Ecole Doctorale

SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique

Spécialité

Sciences pour l'ingénieur : spécialité Génie civil et Architecture

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Élastoplastique,DEM,Multi-échelles,Sable de Toyoura,Sols tropicaux,chargement cyclique

Keywords

Elastoplastic,DEM,Multi-scale,Toyoura sand,Tropical soils,Cyclic loading

Titre de thèse

Modélisations des sols granulaires et tropicaux sous chargement cyclique par approches elastoplastique, DEM et multiechelle
Numerical modeling of granular and tropical soils submitted to cyclic loading by elastoplastic, DEM and multi-scale approaches

Date

Mercredi 19 Octobre 2022 à 9:00

Adresse

3275 route de Cézanne - CS 40061 13182 Aix-en-Provence Cedex 5 inrae Salle Cézanne

Jury

Directeur de these M. Laurent PEYRAS Aix Marseille Université / INRAe
Rapporteur M. Gaël COMBE Université Grenoble Alpes
Rapporteur M. florent PRUNIER INSA Lyon
Président M. Éric VINCENS École Centrale de Lyon
Examinateur Mme Orianne JENCK Université Grenoble Alpes
CoDirecteur de these M. Jérôme DURIEZ INRAE

Résumé de la thèse

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. 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. Deuxièmement, nous considérons également les sols tropicaux. Ce dernier est formé 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 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 DEM 3D sont initialement développés pour simuler quantitativement la réponse macroscopique du sable de Toyoura et des sols résiduels tropicaux. Concernant le sable de Toyoura, un premier modèle adopte des particules sphériques et compense les formes irrégulières des grains de sable Toyoura en ajoutant 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, un modèle DEM 3D est inspiré de la composition physique des sols tropicaux dans lesquel 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».

Thesis resume

Hydraulic structures, such as dams and dykes, are subjected to several loading conditions during their lifetime, including seismic loading. Therefore, representative numerical tools capable of capturing the behavior of different soils under various loading paths are required to appropriately analyze the different mechanisms that can cause structure failures. These structures could be constructed by using different types of soils for various functions. For this purpose, different types of soil are herein studied. First, we investigate the case of purely granular materials. In particular, Toyoura sand which is a standard material in geomechanics and is characterized by its very irregular particles. Second, we consider tropical soils. The latter is formed of a mixture of clayey soil, silt and granular materials, which exhibits more complex stress-strain responses and volumetric strain behavior under monotonic and cyclic loadings. As discrete materials, soils exhibit in general a complex behavior when subjected to external loading, showing non-linear stress-strain response, contraction or dilation depending on the void ratio, additional plastic strain on a loading-unloading path and material anisotropy. When using the constitutive models, complex equations are required to indirectly describe these phenomena, whereas the Discrete Element Method (DEM) reproduces these discrete-related phenomena directly. As such, 3D-DEM models are initially developed for quantitatively simulating the macroscopic response of Toyoura sand and tropical residual soils. Regarding Toyoura sand, a first model adopts spherical particles and compensates for the irregular shapes of Toyoura sand grains by adding an additional rolling resistance stiffness to the classical linear contact model. The second model follows a different strategy whereby rolling stiffness is abandoned in favor of more complex shapes in the form of a few different 3D polyhedrons defined from a 2D micrograph of Toyoura particles. As for tropical soils, a 3D-DEM model is inspired by the tropical soil mixtures in which two different contact models are assigned to represent the coarse and fine parts of the tropical soil with two distinct sets of numerical parameters. In parallel, we propose a new elastoplastic model, "MP2PSand". The model follows the fundamental framework of the critical state, state parameters-related plasticity and bounding surface plasticity for sand. Furthermore, the model incorporates the effect of fabric evolution within a state parameter that is described based on the evolution of the polyhedron DEM model fabric. A fabric joint invariant is also used to account for the influence of stress principal axes rotation. Finally, the implementation of a multi-scale coupling between the two numerical continuum and discrete schemes, Flac3D and PFC is held for solving boundary value problems. The multi-scale approach allows for adequately simulating the evolution of a structure response under seismic loading by using three or four contact parameters at the material level instead of several parameters that are difficult to calibrate in the case of classical constitutive models. Here, the above DEM model of Toyoura sand is used in the multi-scale modeling approach to assess the liquefaction ability of a 3-D soil column under seismic loading. The results are compared with the predictions of an advanced soil model "P2PSand".