de Hujeux pour contrôler la largeur des bandes delocalisation apparaissant sur les structures étudiées. La prise en compte d'unecinématique enrichie permet de rendre objectives aux maillages les réponses desstructures durant leur phase d'adoucissement mais n'instaure pas l'unicité dessolutions aux problèmes posés suite aux instabilités. Dans le cadre d'essaisbiaxiaux drainés sur des matériaux dilatants exprimés au sein des milieux dusecond gradient de dilatation, il est apparu une dépendance de la largeur desbandes de cisaillement à l'état de contraintes initial en plus des propriétés desmatériaux.A partir d'un exemple analytique d'une bande de matériau cisaillée, cettedépendance a pu être exprimée, comparée et maîtrisée en fonction des paramètresde régularisation par rapport aux résultats des simulations numériques. L'extensionde cette approche à un cas de stabilité de pente sous chargement d'une fondationsuperficielle a ensuite été entrepris. La dépendance des largeurs de bandes à l'étatde contraintes initial est apparue comme un élément clé de la maîtrise du couplageentre le modèle de second gradient de dilatation et les modèles de type Cam-Clay
-Comportement cyclique des sols
-Simulation numérique
-Modèle de Hujeux
-Essai biaxial drainé
-Stabilité de pente
-Ouvrages en terre
The main technical objective of this PhD thesis deals with the development of a soilbehavior numerical tool. It should be robust, efficient and adapted to model themechanical behavior of geotechnical structures (e.g. embankment dam) under theworst loading scenarii such earthquakes.In the finite element method, the quality results is directly linked to the soilconstitutive model, the integration scheme and the numerical resolution. In this PhDThesis, the ECP elastoplastic soil model is introduced in Code_Aster through animplicit scheme. An implicit scheme ensures to respect the theoretical formulation ofthe model. The ECP constitutive model is one of the models available in theliterature to represent the behaviour of different kinds of soils under cyclic loadingsand it is used since the 80's by hydraulic engineers at EDF. It is expressed in termsof effective stresses and infinitesimal strains. The developments are validated forlaboratory tests in a large scale of loading paths. On the other hand, the study of asand embankment was performed and compared to the results obtained with thefinite element software GEFDyn developed at ECP.The ECP model is based on a non-associated flow rule and it is able to reproduce asoftening behavior. When shear bands occur in the structure, these properties leadto a pathological sensitivity of the results depending on the mesh size. Therefore, aregularization technique has to be used to circumvent this problem and to obtainobjective results with respect to the mesh. The second gradient of dilation model isthus chosen to be coupled to the ECP model and in this way, to ensure a spatiotemporalindependence of results. However, this mesh independence still evolves ina potential domain of solutions, when instability occurs. The simulations of drainedbiaxial tests on laboratory samples show a dependence of shear bands thickness inregard to the initial stress state and material properties.An analytical problem of a dilatant shear band is used to extract the key factors.These theoretical solutions are compared and validated to numerical responses,which are in good accordance. A bearing capacity problem was also solved todemonstrate the potential of the method. The conclusion of this work establishes themain role of initial stress state over the shear band thickness in the context of thesecond gradient of dilation model and the models based on Cam-Clay approach.
-Soil cyclic behavior model
-Drained biaxial test
-Bearing capacity
-Implicit scheme
-Embankment
Source: http://www.theses.fr/2010ECAP0016/document

Sujets

• Simulation informatique
• Embankment (métro de Londres)

Informations

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• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

