Du sol à l'ouvrage (traité MIM)

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Description

Ce livre Du sol à l'ouvrage se veut un hommage au professeur Jean Biarez. Il a été écrit par un groupe d’anciens élèves qui se sont inspirés de sa vision de la mécanique des sols consistant en une approche basée sur un double objectif : la compréhension des mécanismes élémentaires régissant les interactions entre constituants du sol pour une meilleure connaissance scientifique du comportement des terrains, l’application de ces connaissances dans l’ingénierie par le développement de méthodes rationnelles de construction des ouvrages.
Le plan de ce recueil Du sol à l'ouvrage et les différentes contributions suivent fidèlement l’esprit de cette démarche.
Avant-propos. Pierre-Yves HICHER et Etienne FLAVIGNY. Chapitre 1. Jean Biarez : Quelques éléments sur sa vie et son œuvre. Chapitre 2. De la particule au comportement des matériaux granulaires : quelques pistes tracées par Jean Biarez. Chapitre 3. Matériaux granulaires du génie civil : avancées récentes dans la physique de leur comportement et applications pratiques aux ouvrages. Chapitre 4. Comportement de stériles à hautes pressions : applications au dimensionnement de dépôts de grande hauteur. Chapitre 5. Les modèles de Jean Biarez pour le comportement en grandes déformations des sables propres et argiles remaniées. Chapitre 6. Le concept de contrainte effective dans les sols partiellement saturés. Chapitre 7. Un modèle microstructural pour les sols et matériaux granulaires. Chapitre 8. Modélisation de glissements de terrains par un critère d’instabilité matérielle. Chapitre 9. Modélisation numérique : un outil efficace pour analyser le comportement des ouvrages. Chapitre 10. Évaluation de la stabilité sismique des barrages en remblai. Index.

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Publié par
Date de parution 24 septembre 2010
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EAN13 9782746241381
Langue Français

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Du sol à l'ouvrage











































© LAVOISIER, 2010
LAVOISIER
11, rue Lavoisier
75008 Paris

www.hermes-science.com
www.lavoisier.fr

ISBN 978-2-7462-3007-1


Le Code de la propriété intellectuelle n'autorisant, aux termes de l'article L. 122-5, d'une part,
que les "copies ou reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non
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partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est
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soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du
Code de la propriété intellectuelle.
Tous les noms de sociétés ou de produits cités dans cet ouvrage sont utilisés à des fins
d’identification et sont des marques de leurs détenteurs respectifs.


Printed and bound in England by Antony Rowe Ltd, Chippenham, September 2010.






Du sol


à l’ouvrage


une vision multi-échelles de la géomécanique









sous la direction de

Pierre-Yves Hicher
Etienne Flavigny


















Il a été tiré de cet ouvrage
35 exemplaires hors commerce réservés
aux membres du comité scientifique,
aux auteurs et à l’éditeur
numérotés de 1 à 35
Du sol à l’ouvrage
sous la direction de Pierre-Yves Hicher et Etienne Flavigny
fait partie de la série MATÉRIAUX
dirigée par Félix Darve





Le traité Mécanique et Ingénierie des Matériaux répond au besoin de
disposer d’un ensemble complet de connaissances et méthodes nécessaires à
la maîtrise de ce domaine.

Conçu volontairement dans un esprit d’échange disciplinaire, le traité MIM
est l’état de l’art dans les domaines suivants retenus par le comité scientifique :


Géomécanique
Matériaux
Environnement et risques


Chaque ouvrage présente aussi bien les aspects fondamentaux
qu’expérimentaux. Une classification des différents articles contenus dans
chacun, une bibliographie et un index détaillé orientent le lecteur vers ses
points d’intérêt immédiats : celui-ci dispose ainsi d’un guide pour ses
réflexions ou pour ses choix.

Les savoirs, théories et méthodes rassemblés dans chaque ouvrage ont été
choisis pour leur pertinence dans l’avancée des connaissances ou pour la
qualité des résultats obtenus.



Jean Biarez (1927-2007), professeur à l’université de Grenoble puis à
l’Ecole Centrale de Paris. Par son enseignement, ses travaux de
recherche et d’expertise, il a créé une école de pensée française dans le
domaine de la géotechnique qui demeure aujourd’hui très vivante aussi
bien dans le monde universitaire que dans l’ingénierie.














Liste des auteurs


María Eugenia ANABALON Etienne FROSSARD
Arcadis Chile Coyne et Bellier Ingenieurs Conseils
Santiago Gennevilliers
Chili
Jean-Jacques FRY
Edgar BARD Laboratoire de tribologie
Arcadis Chile et dynamique des systèmes - CNRS
Santiago Ecole Centrale de Lyon
Chili
António GOMES CORREIA
Jean-Louis BORDES Université de Minho/ DEC
Ingénieur ECP Guimaraes
Paris Portugal

Bernard CAMBOU Daniel GRIMM
Laboratoire de tribologie Professeur émérite
et dynamique des systèmes - CNRS Ecole Centrale de Paris
Ecole Centrale de Lyon
Sigit HADIWARDOYO
Félix DARVE University of Indonesia
Laboratoire Sols Solides Depok
Structures risques - CNRS Indonesia
Ecole nationale d'ingénieurs pour
l'énergie, l'eau, l'environnement Mahdia HATTAB
Grenoble Laboratoire de Physique et Mécanique
des Matériaux - CNRS
Jean-Louis FAVRE Université Paul Verlaine
Professeur émérite Metz
Ecole Centrale de Paris
Pierre-Yves HICHER
Etienne FLAVIGNY Institut de recherche en génie civil
Laboratoire Sols Solides et mécanique - CNRS
Structures risques - CNRS Ecole Centrale de Nantes
Ecole nationale d'ingénieurs pour
l'énergie, l'eau, l'environnement Farid LAOUAFA
Grenoble Direction des risques du sol
et du sous-sol
Jean-Marie FLEUREAU Institut national de l'environnement
Laboratoire MSS-Mat - CNRS industriel et des risques
Ecole Centrale Paris Verneuil en Halatte
Sylvain LIGNON Florent PRUNIER
Groupe de recherche en sciences pour Laboratoire de génie civil et ingénierie
l'ingénieur environnementale
Université de Reims Champagne INSA Lyon

Arezou MODARESSI-FARAHMAND- Hanène SOULI
RAZAVI Laboratoire de tribologie
Laboratoire de mécanique des sols, et dynamique des systèmes - CNRS
structures, matériaux - CNRS Ecole Nationale d'Ingénieurs
Ecole Centrale de Paris Saint-Etienne

Cécile NOUGUIER-LEHON Said TAIBI
Laboratoire de tribologie Laboratoire d'ondes & milieux
et dynamique des systèmes - CNRS complexes - CNRS
Ecole Centrale de Lyon Université du Havre


Table des matières
Avant-propos ....................................... 17
Pierre-Yves HICHER et Etienne FLAVIGNY
Chapitre 1. Jean Biarez : quelques éléments sur sa vie et son œuvre .... 21
Jean-Louis BORDES, Jean-Louis FAVRE et Daniel GRIMM
1.1. Sa jeunesse et son arrivée à Grenoble .................... 21
1.2. De Grenoble à Paris ............................... 24
1.3. Les grands domaines de sa recherche28
1.4. Chercheur et pédagogue ............................ 29
1.5. Conclusion .................................... 32
1.6. Bibliographie ................................... 33
Chapitre 2. De la particule au comportement des matériaux granulaires :
quelques pistes tracées par Jean Biarez ...................... 35
Bernard CAMBOU et Cécile NOUGUIER-LEHON
2.1. Introduction35
2.2. Les outils disponibles, les variables analysées et les limites
de l’analyse ...................................... 37
2.3. L’analyse de l’anisotropie géométrique ................... 38
2.4. Analyse de la distribution des forces de contact
dans un milieu granulaire .............................. 41
2.5. Analyse de l’arrangement local ........................ 44
2.6. Rupture des particules ............................. 49
2.7. Conclusion .................................... 53
2.8. Bibliographie ................................... 53














10 Du sol à l’ouvrage
Chapitre 3. Matériaux granulaires du génie civil : avancées recentes
dans la physique de leur comportement et applications pratiques
aux ouvrages ....................................... 57
Etienne FROSSARD
3.1. Comportement résultant de la dissipation d’énergie par friction..... 59
3.1.1. Introduction ................................ 59
3.1.2. Fondements60
3.1.3. Principales conséquences pratiques .................. 66
3.1.4. Conclusion ................................. 75
3.2. Effets de comportement dus aux ruptures de granulats .......... 76
3.2.1. Introduction aux ruptures de granulats ................ 76
3.2.2. Effets d’échelle dans la résistance au cisaillement .......... 79
3.3. Applications pratiques aux ouvrages ..................... 87
3.3.1. Nouvelle méthode pour l’évaluation rationnelle
de la courbe intrinsèque d’enrochements ................... 87
3.3.2. Incidence des effets d’échelle sur la stabilité d’ouvrages ...... 89
3.3.3. Effets d’échelle sur les déformations ................. 95
3.4. Conclusion .................................... 104
3.5. Bibliographie ................................... 105
Chapitre 4. Comportement de stériles à hautes pressions :
applications au dimensionnement de dépôts de grande hauteur ....... 109
Edgar BARD et María Eugenia ANABALON
4.1. Introduction110
4.2. Développements de nouveaux moyens d’essais en laboratoire
pour matériaux grossiers ............................... 110
4.2.1. Montages triaxial et oedométrique de IDIEM ............ 111
4.3. Stériles miniers.................................. 112
4.3.1. Distribution granulométrique in situ .................. 113
4.3.2. Stériles étudiés............................... 114
4.4. Caractérisation du comportement mécanique des stériles......... 114
4.4.1. Essais oedométriques........................... 115
4.4.2. Essais triaxiaux .............................. 115
4.4.3. Résultats des essais oedométriques .................. 116
4.4.4. Résultats des essais triaxiaux ...................... 121
4.4.5. Evolution de la densité sèche131
4.5. Analyses de stabilité et considérations de dimensionnement ....... 133
4.6. Considérations opérationnelles ........................ 135
4.6.1. Système de drainage basal135
























