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

matériaux granulaires,capillarité,minimisation d'énergie,coalescence,modèle constitutif,approche multi-échelle,

Keywords

granular materials,capillary forces,energy minimization,coalescence,constitutive model,multi-scale model,

Titre de thèse

Modélisation multi-échelle du comportement mécanique des sols non-saturés
Multiscale modeling of the mechanical behavior of unsatured soils

Date

Lundi 22 Mars 2021 à 14:00

Adresse

3275 route de Cézanne salle Cézanne

Jury

Directeur de these M. Pierre PHILIPPE Aix Marseille Université - INRAE
Rapporteur M. Moulay Saïd EL YOUSSOUFI Université de Montpellier - LMGC
Rapporteur Mme Mahdia HATTAB Université de Lorraine - Laboratoire d'Etude des des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (LEM3)
Examinateur M. Maxime NICOLAS Aix Marseille Université - IUSTI UMR 7343
Examinateur M. Luc SCHOLTèS Université Clermont Auvergne - Laboratoire Magmas et volcans
Examinateur M. Richard WAN University of Calgary - Department of Civil Engineering
CoDirecteur de these M. Guillaume VEYLON Aix Marseille Université - INRAE - RECOVER
Examinateur M. Antoine WAUTIER Aix Marseille Université - INRAE - RECOVER

Résumé de la thèse

La modélisation d'ouvrages hydrauliques en remblai tels que les digues ou les barrages nécessite de disposer de modèles de comportement mécanique de matériaux granulaires capables de prendre en compte la microstructure du matériau afin de prédire les différents mécanismes pouvant entraîner une rupture. La présence d'eau dans ces ouvrages requiert la prise en compte des forces capillaires additionnelles qui peuvent apparaître dans les zones non saturées. Cependant, l'introduction de la microstructure rend souvent les modélisations à l'échelle de l'ouvrage extrêmement coûteuses. Le choix, dans le cadre de ce travail, du modèle H 3D permet de contourner cette difficulté en s'appuyant sur un modèle multi-échelle dans lequel une distribution spatiale de cellules de dix grains est considérée. L'objectif de cette thèse est d'étendre le domaine de validité de ce modèle des matériaux secs aux matériaux non saturés. Dans un premier temps, une revue de la littérature concernant l'étude des milieux granulaires et de la capillarité permet de justifier les choix effectués pour la modélisation des sols granulaires non saturés. Dans un second temps, la méthode de calcul des forces capillaires par minimisation d'énergie de surface est appliquée à l'étude d'un pont capillaire et à la coalescence de deux ponts capillaires dans un triplet de grains. Une comparaison avec des résultats expérimentaux, ainsi qu'une étude paramétrique sur l'angle de mouillage, la gravité et la tension de surface sont réalisées. Dans un troisième temps, des abaques de forces capillaires dans une cellule du modèle H sont construits en fonction du volume d'eau et de la géométrie de la cellule. Les différentes hypothèses de calcul et de choix de régimes sont détaillées. Finalement, le modèle H 3D étendu aux matériaux non saturés est implémenté en tant que loi constitutive à la fois dans un code de calcul fondé sur la méthode des différences finies et dans un code de calcul utilisant la méthode Smoothed Particles Hydrodynamics afin de mesurer l'impact sur le comportement mécanique de la teneur en eau à l'échelle successivement d'une cellule H, du point matériel et d'une structure.

Thesis resume

Modeling hydraulic structures, such as dykes or dams requires robust constitutive models for granular materials, which account for the microstructure effects, in order to predict failure occurrence. Water in hydraulic structures creates unsaturated zones in which capillary forces must be taken into account. However, the introduction of the microstructure often makes modeling at the scale of the structure computation time demanding. The choice, in the context of this work, of the 3D H model reduces computation time by relying on a multi-scale model in which a spatial distribution of cells of ten grains is considered. The objective of this thesis is to extend the range of validity of this model from dry materials to unsaturated materials. In the first chapter of this manuscript, a literature review on the modeling of granular materials together with the calculation of capillary forces is presented in order to introduce the choices made for the unsaturated granular materials modeling. Second, surface minimizations are performed in order to calculate capillary forces in a pendular bridge and in a triplet of grains. A comparison with experimental results and a set of parametric studies about contact angle, gravity and surface tension are carried out. In the third part, capillary forces abacus are calculated in a ten-grain cell of the H model, as a function of the water volume and the cell geometry. Details on the methodology and the hypothesis for the capillary regimes are provided. Finally, the unsaturated 3D H model is implemented as a constitutive relation in finite difference method and Smoothed Particles Hydrodynamics in order to assess the impact of water content on the behavior of the material at various scales such as the cell, the material point and a structure.