ÉCOLE CENTRALE DES ARTS ET
MANUFACTURES
« ÉCOLE CENTRALE PARIS »
THÈSE
présentée par
Alexandre FOUCAULT
pour l'obtention du
GRADE DE DOCTEUR
Spéciali t:é Mécanique
Modélisation du comportement cyclique des ouvrage s
en terre intégrant des techniques de régularisation
Soutenue le2 1 juin 20 1d0evant un jury composé de :
René CHAMBON Président
Robert CHARLIER Rapporteur
Philippe MESTAT Rapporteur
Fernando LOPEZ-CABALLERO Examinateur
François VOLDOIRE Examinateur
Arézou MODARESSI FARAHMAND-RAZAVI Directrice de thèse
Philippe KOLMAYER Invité
Thèse préparée conjointement :
Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux, CNRS UMR 8579
Laboratoire de Mécanique des Structures Industrielles Durables, UMR EDF/CNRS 2832
Département Analyses Mécaniques et Acoustique de l'EDF R&D
2010-ECAP0015
tel-00534665, version 1 - 10 Nov 20102
tel-00534665, version 1 - 10 Nov 20103
Remerciements
Je profite de cette page pour marquer un point final à ce manuscrit et à ma vie
d'étudiant, et par la même occasion remercier l'ensemble des personnes qui m'ont
aidé, guidé et encouragé durant ces trois années de thèse.
Cette thèse CIFRE a été réalisée entre le Laboratoire de Mécanique des Sols,
Structures et Matériaux de l’Ecole Centrale Paris et le département d'An alyses
Mécaniques et Acoustique de EDF R&D.
Je débute ces remerciements en exprimant ma gratitude à Claude Rospars, g râce à
qui ce projet de thèse a pu voir le jour à la fin de l'été 2006. Me rci de m'avoir
contacté et offert l'opportunité de débuter cette très belle aventure hu maine et
scientifique.
De plus, je remercie vivement les deux personnes en charge de mon encadr ement:
Arézou Modaressi, directrice de thèse, et François Voldoire, encadrant indust riel du
département d'Analyses Mécaniques et Acoustique de EDF R&D. Merci pour l a
confiance que vous m'avez accordée, les échanges réguliers au cours de la thèse
et les méthodes de travail inculquées. C'est en partie grâce à vous, vos con seils,
votre soutien, enthousiasme et pédagogie si j'ai pu travailler dans un enviro nnement
serein pour mener à bien ce travail.
Mes sincères remerciements se dirigent à présent vers les membres du jury.
Ce fut pour moi un grand plaisir que René Chambon préside mon jury de thè se. Ses
conseils et son intérêt au cours de ces années ont été des facteurs stim ulants,
enrichissants et constructifs pour l'avancement de mes travaux.
Je remercie aussi Messieurs Robert Charlier et Philippe Mestat d'avoir accep té de
rapporter ce travail, de lire mon manuscrit en profondeur, de l'évaluer e t de le
corriger en partie. Leur avis scientifique et appréciations sur cett e thèse
m'encouragent à poursuivre mes activités au sein de la recherche scientifique.
Il m'a fait très plaisir de compter Philippe Kolmayer parmi les membres du jury. Ses
conseils, sa vision des problèmes traités et son intérêt pour la science m'ont
beaucoup apportés lors de nos discussions pour orienter mon travail vers les
besoins du Centre d'Ingénierie Hydraulique de EDF.
Merci à Fernando Lopez-Caballero d'avoir accepté de participer à ce jury de thèse.
J'ai beaucoup apprécié notre collaboration, ses conseils avisés lorsque je le
sollicitais, sa disponibilité et son engagement pour m'aider à avancer.
Je remercie ensuite très chaleureusement tous les membres du Lab oratoire
MSSMat avec qui les contacts ont toujours été amicaux et sympathiques. Les bons
moments partagés ont contribué grandement à cette ambiance générale d es plus
agréables. J'exprime ma gratitude particulière envers tous mes co llègues
doctorants, Cristian Nieto-Gamboa, Ghizlane Benosman, Esteban Saez, Tam mam
Hammad, Rachele Allena, Elsa Vennat, Sofia Costa d'Aguiar, Maryam Tabba khha,
tel-00534665, version 1 - 10 Nov 20104
Ana Patricia Gaspar et Sahar Hemmati.
Mes pensées vont également à l'ensemble du personnel du département d'An alyses
Mécaniques et Acoustique de EDF R&D pour m'avoir accueilli et permis de ré aliser
ce travail dans des conditions matérielles et humaines des plus appré ciables. Je
remercie notamment Vincent Guyonvarh pour son soutien et la confiance q u'il m'a
accordée tout au long du projet. Également, une pensée particulière po ur Marc
Kham et Roméo Fernandes pour toute l'aide qu'ils ont su m'apporter d urant la
thèse. Je remercie aussi tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à ce projet:
Mickaël Abbas, Aimery Assire, Clément Chavant, Mathieu Courtois, Thomas De
Soza, Georges Devesa, Christophe Durand, Joumana El-Gharib, Isabelle Fourni er,
Vincent Godard, Sylvie Granet, Nicolas Greffet, Patrick Massin, Jacques Pe llet,
Jean-Michel Proix... sans oublier les membres du LaMSID avec qui j'ai p artagé plus
que de simples cafés: Marion Allayrac, Ophélie Angélini, Jérôme Beaurai n, Julien
Berland, Daniele Colombo, Sam Cuvillier, Frédéric Daude, André Jaubert, Romain
Lacombe et Mohamed Torkhani.
J'adresse mes remerciements les plus sincères à tous les membres de ma f amille,
parents, « beaux-parents », frère, «beau-frère et belle- »so ,e ucorusins pour
m'avoir soutenu et épaulé durant ces années de thèse. Enfin, ma gratitud e la plus
grande se dirige vers Thaïs, ma future épouse, pour son soutien , sa
compréhension, son aide et sa patience tout au long de ces années.