Table des matières 11

4.6.2. Assainissement .............................. 136
4.6.3. Conditions des fondations ........................ 136
4.6.4. Effet de la neige et de la pluie...................... 137
4.6.5. Effet de la lixiviation in situ sur les stériles.............. 137
4.6.6. Conception pour la fermeture138
4.7. Conclusion .................................... 138
4.8. Remerciements.................................. 139
4.9. Bibliographie ................................... 140
Chapitre 5. Les modèles de Jean Biarez pour le comportement
en grandes déformations des sables propres et argiles remaniées ...... 143
Jean-Louis FAVRE et Mahdia HATTAB
5.1. Introduction.................................... 143
5.2. Le modèle de Biarez à l’oedomètre...................... 145
5.3. L’état de plasticité parfaite et l’indice des vides critique ......... 148
5.4. Les chargements isotropes normalement consolidés et surconsolidés . 152
5.4.1. Analogie sables-argiles.......................... 152
5.4.2. Etat normalement consolidé (ISL) ................... 153
5.4.3. Etat surconsolidé (C) .......................... 154 s
5.5. Le chemin triaxial drainé pour les sables et argiles ............ 156
5.5.1. Le comportement repère ......................... 156
5.5.2. Le modèle mathématique ........................ 158
5.6. Le chemin triaxial non drainé pour les sables................ 159
5.6.1. Formule de Roscoe simplifiée pour les sols
normalement consolidés non drainés ..................... 159
5.6.2. Modélisation des maxima sous la droite M dans le plan q-p’ ... 160
5.7. Comportement de référence pour les sables non drainés ......... 162
5.7.1. Normalisation en contrainte de consolidation théorique p’ .... 162 ic
5.7.2. Normalisation en plasticité parfaite des courbes en (q-ε ) 1
et variation de la pression interstitielle .................... 163
5.7.3. Normalisation du plan (q-p’) en contrainte initiale p’ ....... 164 0
5.8. Le comportement au triaxial des sables avec grumeaux.......... 164
5.8.1. Les sables avec grumeaux ........................ 164
5.8.2. Le modèle de Roscoe appliqué pour les sables à grumeaux .... 165
5.8.3. Synthèse du comportement de quelques sables à grumeaux .... 166
5.9. Nouvelle analyse des modèles à l’oedomètre ................ 168
5.9.1. Modèle de Burland ............................ 168
5.9.2. Comparaison des deux modèles et modèle mixte .......... 172
5.9.3. Modèle de Burland porté dans l’espace (I -logσ’ ) de Biarez ... 176 L v
5.10. Destructuration des sédiments argileux................... 176






























12 Du sol à l’ouvrage
5.11. Conclusion ................................... 177
5.12. Notes ....................................... 179
5.13. Bibliographie .................................. 182
5.14. Notations .................................... 184
Chapitre 6. Le concept de contrainte effective dans les sols
partiellement saturés .................................. 187
Said TAIBI, Jean-Marie FLEUREAU, Sigit HADIWARDOYO, Hanène SOULI
et António GOMES CORREIA
6.1. Introduction187
6.2. Modèle microstructural pour milieux granulaires non saturés ...... 193
6.3. Matériaux et méthodes ............................. 198
6.3.1. Matériaux et préparation des échantillons ............... 198
6.3.2. Dispositifs expérimentaux et méthodes d’essai ........... 199
6.3.3. Normalisation des données ....................... 204
6.4. Résultats expérimentaux ............................ 204
6.4.1. Chemins de compression isotrope ................... 204
6.4.2. Chemins de compression déviatoire .................. 205
6.4.3. Comportement en très petites déformations ............. 206
6.5. Interprétation des résultats en utilisant la contrainte effective ...... 208
6.5.1. Interprétation des essais triaxiaux en grandes déformations .... 209
6.5.2. Interprétation des mesures de module en petites déformations . . 210
6.6. Conclusion .................................... 211
6.7. Remerciements.................................. 212
6.8. Bibliographie ................................... 212
Chapitre 7. Un modèle microstructural pour les sols
et matériaux granulaires ................................ 217
Pierre-Yves HICHER
7.1. Introduction217
7.2. Le modèle microstructural ........................... 219
7.2.1. Comportement interparticulaire..................... 219
7.2.2. Relation de comportement à l’échelle
du milieu continu équivalent .......................... 222
7.2.3. Les paramètres du modèle ........................ 223
7.3. Résultats de simulations numériques sur le sable d’Hostun ....... 224
7.3.1. Essais triaxiaux drainés ......................... 224
7.3.2. Essais triaxiaux non drainés ....................... 228





















Table des matières 13

7.4. Extension de l’approche aux sols argileux.................. 229
7.4.1. Argile remaniée .............................. 232
7.4.2. Argiles naturelles ............................. 234
7.5. Matériaux granulaires non saturés ...................... 238
7.6. Conclusion .................................... 246
7.7. Bibliographie ................................... 247

Chapitre 8. Modélisation de glissements de terrains
par un critère d’instabilité matérielle ........................ 251
Florent PRUNIER, Sylvain LIGNON, Farid LAOUAFA et Félix DARVE
8.1. Introduction251
8.2. Etude de la condition du travail du second ordre .............. 253
8.2.1. Etude analytique.............................. 253
8.2.2. Interprétation physique.......................... 258
8.3. Modélisation du glissement de Petacciato .................. 260
8.3.1. Présentation du site ............................ 260
8.3.2. Présentation du modèle utilisé ..................... 263
8.3.3. Calcul du glissement ........................... 266
8.4. Conclusion .................................... 271
8.5. Bibliographie ................................... 273

Chapitre 9. Modélisation numérique : un outil efficace
pour analyser le comportement des ouvrages ................... 277
Arezou MODARESSI-FARAHMAND-RAZAVI
9.1. Notations ..................................... 277
9.2. Introduction280
9.3. Modélisation du comportement des sols ................... 282
9.3.1. Caractéristiques principales du comportement mécanique
des sols ....................................... 282
9.3.2. Modèles de comportement utilisés pour le calcul d’ouvrages ... 288
9.3.3. Modèle simplifié ............................. 289
9.3.4. Généralisation du modèle simplifié .................. 298
9.3.5. Comportement mécanique des sols non saturés ........... 300
9.3.6. Critères définissant le chargement et le déchargement
en plasticité .................................... 307
9.3.7. Modèle multimécanisme ......................... 310






















14 Du sol à l’ouvrage
9.4. Stratégie d’identification des paramètres du modèle de l’ECP...... 312
9.4.1. Classification et identification des paramètres
du modèle de l’ECP ............................... 313
9.4.2. Paramètres directement mesurables .................. 315
9.4.3. Paramètres non directement mesurables ............... 325
9.4.4. Paramètres définissant l’état initial ................... 328
9.4.5. Application d’une démarche d’identification des paramètres ... 331
9.5. Rôle de la loi de comportement du sol sur la réponse des ouvrages... 337
9.5.1. Murs de soutènement........................... 337
9.5.2. Pieux chargés verticalement....................... 341
9.5.3. Barrages en terre ............................. 351
9.6. Conclusion .................................... 357
9.7. Remerciements.................................. 358
9.8. Annexes ...................................... 358
9.9. Bibliographie ................................... 361
Chapitre 10. Evaluation de la stabilité sismique
des barrages en remblai ................................ 371
Jean-Jacques FRY
10.1. Introduction371
10.1.1. En hommage à Jean Biarez ...................... 371
10.1.2. Définitions ................................ 372
10.2. Comportement sismique observé373
10.2.1. La pathologie des barrages-poids ................... 373
10.2.2. Les barrages à contreforts ....................... 374
10.2.3. Les barrages voûtes ........................... 375
10.2.4. Pathologie sismique des remblais hydrauliques .......... 376
10.2.5. Pathologie sismique des stériles miniers............... 377
10.2.6. Pathologie des remblais routiers et des levées de protection
contre les crues provoquées par les séismes ................. 377
10.2.7. Les digues hydroélectriques fluviales ................ 378
10.2.8. Les petits barrages en terre....................... 378
10.2.9. Pathologie sismique des grands barrages en terre ......... 380
10.2.10. Pathologie des grands barrages zonés en terre et enrochement . 382
10.2.11. Pathologie sismique des barrages en enrochement
à masque amont .................................. 382
10.2.12. Analyse de la pathologie sur modèles réduits ........... 383
10.2.13. Bilan des dégradations sismiques observées sur barrages .... 383
10.2.14. Dégâts sismiques majeurs sur les barrages en béton ....... 384
10.2.15. Dégâts sismiques majeurs sur les barrages en remblai...... 385






























Table des matières 15

10.2.16. Effets différés ou indirects ...................... 385
10.3. Méthodologie d’analyse du risque sismique................ 386
10.3.1. Classification sismique des barrages en France .......... 386
10.4. Evaluation de l’aléa sismique ........................ 388
10.4.1. Choix du scénario de situations de dimensionnement ....... 388
10.4.2. Choix des niveaux sismiques ..................... 389
10.4.3. Choix des caractéristiques du niveau sismique ........... 389
10.4.4. Choix des accélérogrammes ...................... 391
10.5. Réévaluation de la stabilité sismique .................... 393
10.5.1. Exposition maximale au séisme : la liquéfaction.......... 393
10.5.2. Une méthodologie progressive conseillée .............. 395
10.5.3. L’identification ............................. 396
10.5.4. Analyse pseudo-statique de la stabilité ................ 396
10.5.5. Analyse pseudo-dynamique du déplacement ............ 397
10.5.6. Analyse du risque de liquéfaction................... 401
10.5.7. Analyse couplée non linéaire ..................... 403
10.5.8. Analyse de la stabilité post-sismique ................. 404
10.5.9. Bilan .................................... 405
10.6. Modélisation semi-couplée de la liquéfaction ............... 406
10.6.1. Objectif .................................. 406
10.6.2. Présentation de la loi de comportement406
10.6.3. Critères de rupture............................ 406
10.6.4. Loi de déformabilité déviatoire .................... 407
10.6.5. Loi de déformabilité isotrope : liquéfaction ............. 409
10.6.6. Intégration de la loi ........................... 410
10.6.7. Qualification de la loi sur la rupture de San Fernando ...... 411
10.6.8. Application de la loi aux digues fluviales .............. 418
10.7. Bibliographie .................................. 424
Index ............................................ 431























Avant-propos
Cet ouvrage se veut un hommage au professeur Jean Biarez. Il a été écrit par un
groupe d’anciens élèves qui se sont inspirés de sa vision de la mécanique des sols
consistant en une approche basée sur un double objectif : la compréhension des
mécanismes élémentaires régissant les interactions entre constituants du sol pour une
meilleure connaissance scientifique du comportement des terrains ; l’application de
ces connaissances dans l’ingénierie par le développement de méthodes rationnelles
de construction des ouvrages. Le plan de l’ouvrage et les différentes contributions
suivent fidèlement l’esprit de cette démarche.
Les premiers chapitres se placent à l’échelle des différents constituants du sol et
de leur organisation à la base du comportement mécanique du matériau. Puis sont
étudiés les comportements à l’échelle du volume élémentaire représentatif,
c’est-àdire l’échelle de l’échantillon de sol. On retrouve ici la démarche proposée par
J. Biarez pour le passage du milieu discontinu formé de grains au milieu continu
équivalent. Il avait montré que ce lien pouvait être construit par des liaisons entre
paramètres représentatifs des grains et paramètres de la loi de comportement du
milieu continu équivalent, ces paramètres représentatifs pouvant être classés en deux
groupes : les propriétés mécaniques des grains et les lois de contact, les conditions
géométriques de l’arrangement des grains et leur confinement. Cette méthodologie
d’approche est illustrée dans le cadre de la quantification du comportement en
grandes déformations des sables et argiles remaniées, quantification qui permet de
définir des comportements repères à partir de paramètres de nature du sol.
Plusieurs mécanismes propres aux matériaux granulaires sont ainsi étudiés à
différentes échelles : l’anisotropie géométrique à partir des orientations de contact et
l’orientation des forces de contact ainsi que l’équilibre des assemblages locaux à
l’origine des mécanismes plastiques dans les matériaux granulaires. Ces mécanismes,
étudiés expérimentalement par J. Biarez, sont ici analysés à l’aide d’approches 18 Du sol à l’ouvrage
analytique ou numérique, cette dernière s’appuyant sur les développements récents
de la mécanique des éléments discrets. Plusieurs chapitres font référence à la rupture
des particules, phénomène très présent dans les matériaux granulaires. On retrouve
ici un autre effet d’échelle lié cette fois à la taille des constituants et à leur évolution
au cours d’un chargement mécanique. Ce phénomène, comme l’avait montré J. Biarez,
engendre une modification des propriétés de l’assemblage qui est discutée et prise
en compte dans le dimensionnement d’ouvrages, en particulier les ouvrages en
enrochements de grande hauteur.
Un autre phénomène est illustré, c’est l’effet de la présence de l’eau dans les
sols. Le comportement du milieu continu équivalent devient alors dépendant à la
fois du comportement des grains solides, de celui du fluide et des interactions
solidefluide aux interfaces. Cet aspect est abordé d’une part par l’étude de ces interactions
et par la discussion sur la notion de contrainte effective dans les sols non saturés. A
partir d’une analyse des forces capillaires à l’échelle des grains, les auteurs montrent
qu’il est possible de dégager un concept de contrainte effective permettant d’unifier
les comportements de matériaux secs et partiellement saturés dans le domaine élastique
à faibles amplitudes de déformation et de définir un critère de résistance maximale
unique quel que soit le degré de saturation. Un autre exemple de cet effet de l’eau se
rencontre dans les matériaux grossiers qui voient leur compressibilité augmenter lors
d’une phase de saturation.
En s’appuyant sur ce cadre d’expression du passage milieu discontinu-milieu
continu, il est possible de construire des modèles de comportement pour le milieu
continu équivalent à partir des propriétés intergranulaires et de la géométrie de
l’assemblage. Les approches d’homogénéisation du comportement d’assemblages
granulaires considèrent en général le milieu granulaire comme un ensemble de plans
tangents aux points de contact entre particules et en interactions les uns avec les
autres. Il s’agit alors de décrire la loi de contact le long de ces plans et de développer
des opérateurs d’homogénéisation permettant d’intégrer l’ensemble de ces contacts à
l’échelle du milieu continu. Des approches d’homogénéisation du comportement
d’assemblages granulaires ont été développées dans un premier temps pour évaluer
leurs caractéristiques élastiques. Une extension au comportement plastique est
présenté dans cet ouvrage. L’intérêt de ce type d’approche est de pouvoir intégrer
assez naturellement divers mécanismes physiques se produisant à l’échelle des
contacts intergranulaires.
J. Biarez s’est beaucoup intéressé aux ruptures de pentes par glissement et a en
particulier développé des méthodes de calculs basées sur les équilibres plastiques.
Des travaux récents ont montré que des instabilités matérielles pouvaient survenir
au sein d’un massif de sol avant que le critère de plasticité ne soit atteint. Ces Avant-propos 19

instabilités matérielles surviennent quand le travail du second ordre s’annule en
accord avec les travaux de Hill sur le sujet. Une analyse des conditions d’annulation
de ce travail du second ordre est étudiée à l’aide de lois incrémentales non linéaire
ou linéaire par morceaux. Elle montre l’existence d’un cône d’instabilité regroupant
l’ensemble des directions instables. Une application est menée concernant la simulation
numérique du glissement d’une pente naturelle à l’aide d’un modèle hydromécanique
pour un sol non saturé. Les résultats obtenus montrent le développement de zones
potentiellement instables lors de la saturation du sol.
Jean Biarez a été un précurseur dans l’utilisation de codes de calculs aux
éléments finis pour la modélisation des ouvrages de génie civil. Sous son impulsion,
en particulier, a été développé par son équipe à l’Ecole centrale de Paris le code
de calcul GEFDyn. Les capacités de ce code de calcul sont illustrées à partir de la
modélisation d’ouvrages types : soutènements, fondations profondes, barrages en
terre. L’accent est mis sur la qualité de la prédiction numérique au travers de la
capacité du modèle de comportement choisi à reproduire la rhéologie du sol et le
choix des paramètres retenus pour un sol donné. Ce dernier point a toujours été
considéré comme primordial par J. Biarez et l’a conduit à réaliser aux cours des
dernières années de sa carrière un travail considérable de collectes de données
regroupant essais de laboratoire et essais in situ sur des sols très divers. Ces
résultats lui ont permis de proposer une méthodologie d’approche dans laquelle des
comportements-repères permettaient de construire un cadre général, enrichi ensuite
par la compréhension de l’histoire géologique des couches de sol étudiées. Cette
stratégie d’identification est discutée et illustrée par son impact sur les résultats de
calculs d’ouvrages.
La préoccupation de Jean Biarez a toujours été de mettre la compréhension du
comportement des sols au service de méthodes opérationnelles pour la construction
d’ouvrages. Il était un grand partisan de la méthode observationnelle et de la
nécessité d’auscultation des ouvrages en service, source d’une meilleure compréhension
du comportement des sols et du fonctionnement des ouvrages. Il a été en France
un des premiers à mener des travaux sur le comportement dynamique des sols,
dont les applications concernaient en priorité la stabilité des centrales nucléaires
et des barrages sous sollicitations sismiques, répondant en cela à une très forte
préoccupation d’EDF, entreprise avec laquelle il a collaboré tout au long de
sa carrière. Le dernier chapitre de l’ouvrage illustre cette approche à la fois
fondamentale sur le comportement des sols et appliquée dans la volonté de dégager
des éléments de compréhension des accidents observés et des ruptures expertisées en
s’intéressant à l’évaluation de la stabilité sismique des barrages en remblai. A partir
de la typologie des accidents constatés, une méthodologie pour évaluer le risque 20 Du sol à l’ouvrage
sismique est présentée, en particulier le risque de liquéfaction qui est l’expression la
plus critique du danger sismique.
La notice biographique en tête de cet ouvrage retrace l’apport que Jean Biarez a
apporté à la mécanique des sols durant sa carrière de chercheur et d’enseignant,
des années pionnières d’après-guerre à celles d’une science reconnue. Elle met
également en évidence son rôle significatif dans la formation de chercheurs et
enseignants-chercheurs qui ont permis à la recherche française en géomécanique
de jouer un rôle moteur sur la scène internationale et en particulier à l’échelle
européenne à travers le GRECO géomatériaux puis le groupement ALERT
Geomaterials.
Pierre-Yves HICHER et Etienne FLAVIGNY