tel-00534665, version 1 - 10 Nov 20105
Résumé
L'objectif technique majeur de cette thèse se rapporte au développement d 'un outil
de simulation numérique fiable et robuste adapté à la maîtrise et la conn aissance du
fonctionnement mécanique des ouvrages géotechniques. Cet outil de simul ation doit
notamment permettre une maîtrise des scénarii les plus pénalisants pour leur tenue,
notamment sous l'aléa sismique.
La qualité des résultats d'un tel outil dans le cadre de la méthode des éléments finis
est fonction du modèle de comportement utilisé, de la qualité de l'in tégration du
modèle et de sa résolution numérique. Dans le cadre de ce travail, l e modèle
élastoplastique de comportement cyclique des sols de l'ECP (dit de Hujeu x) a été
introduit dans Code_Aster selon un schéma d'intégration implicite, permetta nt ainsi
une représentation fine et précise des phénomènes mis en jeu duran t l'aléa
sismique. Ce modèle possède également l'avantage d'être adapté au comport ement
de différents types de sols dans le cadre des milieux poreux sous l'h ypothèse des
petites déformations. Après validation sur des chemins de chargement variés, le
modèle est à présent utilisé pour la simulation de la construction par couch es, de la
mise en eau et de la tenue sismique de barrages en terre.
Le caractère non standard et adoucissant de ce modèle conduit à mettre en oeuvre
des techniques de régularisation pour résoudre le problème de dé pendance
pathologique des résultats aux maillages lors de l'apparition de mod es de ruine
localisée. Le modèle de second gradient de dilatation est utilisé en com plément au
modèle de comportement de Hujeux pour contrôler la largeur des ban des de
localisation apparaissant sur les structures étudiées. La prise en compte d'une
cinématique enrichie permet de rendre objectives aux maillages les ré ponses des
structures durant leur phase d'adoucissement mais n'instaure pas l'unici té des
solutions aux problèmes posés suite aux instabilités. Dans le cad re d'essais
biaxiaux drainés sur des matériaux dilatants exprimés au sein des milieux du
second gradient de dilatation, il est apparu une dépendance de la l argeur des
bandes de cisaillement à l'état de contraintes initial en plus des p ropriétés des
matériaux.
A partir d'un exemple analytique d'une bande de matériau cisaill ée, cette
dépendance a pu être exprimée, comparée et maîtrisée en fonction des par amètres
de régularisation par rapport aux résultats des simulations numériques. L' extension
de cette approche à un cas de stabilité de pente sous chargement d'une fondation
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