Chapitre 1
Jean Biarez :
quelques éléments sur sa vie
et son œuvre
La carrière de Jean Biarez s’est inscrite toute entière dans le développement de
ela mécanique des sols en France dans la deuxième moitié du XX siècle. En
introduction à ce livre rédigé à la suite de la journée d’hommage du 12 mars 2008
au Comité français de mécanique des sols, nous souhaitons mettre en perspective
son action depuis les années pionnières à Grenoble jusqu’au développement d’un
grand centre de recherche à l’Ecole centrale de Paris. Nous rappellerons son rôle
de médiateur entre la recherche et l’application industrielle et son action souvent
originale de formateur.
1.1. Sa jeunesse et son arrivée à Grenoble
Jean Biarez est né le 8 septembre 1927 à Lille. Il est issu d’une famille
d’entrepreneurs de bâtiment. Il prépara le concours d’entrée à l’Ecole centrale de
Paris à Versailles à l’école Sainte-Geneviève. Admis en 1949, il en sortit diplômé en
1952, dans l’option constructeur. Après avoir fait son service dans la Marine, il
effectua un bref passage à la SOCOTEC. Fin 1954, il répondit à une double
sollicitation de la faculté des sciences de Grenoble et de la SOGREAH désireuses
l’une de développer un enseignement de mécanique des sols, l’autre un laboratoire
de mécanique des sols. Cette coopération du secteur public et privé qui fait débat de

Chapitre rédigé par Jean-Louis BORDES, Jean-Louis FAVRE et Daniel GRIMM. 22 Du sol à l’ouvrage
nos jours ne posait alors aucun problème en Dauphiné. Il avait été réglé de façon
très pragmatique à Grenoble dès 1907 avec Georges Routin, à la fois créateur de
l’enseignement de l’hydraulique à l’institut et de la première station d’essais des
établissements Neyret-Bellier.
Un peu d’histoire permettra de comprendre les enjeux au sortir de la guerre, les
conditions locales et les différents acteurs.
La France, sortie exsangue de la seconde guerre mondiale, avait un besoin
considérable d’énergie. Ce fut le rôle d’EDF de mettre en œuvre un programme
ambitieux de construction de barrages hydroélectriques, forte d’ailleurs des réussites
accomplies avant ou même pendant la guerre. Parmi les solutions techniques pour
les réaliser, il y avait celle des barrages en terre pour lesquels les ingénieurs français
manquaient de pratiques en dehors des réussites algériennes des années 1930.
Celles-ci ne furent pas sans conséquence pour des sites comme celui de
SerrePonçon. EDF joua alors un rôle essentiel dans l’organisation et la coordination d’un
véritable transfert technologique, au niveau des laboratoires de sol, des bureaux
d’études, des entrepreneurs et des maîtres d’ouvrages, transfert surtout depuis les
Etats-Unis.
Grenoble, capitale d’une région innovante, rappelons-nous Bergès et la Houille
Blanche, était comme l’on vient d’y faire allusion, le lieu d’une coopération
université-industrie exemplaire. Les soucis que les industriels avaient pour la
formation de leurs cadres étaient repris par l’université aidée par des structures
originales adéquates (écoles de papeterie, d’électrotechnique avec les premiers cours
d’électricité à la faculté dès 1892, d’hydraulique, etc.) et plus particulièrement
en 1947, une association des amis de l’Université de Grenoble présidée alors par
Paul-Louis Merlin (de Merlin Gerin). Ce dynamisme est encore illustré en 1957,
lorsqu’un jeune normalien Jean Kuntzmann proposa de créer un laboratoire
de mathématiques appliquées et de calcul numérique, en même temps qu’un
enseignement était dispensé, ce qui permit en 1960 à l’Institut polytechnique de
délivrer un diplôme d’ingénieur mathématicien.
EDF avait créé à Gap, un laboratoire de mécanique des sols près du site de
SerrePonçon. Cette structure joua un rôle de formation important, mais ne pouvait durer
plus que le temps de la construction du barrage. D’autres grands barrages en terre
étaient programmés : Notre-Dame de Commiers, le Mont-Cenis. Il fallait disposer
d’une structure définitive ancrée dans la région. Par ailleurs SOGREAH se
développait de plus en plus dans le domaine des études et travaux d’hydraulique
agricole et obtenait de nombreux marchés d’études à l’étranger dans lesquels les
problèmes de sols réclamaient des compétences particulières. Enfin, consciente de Jean Biarez 23

son rôle, l’université se posait la question de créer un enseignement de troisième
cycle qui n’existait nulle part ailleurs en France.
Un laboratoire universitaire de mécanique des sols à l’intérieur de la structure du
laboratoire de mécanique des fluides dirigé par Julien Kravtchenko, Lucien Santon
et Antoine Craya, fut créé en 1955. Il fut confié à Jean Biarez.
Ces structures étaient communes à la faculté des sciences et à l’Institut
polytechnique qui regroupera en 1969 l’ensemble des écoles d’ingénieurs créées
autour ou dans la faculté des sciences. A la rentrée scolaire de 1957, un enseignement
de troisième cycle démarrait avec comme enseignants Paul Anglès d’Auriac, Jean
Biarez, Julien Kravtchenko et Lucien Santon. Comme Jean Biarez, Paul Anglès
d’Auriac était un ingénieur. Polytechnicien, il était alors directeur scientifique
de SOGREAH. Remarquable pédagogue, il initia de nombreux ingénieurs à la
mécanique des milieux continus et devint par la suite professeur de cette discipline à
la faculté des sciences de Grenoble.
L’université était équipée d’un calculateur Gamma Bull machine digitale
et analogique, pendant que SOGREAH disposait d’un calculateur IBM. Cet
environnement, avec l’enseignement de J. Kuntzmann, facilita les recherches
au laboratoire de mécanique des sols, qui put ainsi utiliser les moyens offerts par
le calcul, alors appelé automatique.
On put ainsi conduire, dans le cadre de plusieurs thèses, des calculs en plasticité,
par application de la théorie des caractéristiques développée par Sokolowski. Par
combinaison de calculs en plasticité et d’essais sur modèle à deux dimensions dans
lequel le sol est modélisé par des petits rouleaux en aluminium (modèle
TaylorSchneebelli), il fut possible de progresser dans la connaissance des mécanismes
de ruptures des écrans et des fondations soumis, dans le cadre des grandes
déformations, à des efforts de rotation.
Parallèlement, des études étaient entreprises sur les propriétés des sols sous très
faibles sollicitations, en vue de connaître les mécanismes à l’origine du comportement
des sols en distinguant sols pulvérulents et sols cohérents. Ces recherches démarrées
par Jean Biarez dans sa thèse de docteur es sciences soutenue en 1961, devaient
nourrir une démarche tout au long de sa carrière.
L’ensemble de l’activité du laboratoire, fondé d’une part sur l’étude du matériau
en laboratoire et d’autre part sur l’élaboration ou l’emploi de méthodes de calcul
rendues possibles par les nouveaux calculateurs, était orienté vers un contact étroit
avec l’activité industrielle. Celle-ci était dominée par les demandes d’EDF (études
des matériaux pour les barrages de Notre Dame de Commiers ou du Mont Cenis) et 24 Du sol à l’ouvrage
de SOGREAH (études préliminaires de sol pour le canal du Bas-Rhône-Languedoc
et pour le canal du Gharraf en Irak), sans compter, par la suite, les essais sur les grès
du barrage du Chocon en Argentine ou, pour Bachy, les essais pour les injections
aux silicates qui furent utilisées pour franchir l’accident de la galerie de la Bathie,
etc. Les étudiants de troisième cycle étaient formés au contact très étroit de tous ces
travaux, suivant en cela une tradition grenobloise maintenant bien établie.
1.2. De Grenoble à Paris
Seule la géologie était alors enseignée à l’Ecole centrale de Paris. C’était une
tradition ancienne qui remontait à la première année de sa fondation. Jean
CrosnierLeconte (ECP 1929) en était le professeur depuis 1954. Créateur du service
géologique d’EDF, il fit plus que fonder un service, il incarna et forma un nouveau
type d’ingénieur qui fit le pont entre la structure et le site, ce sur quoi Jean Biarez
insista tout au long de sa carrière. Ceci explique que par la suite plusieurs de ses
étudiants s’orientèrent vers des applications étroites de la mécanique des sols avec la
géologie.
C’est Jean-Jacques Bordes (ECP 1928) professeur de travaux publics, directeur
à la société DUMEZ, qui estima nécessaire de développer l’enseignement de la
mécanique des sols à l’école. Il fit appel à Jean Biarez pour donner les cours, trouva
auprès de DUMEZ les moyens pour équiper un petit laboratoire pour les travaux
pratiques. A la rentrée de 1963, un enseignement dans cette spécialité était créé. Jean
Biarez poursuivit à l’école la politique qu’il avait entreprise à Grenoble. Il institua,
en particulier à l’intérieur de l’option travaux publics pour le diplôme de sortie, le
principe d’un projet conduit avec un correspondant ou tuteur dans une entreprise. A
partir de 1969 le projet final se fit dans le cadre d’un stage de trois mois ayant pour
objet un thème qui était proposé par l’entreprise et qui pouvait être abordé dès le
début de la troisième année.
Tout en étant chargé de cours à l’école, Jean Biarez conserva son poste de maître
de conférence puis de professeur sans chaire à l’Université de Grenoble jusqu’en
1977, date à laquelle il fut nommé professeur à l’école.
Jean Biarez savait qu’il fallait de très longues années pour former un ingénieur
dans le domaine du génie civil. A l’école, et au cours d’une formation complémentaire,
on ne peut que lui enseigner une méthode de raisonnement, lui donner des outils
théoriques encore mal maîtrisés et lui rappeler constamment que seule l’expérience
enseigne, pour autant qu’elle soit fécondée par l’analyse critique, que le terrain est
beaucoup plus complexe que toutes les modélisations que l’esprit humain peut Jean Biarez 25

échafauder et qu’enfin les facteurs humains viennent souvent compliquer une situation
déjà très complexe.
Mais ce n’est qu’avec le transfert de l’école à Chatenay-Malabry en 1969 que le
laboratoire put pleinement se développer avec des locaux et du matériel adaptés (une
presse MTS à déformations ou efforts contrôlés, un rhéogoniomètre de Weissenberg)
pour l’étude de lois de comportement.
Les conditions du travail de recherche dans le génie civil et en mécanique des
sols en particulier, furent très profondément modifiées par les méthodes de calcul
développées dans l’industrie aéronautique aux Etats-Unis. Leur aboutissement est la
conséquence de la mise à la disposition des numériciens, de calculateurs de plus en
plus puissants. C’est à partir de 1953 que l’on parle d’éléments finis aux Etats-Unis
chez Boeing.
La révolution méthodologique, induite par l’irruption des modèles numériques, a
été considérable puisque le calcul des ouvrages avec des lois de comportement de
type élastoplastique permettait de réunifier les deux grands domaines d’application
de la mécanique des sols : les problèmes de tassement traités par l’élasticité et les
problèmes de rupture traités par la plasticité dans les approches antérieures. Un
même calcul permettait dorénavant d’obtenir les déformations sous sollicitations de
service et sous charges limites.
La méthode des éléments finis appliquée au génie civil constituait un outil qui
permettait de faire les calculs les plus complexes totalement impossibles jusqu’alors.
Ce fut le grand mérite de Jean Biarez, alors à la recherche d’outils de calcul satisfaisants,
de comprendre immédiatement le saut technologique que cette technique de calcul
allait provoquer. Dès 1966 à partir de sa connaissance de ce qui se faisait aux
EtatsUnis, des élèves de troisième année de l’école purent, grâce à lui, s’initier à cette
technique dans le cadre des travaux de fin d’étude. En parallèle, les premières thèses
furent entreprises à Grenoble pour aboutir en 1970. L’Ecole centrale de Paris fut
pendant quelques années un des rares endroits en France où des étudiants purent
découvrir l’application au génie civil de cet outil qui était en train de conquérir le
monde entier.
Ce progrès posait autant de problèmes qu’il ne permettait d’en résoudre. Les lois
de comportement des matériaux entrant dans les calculs devaient être affinés et la
mesure en laboratoire des paramètres entrant dans ces mêmes lois précisée. Mais la
plus grande difficulté demeurait dans la mesure in situ de ces mêmes coefficients et
la manière de prendre en compte la dispersion de leur valeur dans l’espace. 26 Du sol à l’ouvrage
Aucun progrès n’était possible si tous ces aspects n’étaient pas traités parallèlement.
Mais un seul organisme ne pouvait pas entreprendre seul une action dans ce
domaine. C’est ainsi que l’Ecole s’associa en 1984, à EDF et Coyne et Bellier pour
mettre au point un code de calcul, appelé GEFDYN, à même de traiter l’ensemble
des problèmes des sols. GEFDYN se présentait comme un outil d’aide à la
conception et à la justification des ouvrages. Il visait à prendre en compte la
complexité de comportement du sol avec l’ensemble des phases liquide, solide et
gazeuse, lors de l’application de sollicitations statiques ou dynamiques, en tenant
compte de l’histoire des contraintes appliquées avant celles résultant de la réalisation
de l’ouvrage concerné directement par le calcul (Marc Boulon en 1970 puis Denis
Aubry).
Pour répondre à certaines des exigences qui résultaient des ambitions de
GEFDYN, au cours de son élaboration, des recherches en parallèle avaient été
conduites sur la modélisation des lois de comportement des matériaux (Félix Darve
1974, Hujeux 1979), ainsi que sur la détermination des paramètres définis par la
modélisation, troisième champ de la recherche résultant de la mise en œuvre des
nouvelles méthodes de calcul. Cette démarche cherchait à maintenir une liaison
étroite entre la modélisation du comportement des sols et structures, son emploi
dans l’industrie des travaux publics, avec l’exigence d’introduire des paramètres
significatifs. Cette dernière exigence est peut-être la plus contraignante, car elle
concerne aussi bien la mesure des propriétés in situ que les prélèvements de sol et
l’étude des échantillons en laboratoire. On peut penser que les progrès dans ces
domaines n’ont pas été à la mesure de ceux réalisés par les méthodes de calcul.
Aussi de façon complémentaire, certains membres de l’équipe ont entrepris
de développer l’outil statistique dans le traitement des données sur le sol et des
observations sur le comportement des massifs de sols (Jean-Louis Favre 1972). Une
dernière approche dans le même esprit est celle consistant à recueillir des données de
retour de chantier tant sur les conditions exactes du sol à l’ouverture des fouilles que
sur les observations sur le comportement des ouvrages, répondant en cela au
programme que définissait en 1927 K. Terzaghi comme étant l’une des tâches les
plus importantes de la mécanique des sols.
A l’Ecole, dénommé au tout début des années 1970 groupe de mécanique des
milieux continus, puis laboratoire de mécanique des milieux continus, le laboratoire
s’appela « mécanique des sols et structures » (MSS) en 1979. Cette dénomination
marquait la volonté de ne pas se couper à la limite, des interactions entre le sol de
fondations, les sols rapportés et les structures posées dont s’occupait une équipe
(Philippe Destuynder). Les résultats obtenus par le laboratoire lui permirent Jean Biarez 27

d’obtenir le statut en 1983 d’unité de recherche associée au CNRS du département
sciences de l’ingénieur.
En 1987, le laboratoire de mécanique des sols et structures et le laboratoire
d’étude des matériaux dirigé par Dominique François étaient réunis sous le sigle
MSS-MAT, sous la direction de Jean Biarez. Ce laboratoire devint UMR, unité
mixte de recherche CNRS/ECP en 1998.
L’Ecole centrale fut habilitée à décerner des titres d’ingénieur docteur à partir de
1973. Une formation doctorale dans le domaine du laboratoire fut instituée avec un
DEA commun Ecole centrale/Paris VI en 1979, auquel se joignit l’ENPC en 1986
puis l’Ecole des mines de Paris et l’Institut polytechnique en 1992.
La liste des grandes entreprises, organismes de recherche privés et publics qui
firent appel au laboratoire en commandant des études, soit en rémunérant directement
le laboratoire, soit en subventionnant un chercheur durant le temps d’études
doctorales, comprend les plus grandes entreprises ou maîtres d’ouvrages et maîtres
d’œuvre impliqués dans les grands travaux de génie civil.
On doit souligner les relations avec l’industrie du pétrole. Cette dernière permit
de faire des études sur des lois de comportement où la viscosité et le temps jouaient
un rôle déterminant. En particulier pour les plates-formes offshore, les calculs de
fondations et de structures soumises aux efforts alternés de la houle obligèrent à des
développements fructueux dans les méthodes de calculs et l’étude du comportement
des matériaux.
Un tel laboratoire ne peut que vivre des contacts avec l’industrie, en raison
même de la vocation d’une école d’ingénieurs. Ce devrait être d’ailleurs un moyen
de mieux comprendre les besoins de l’industrie et de mieux définir le type d’ingénieurs
dont elle a besoin. On peut regretter que les allers et retours du personnel enseignant
entre un laboratoire et l’industrie ne soient pas plus fréquents.
Dès le milieu des années 1980, le laboratoire regroupait une centaine d’enseignants
chercheurs, de thésards et d’élèves du DEA. Depuis 1958 ce sont quelques 593
thèses, relevant du domaine d’action qui vient d’être décrit, qui ont été faites, partie
à Grenoble, puis à partir de 1976 à l’Ecole centrale ou dans les universités et écoles
associées dans le DEA. Le nombre de professeurs d’universités ou de grandes écoles
d’ingénieurs issus de cette filière dépasse la vingtaine dont une bonne douzaine de
centraliens. 28 Du sol à l’ouvrage
1.3. Les grands domaines de sa recherche
Jean Biarez a initié un grand nombre de domaines de recherche et les a poursuivis
tout au long de sa carrière avec ses anciens élèves de Grenoble puis de Centrale,
sans parler d’autres laboratoires que nous évoquerons.
La mécanique des milieux continus : comme nous l’avons signalé dans l’historique,
c’est avec Paul Anglès d’Auriac qu’il l’a introduite dans l’enseignement de la
mécanique des sols et que se sont développées les premières thèses en élasticité et
en plasticité et, avec Klaus Wiendick et sa propre thèse, la mécanique des milieux
granulaires que feront fructifier Bernard Cambou, Roland Gourves et Pierre Evesque,
un physicien qui a permis la rencontre avec Pierre-Gilles de Gennes. Jean Biarez a
ramené de chez Bishop l’importance de l’essai de laboratoire et des modèles réduits
pour l’investigation de la rhéologie des sols, reprise par Jack Lanier, Etienne Flavigny,
Pierre-Yves Hicher. Ces travaux ont conduit à l’écriture de modèles de comportement
déjà évoqués (la loi octaédrique de Félix Darve et la loi « Hujeux », devenue
maintenant la loi de l’Ecole centrale de Paris, après les développements récents de
Arezou Modaressi et Fernando Lopez-Caballero. Jean Biarez s’est aussi, dès le
départ, beaucoup intéressé au pressiomètre avec Louis Ménard qu’il avait connu en
classe préparatoire à Sainte-Geneviève et avec Michel Gambin. Les problèmes de
fondations, notamment le comportement des pieux ont ouvert une voie de recherche
importante avec Pierre Foray.
Rappelons également les travaux en élasticité de Jean-Pierre Giroud et d’Adel
Saada qui poursuivit très tôt une belle carrière d’enseignant aux Etats-Unis.
Soulignons un domaine de l’expérimentation où il a joué un rôle de premier
plan : les essais cycliques et dynamiques pour la caractérisation des sols sous
sollicitations sismiques (en collaboration avec EDF) : les premiers essais de
liquéfaction en France sur sables saturés (thèse de Franco Villela), essais cycliques
sur argiles et marnes saturées, les premiers essais de mesure en petites déformations
par instrumentation des échantillons (première utilisation mondiale des capteurs
sans contact dans la thèse de El Hosri), développement d’un essai de résonance
longitudinale (thèse de Boelle). Il faut souligner aussi les recherches sur le
comportement des sols non saturés développées par Jean-Marie Fleureau.
Il a ramené des Etats-Unis l’utilisation des différences finies et des éléments
finis, développés par Gilbert Touzot, Marie-Armelle Sens, Marc Boulon et Denis
Aubry (calcul du barrage du Mont Cenis) : nous avons déjà évoqué la mise au
point, piloté par Denis Aubry, du logiciel GEFDYN. C’est sans doute le domaine
(largement évoqué précédemment) où Jean Biarez a vu le mieux se couronner son
intuition de départ, vu l’explosion du calcul numérique au cours de sa carrière. Jean Biarez 29

Il avait trouvé sur les chantiers de la CNR puis sur bien d’autres comme celui de
la Dibamba avec Patrick Berthelot, l’importance des corrélations entre paramètres.
C’est en s’appuyant sur la méthode de résolution des problèmes de mécanique
des milieux continus qu’il a proposé sa logique de liaison entre paramètres que
Jean-Louis Favre a utilisée dans la recherche des corrélations pour réduire ainsi
l’incertain. Cette voie, peu fréquentée, a tout de même fait des émules à Nancy,
Clermont-Ferrand et Bordeaux en débouchant sur la notion de fiabilité des ouvrages,
thème toujours en développement à l’Ecole centrale avec Fernando Lopez-Caballero
et l’étude du rôle des processus sismiques sur les ouvrages par Didier Clouteau.
Il a trouvé avec Pierre Sirieys, Pierre Antoine et Chahrohk Azimi, l’application
de la mécanique des roches, de la géologie et de la géophysique à la géotechnique de
terrain : il a fondé à Grenoble l’Association pour le développement des recherches
sur les glissements de terrains, que ses anciens élèves François Keime et Pierre
Desvarreux pilotent toujours avec Chahrohk Azimi. Rappelons son envolée, restée
dans toutes les mémoires, d’homme de terrain devant la paroi rocheuse qui faisait
face à Aussois aux premiers participants du Gréco géomatériaux.
Il est un peu arbitraire de classer les grands domaines que Jean Biarez a lancés,
et qu’il a suivi tout au long de sa carrière, en quelques quatre grandes familles mais
là sont les limites du langage. En fait tous ces domaines étaient, dans l’esprit comme
dans la pratique de Jean Biarez, interconnectés et chacun de ses continuateurs peut
dire qu’il a eu à toucher, dans son domaine particulier, aux autres domaines.
Jean Biarez était un mécanicien à l’esprit universel, de détail et dialectique,
conscient de l’extrême complexité du milieu qu’il étudiait.
1.4. Chercheur et pédagogue
Nous venons d’indiquer les grands domaines de recherche qu’il a traités. Mais
quel était le chercheur ?
Pour reprendre un mot suggéré par certains de ses élèves, Jean Biarez était un
« accoucheur ». Il s’avançait sur une piste et laissait développer ses indications par
ses collaborateurs en leur laissant une grande liberté, trop au gré de certains.
Jean Biarez fut un travailleur acharné et un esprit d’une curiosité extrême. Une
semaine avant son décès, il était encore au laboratoire à travailler avec un étudiant.
Ses anciens thésards peuvent témoigner de son esprit hanté par le doute, de sa
demande de faire et refaire encore telle présentation, tel graphique afin qu’il rende
mieux compte de la réalité. La diversité des collaborations qu’il a eues montre le très 30 Du sol à l’ouvrage
large éventail de ses préoccupations, de la mécanique des grains à la mécanique des
os, de la pharmacie à la chirurgie.
Il a été un vecteur du transfert technologique qui est une constante historique
dans l’activité du génie civil, commandée par la pratique de la méthode expérimentale,
et donc de l’échange critique des pratiques de construction.
Son expérience de membre de la commission de contre-expertise d’enquête sur
la rupture du barrage de Malpasset s’est inscrite au début de sa carrière dans cette
démarche.
Jean Biarez fut aussi un homme de terrain et surtout un homme d’aide aux pays
en développement : ses expertises sur les barrages et les voies de chemin de fer en
Algérie ; la société qu’il avait montée pour cela ; le grand nombre de coopérants
qu’il y a envoyés (pour y casser aussi quelques 4L sur les pistes du Sahara) comme
Pierre Mouroux chez Mohamed Ben Blidia, récent président de l’Institut méditerranéen
de l’eau ; son attachement à recevoir dans ses formations des étudiants d’Afrique,
mais aussi du Moyen-Orient, d’Asie comme Michel Al Issa, directeur du département
de génie civil à Damas, Abdemaleck Bekkouche, président du comité algérien
de géotechnique, Alphonse Gueï, directeur adjoint de l’INP de Yamoussoukro,
elleM Kawkab Selman professeur des constructions à Bagdad ; sa tentative de créer
en Afrique une école de chantier.
Mais on peut aussi citer son petit carton plastifié qui a rendu quelques services
aux praticiens.
Jean Biarez fut aussi un homme de justice et de cœur. Il veillait à aider ses élèves
dans les difficultés de tous ordres, tout en étant d’une discrétion extrême que l’on
pouvait prendre pour de la froideur. Il a aidé financièrement et moralement des
thésards en grande nécessité soit matérielle soit psychologique.
Jean Biarez fut un pédagogue contrasté ; d’une part sa volonté de toujours aller
au plus près de la réalité l’empêchait de dire les choses trop simplement ce qui peut
ne pas convenir pour un ingénieur praticien en formation. Son questionnement
continuel le poussait à présenter les choses de façon contradictoire, mais d’autre part
sa prise sur le réel (le dernier juge de paix) l’ont conduit à organiser, par exemple
dans son DEA de Centrale, un cours de 25 leçons de trois heures sur les barrages
avec le concours d’EDF (M. Nury), de la CNR et autres ingénieurs (les notes et
documents de ce cours représentaient deux cartons d’archives, que Jean-Jacques Fry
a honorés d’une importante consultation). Jean Biarez 31

Une autre expérience pédagogique que Jean Biarez a beaucoup soutenue et à
laquelle il accorda une participation très assidue, fut le Gréco géomatériaux : Félix
Darve, ayant organisé des journées d’étude sur les géomatériaux à Aussois en 1985
particulièrement fructueuses, lança le Gréco géomatériaux en 1986 auquel Jean
Biarez participa avec enthousiasme. Ce dernier rassembla toute la communauté
scientifique universitaire, qui connut ainsi une très importante avancée, et la plupart
de celle des grandes entreprises. Non seulement ce Gréco de quatre ans fut renouvelé
mais il conduisit à l’institution d’échanges internationaux pérennes.
De cette expérience, Jean Biarez retira l’idée essentielle qui marquera sa fin de
carrière : la nécessité de mettre en place des supports (papier, vidéo, numérique)
pour regrouper et synthétiser les résultats des recherches sur le comportement
mécanique des sols en France et plus généralement dans le monde. D’où toute une
série de thèses dans lesquelles il a essayé de proposer une vision synthétique du
comportement des sols (courbes repères, comparaison sable/argile, etc.) en le reliant
à quelques paramètres de base de description de la structure (éléments de corrélation,
Jean-Louis Favre, Said Taïbi).
Sa pédagogie était caractérisée par le désir d’impliquer l’élève ou le chercheur
avec la plus grande responsabilité possible en lui ouvrant des domaines de recherches
très vastes, avec des rapprochements entre domaine de recherches connexes souvent
audacieux. Jean Biarez insistait sur les aspects fondamentaux et les points délicats,
au risque de l’incertitude avec une grande acuité d’esprit et laissait la plus grande
liberté sur les moyens d’atteindre les buts de la recherche. Certains ont pu trouver la
méthode un peu brutale, la solitude un peu trop grande mais beaucoup y ont trouvé
les moyens et les voies d’une carrière scientifique ou industrielle qu’ils n’ont pas
regrettée.
Enfin, Jean Biarez fut un homme de conviction, un militant : il a créé une école
de pensée spécifique et internationale qu’il a toujours confronté et enrichie au
contact d’autres écoles de pensée. Cette école de pensée continuera à rayonner grâce
à une initiative comme le Gréco Géomatériaux à laquelle il a beaucoup contribué,
grâce à ses DEA de mécanique des sols et des sols-structures de Grenoble en 1957, à
Centrale en 1979. On rappelle que l’Ecole avait été habilitée à délivrer des diplômes
d’ingénieur-docteur dès 1973, notamment en mécanique des sols (Damien Despax
1976). Jean Biarez a formé près de mille ingénieurs et chercheurs de tous les pays et
grâce à ses publications et collaborations internationales. 32 Du sol à l’ouvrage
1.5. Conclusion
Dans toutes ses activités, Jean Biarez a montré une maîtrise hors du commun
de la complexité comme cette introduction le montre. Sa force reposait sur une
organisation de son savoir sur la logique qu’il appelait « des trois colonnes »,
c’est-à-dire les équations de la mécanique générale pour la première, les lois de
comportement pour la seconde et les conditions aux limites pour la troisième. Cette
structure de pensée lui apportait une cohérence sans faille.
Tout d’abord, pour lui-même, il pouvait focaliser ses réflexions sur un point
particulier sans se disperser ni partir sur des fausses pistes. Les critiques étaient
naturellement pertinentes et portaient immédiatement sur les points sensibles.
Quelle meilleure illustration de la puissance des « trois colonnes » que l’intérêt
pour le calcul numérique : l’impossibilité de la résolution analytique des équations
saute aux yeux dans cette présentation et la recherche d’une solution numérique à un
cas numériquement posé s’impose comme une évidence. A partir de là, tout devient
permis : utiliser des lois de comportement réalistes, sortant de l’élasticité ou de la
plasticité, travailler en tridimensionnel sans avoir à particulariser une dimension,
grande pour les poutres et petite pour les plaques.
Ensuite, pour ses chercheurs et thésards, qui grâce à ces « trois colonnes »
savaient où la pierre qu’ils apportaient au progrès de la mécanique des sols se
plaçait. La perception forte et claire de l’utilité de leur travail dans un travail
d’équipe de long terme avait comme conséquence un engagement et un sérieux liés à
la responsabilité qui en résultait.
Jean Biarez a su rendre féconde cette logique « des trois colonnes », que ce soit
pour améliorer les lois de comportement, les méthodes d’essais en laboratoire ou
in situ, les méthodes de calcul, mais aussi les ouvrages en les observant et les
analysant intelligemment. Grâce aux corrélations, il a su prendre des « raccourcis »
quand la complexité de cette logique débouchait sur des impasses expérimentales
ou numériques, mais ces raccourcis étaient pris lucidement et avec un souci de
retour des observations pour éviter des extrapolations injustifiées, voire dangereuses.
Il reste derrière lui une école de pensée dont il fût le maître au sens le plus fort
du terme, école de pensée dont la fécondité pour l’avenir est, on ne peut mieux,
illustrée par les présentations de ce livre. Jean Biarez 33

1.6. Bibliographie
Ce chapitre n’est pas le produit du travail scientifique d’un historien. On notera
l’absence de notes en bas de page. Le temps qui a été consacré à la recherche des
données n’a pas permis d’éviter ce manquement. Nous nous sommes aidés de la
consultation de plusieurs documents provenant du laboratoire MSS de l’Ecole
centrale de Paris, liste des publications de Jean Biarez (1981 avec un complément
partiel par Pierre-Yves Hicher jusqu’en 2002), son curriculum vitae (1981), la liste
des thèses dirigées par Jean Biarez (2000), de plusieurs comptes-rendus annuels
d’activité du laboratoire de mécanique des sols (1963-1987). Nous nous sommes
référés à l’article de Jean-Louis Bordes et des recherches faites à cette occasion,
e« Les centraliens et la mécanique des sols dans la deuxième moitié du XX siècle »,
Centraliens, avril et mai 2001, p. 29-32 et 27-30. Les dates indiquées ci-dessus et le
caractère fragmentaire des informations réunies, montrent l’intérêt de poursuivre la
collecte de celles-ci, ne serait-ce que pour avoir au moins une bonne bibliographie
des publications de Jean Biarez.
Enfin, nous sommes redevables à beaucoup que nous ne pouvons pas citer,
de très nombreuses informations utilisées dans ce texte. Nous les remercions
chaleureusement et les prions de nous excuser ainsi que tous les anciens élèves et
compagnons de route, des approximations et inexactitudes qu’ils pourront relever
dans le présent chapitre.


Chapitre 2
De la particule au comportement
des matériaux granulaires :
quelques pistes tracées par Jean Biarez
2.1. Introduction

Figure 2.1. Couverture de la thèse de Jean Biarez [BIA 62]

Chapitre rédigé par Bernard CAMBOU et Cécile NOUGUIER-LEHON. 36 Du sol à l’ouvrage
Jean Biarez a, tout au long de sa vie professionnelle, poursuivi deux objectifs
qui apparaissent aujourd’hui souvent contradictoires dans la vie d’un chercheur,
mais qui chez Jean Biarez ont toujours était complémentaires : la recherche de
la connaissance et la recherche de solutions opérationnelles dans le domaine de
l’ingénierie. Ainsi Jean Biarez a toujours mené de front une carrière de chercheur et
une carrière d’ingénieur expert.
Pour la thématique explorée dans ce chapitre, Jean Biarez a très tôt compris
que la clé d’une modélisation réaliste du comportement des sols résidait dans une
meilleure connaissance des phénomènes se produisant à l’échelle locale, l’échelle
du grain. Il a donc, l’un des premiers au niveau international, essayé d’identifier,
d’analyser et de comprendre les phénomènes pertinents à l’échelle du grain permettant
de comprendre le comportement à l’échelle d’un volume élémentaire représentatif.
C’est ce qu’il a entrepris dans sa thèse [BIA 62] et également dans un certain
nombre de thèses qu’il a ensuite encadrées [CAM 72, WIE 64].
En parallèle à ces travaux, qui relèvent essentiellement d’une approche
fondamentale d’accroissement des connaissances, Jean Biarez essayait également
d’apporter des réponses opérationnelles pour le dimensionnement des barrages en
enrochements. Il faut effectivement avoir en mémoire que, dans les années
19501960, de nombreux barrages en terre et en enrochements ont été construits en France
et dans le monde. L’application privilégiée dans ces années-là concernait donc le
dimensionnement de ces ouvrages pour lequel le passage entre le comportement
du bloc et le comportement de l’ouvrage prenait une importance toute particulière.
En effet, il était alors impossible de caractériser le comportement de ces milieux
à l’échelle d’un échantillon représentatif, dont la taille n’était en général pas
compatible avec les moyens d’essais existants. L’analyse à l’échelle locale pouvait
ainsi permettre d’éclairer un certain nombre de pratiques qui relevaient alors
clairement de l’art de l’ingénieur.
On retrouve là la chaîne d’analyse suivie dans un bon nombre de travaux
que Jean Biarez a initiés : analyser pour comprendre, pour modéliser, pour
dimensionner. Cette chaîne part ainsi de travaux de recherche relativement
fondamentaux et débouche sur le dimensionnement qui relève du travail de
l’ingénieur. Cet échange constant, source de créativité entre recherche et ingénierie,
constitue l’une des constantes de l’activité de Jean Biarez. C’est donc cette approche
de changement d’échelle explorée très tôt par Jean Biarez avec des finalités à la fois
fondamentale et opérationnelle que nous allons évoquer dans ce chapitre. De la particule au comportement des matériaux 37

2.2. Les outils disponibles, les variables analysées et les limites de l’analyse
A l’époque où Jean Biarez réalisait ses travaux de thèse, les outils disponibles
pour les chercheurs étaient limités. Tout d’abord, des analyses expérimentales ont pu
être menées sur des matériaux réels, comme par exemple pour l’étude de l’influence
de la rupture des grains. Pour certaines autres analyses, comme celle de l’anisotropie
locale, l’approche expérimentale s’avérait extrêmement difficile à mener à bien
sur des matériaux réels tridimensionnels. C’est pourquoi Biarez et ses doctorants
[BIA 63, CAM 72, WIE 64] ont essentiellement mis en œuvre et analysé des
expériences sur des matériaux modèles bidimensionnels (rouleaux de Schnebeeli ou
matériaux similaires). Une autre approche possible est basée sur des calculs analytiques
qui peuvent être conduits sur des arrangements simples et bidimensionnels de
cylindres à section circulaire. Ces approches ont permis de développer des analyses,
souvent qualitatives, qui ont permis de mieux comprendre les bases physiques d’une
réalité complexe.

Figure 2.2. Exemple d’un assemblage lâche réalisé à partir de formes non convexes
découpées dans une plaque de PVC de 2 mm d’épaisseur (source : [WIE 64])
Parmi les travaux développés par Jean Biarez, nous aborderons ceux qu’il a
menés sur :
– l’analyse de l’anisotropie de contact ;
– l’évolution de l’orientation des forces de contact dans le repère du contact ; 38 Du sol à l’ouvrage
– l’équilibre dans les arrangements locaux de particules ;
– l’influence de la rupture des grains sur le comportement d’un matériau
granulaire à l’échelle du volume élémentaire représentatif (VER).
Pour chacun de ces items nous présenterons quelques éléments correspondants à
l’état actuel de la recherche. Aujourd’hui, un outil d’une grande pertinence pour
les thématiques présentées dans ce chapitre est la modélisation numérique discrète
développée à partir des travaux fondateurs de Cundal [CUN 79]. Cet outil permet en
partie de dépasser les limites des travaux de Jean Biarez en permettant souvent de
travailler sur des matériaux plus proches des matériaux réels, mais surtout d’avoir
accès très facilement à un nombre important de variables locales. L’essentiel des
travaux nouveaux présentés dans ce chapitre s’appuie sur des résultats issus de ce
type de modélisation.
2.3. L’analyse de l’anisotropie géométrique
Biarez et Wiendieck sont les premiers à avoir utilisé une représentation de
l’anisotropie grâce à la distribution de l’orientation des plans tangents entre particules
en contact (figure 2.3). Ces orientations peuvent être mesurées dans le cas 2D d’un
matériau modèle, composé par exemple de cylindres parallèles à sections circulaires
(rouleaux de Schneebeli) ou bien de formes quelconques (comme représentés sur la
photographie de la figure 2.3). Biarez et Wiendieck [BIA 63, WIE 64] ont proposé
une approximation de la forme de la distribution obtenue par une ellipse de grand
ab−
axe a et de petit axe b. Le rapport A = donne ainsi une indication globale de la
ab+
valeur de l’anisotropie géométrique de l’échantillon (ou anisotropie de structure)
qui, associée à la valeur de l’indice des vides e, permet d’avoir une meilleure
description du matériau.

Figure 2.3. Définition de l’anisotropie géométrique à partir de l’orientation
des plans tangents (source : [BIA 63]) De la particule au comportement des matériaux 39

Cette idée a ensuite été reprise par Oda [ODA 72] et adaptée à la distribution des
orientations des normales aux points de contacts. Ceci a conduit, dans les années
1980, à la définition de plusieurs tenseurs de fabric (ou tenseurs de texture), entre
autres par Satake [SAT 82], Oda, Konishi et Nemat-Nasser [ODA 80], à partir du
produit tensoriel de la normale n par elle-même. L’approximation elliptique de la
distribution a également été remplacée par une approximation en série de Fourier
et la description de l’anisotropie géométrique peut être faite à l’aide d’un tenseur
d’ordre 2, par exemple défini par la relation :
H=⊗nn [2.1]
C
où C désigne l’ensemble des contacts sur lequel le produit tensoriel est calculé.
Biarez avait compris que cette description de l’anisotropie géométrique de
l’assemblage granulaire des sols permettait de caractériser son anisotropie initiale
(due à la mise en place de l’échantillon ou à la consolidation naturelle d’une
couche de sol dans le champ de la pesanteur), mais qu’elle pouvait aussi expliquer
l’anisotropie induite (liée à un chemin de sollicitation anisotrope). La mise en
évidence de l’anisotropie d’un milieu granulaire peut se faire à partir d’une analyse
du comportement mécanique ou bien à partir de la mesure géométrique définie
ci-dessus. Ainsi, la figure 2.4 illustre, d’une part la mise en évidence mécanique du
comportement anisotrope d’un échantillon de sable (figure 2.4a) quand il a été
au préalable soumis à un essai d’écrasement triaxial et d’autre part, l’évolution de
l’anisotropie géométrique dans un assemblage analogique formé de rouleaux de
Schneebeli selon les déformations subies par l’échantillon (figure 2.4b).
L’utilisation de logiciels basés sur la méthode des éléments discrets a permis
d’analyser plus précisément la relation entre l’évolution de l’anisotropie géométrique
et le comportement mécanique d’échantillons granulaires numériques. Par exemple,
des résultats de simulations numériques d’essais biaxiaux, réalisées avec un programme
basé sur la méthode Contact Dynamics [JEA 95, MOR 94], sur des échantillons dont
les particules sont polygonales [NOU 03, NOU 05], ont montré :
– l’existence d’une anisotropie critique atteinte quelle que soit la densité
initiale de l’échantillon et la forme des particules qui le composent et quelle que
soit l’orientation de la sollicitation par rapport à la direction principale majeure de
l’anisotropie initiale, avec coïncidence des directions principales majeures d’anisotropie
et de sollicitation (figure 2.5a) ;
– l’importance de l’anisotropie initiale dans le cas d’un dépôt dans le champ de
la pesanteur, si les particules sont elles-mêmes anisotropes (par exemple allongées).
Pour ce type de matériaux, dans le cas où les directions principales majeures de
sollicitation et d’anisotropie initiale sont orthogonales, le processus de réorientation 40 Du sol à l’ouvrage
de l’anisotropie géométrique se fait par une rotation lente et progressive de la
direction principale majeure du tenseur H (défini par [2.1]), ce qui correspond à une
rotation physique des particules allongées (figure 2.5b). Ce mécanisme provoque
une évolution beaucoup plus lente, en termes de déformations plastiques, que dans le
cas de matériaux constitués de particules ayant une forme isométrique.

(a) (b)
Figure 2.4. Mise en évidence de l’anisotropie dans les matériaux granulaires dans la thèse
de Jean Biarez [BIA 62] : (a) au niveau de la réponse mécanique macroscopique
et (b) par une mesure géométrique à l’échelle locale
Des simulations tridimensionnelles de l’essai triaxial réalisées par Yunus [YUN 08,
YUN 10] avec le logiciel PFC [ITA 02] sur les échantillons de sphères ont confirmé
l’existence d’une anisotropie critique (figure 2.6) ainsi qu’une similitude très poussée
entre la réponse macroscopique du matériau (courbe q(e ) à gauche) et l’évolution 1
d’une mesure de l’anisotropie géométrique induite par le chargement (courbe A (e ) 1111 1
à droite).
Ces courbes mettent bien en évidence le fait que le comportement des matériaux
granulaires est fortement piloté par l’évolution de l’anisotropie géométrique, comme
l’avait pressenti Jean Biarez. De la particule au comportement des matériaux 41

(b) (a)
Figure 2.5. (a) Evolution de l’anisotropie géométrique représentée par le paramètre b , H
au cours de simulations d’un essai biaxial sur un échantillon de polygones allongés (rapport
d’allongement égal à 3) avec différentes orientationsα de l’anisotropie initiale par rapport à
la direction de sollicitation. (b) Evolution de la distribution de l’orientation de ces polygones
dans le cas où απ= 2 (source : [NOU 05]).
100 a 0,1 a lâchelâche
intermédiairebb intermédiaire
c c dense80 cc dense 0,08
b b
60 0,06
a40 0,04a
compression
compression 0,0220
0 0
0 10 20304050 60700 10 20304050 6070
ε1(%) ε1(%)

Figure 2.6. Etat critique obtenu pour trois densités initiales – simulations numériques
de l’essai triaxial avec des échantillons de sphères, d’après [YUN 08]
2.4. Analyse de la distribution des forces de contact dans un milieu granulaire
La distribution des forces de contact dans un milieu granulaire a fait l’objet de
nombreuses études dans la littérature. Les travaux précurseurs de J. Biarez, qui
ont porté sur la distribution de l’orientation des normales au contact, fournissent
un premier élément d’information sur ces forces puisqu’elles sont évidemment
appliquées sur les points de contact dont la distribution des orientations peut être
q (kPa)
A1111