Numerical modeling of soil-pile interaction considering grain breakage in finite deformations

par Luis André Berenguer Todo-Bom

Thèse de doctorat en Modélisation géo-mécanique

Sous la direction de Arézou Modaressi.

Le président du jury était Roger Frank.

Le jury était composé de Arézou Modaressi, Claudio Tamagnini, Erich Bauer, Sofia Costa d'Aguiar, Jaime Alberto dos Santos.

Les rapporteurs étaient Claudio Tamagnini, Erich Bauer.

  • Titre traduit

    Modélisation numérique de l'interaction sol-pieu en prenant en compte l'écrasement des grains en déformations finies


  • Résumé

    L’analyse du comportement des pieux est un problème complexe du fait de la diversité des phénomènes qui gouvernent le comportement du sol et en particulier celui se trouvant au voisinage du pieu. Ce dernier dépend particulièrement du procédé d’installation du pieu qui peut parfois engendrer des déformations de très grande amplitude dans le sol entre autre phénomènes. L’objectif de ce travail est de mettre en place un outil de modélisation pour évaluer le comportement des pieux sous chargements axiaux en développant des modèles représentant les phénomènes physiques pertinents et de les intégrer numériquement dans un logiciel aux éléments finis utilisant des algorithmes robustes et efficaces. Pour pouvoir modéliser la phase d’installation statique ou dynamique d’un pieu quelques problématiques doivent être considérées. Premièrement, étant donné que pendant l’installation d’un pieu des déformations finies (non-infinitésimal) ont lieu au niveau de l’interface, une formulation eulérienne avec un taux logarithmique des déformations a été adoptée pour prendre en compte le fait que l’hypothèse des déformations infinitésimales n’est plus valable. En plus, le modèle constitutive doit prendre en compte le comportement physique du sol lorsqu’il est soumis à des déplacements d’une magnitude élevée. Le dernier est constitué, entre autres, par le phénomène de l’écrasement des grains ce qui influence beaucoup le comportement volumique du sol et finalement sa résistance au cisaillement ou en d’autres termes le frottement mobilisé. Ce phénomène a été modélisé en introduisant une variable d’écrouissage supplémentaire au modèle de comportement élastoplastique de l’ECP. Les critères d’admissibilité thermodynamique ont été vérifiés pour le modèle constitutive original ainsi que pour le modèle révisé. Des simulations numériques ont été faites pour les deux types d’installation, monotone et pseudo-dynamique (cyclique) et les résultats ont été analysés en détail. Finalement, la dégradation de la résistance au cisaillement au niveau du fût des pieux est un phénomène typique qui se produit pendant le chargement cyclique des fondations composées par des pieux. Le modèle constitutive pour pouvoir bien reproduire ce phénomène n’est pas simple à définir car le chemin de chargement suivi par l’interface sol-pieu est très dépendant du comportement volumique du sol qui à son tours dépend de l’histoire de chargement et des conditions aux limites du problème. Une étude détaillée de toutes les composantes du comportement du pieu pendant ce type de chargement a été effectuée afin de mettre en évidence l’influence de l’histoire de chargement sur la résistance au cisaillement et l’apparition des phénomènes tels que la fatigue du frottement.


  • Résumé

    The analysis of pile behavior is a complex problem due to the diversity of the phenomena governing the soil behavior and particularly that of the neighboring soil. The objective of this work was to develop a valid modeling tool to evaluate piles’ behavior under axial loads by developing a pertinent mechanical model supported in a robust finite element program which would successfully reproduce the soil behaviour under extreme monotonic and cyclic shear strain. This is done to allow for the numerical modelling of the installation procedure of pile foundations and continued loading of high amplitude cyclic paths. In order to model the installation phase of a monotonic, jacked or dynamic pile foundation some issues must be addressed. Finite deformations take place whilst the pile is put in place requiring an adjustment in the mechanical formulation of the model at the interface level to take into account that the small deformations (rotations and strain) hypothesis is no longer valid. Moreover, the constitutive model must take into account the physical behaviour of the soil when subjected to high order of magnitude displacements. This includes the phenomenon of grain breakage, also referred to as particle crushing, which greatly influences the volumetric behaviour of soil as thus reflecting of shear stress mobilization. The elastoplastic ECP model has therefore been enhanced by introducing an internal variable taking into account the breakage mechanism. The thermodynamic admissibility criteria are verified for the original and revised constitutive models. Both monotonic and pseudo-dynamic installation procedures were numerically simulated and the results thoroughly analysed. Finally, the cyclic shear resistance degradation at the pile shaft is a commonly occurring phenomenon during continued cyclic loading of pile foundation (friction fatigue). The constitutive modelling of this phenomenon, however, is not a straightforward matter. The stress path followed by the thin layer at the soil-pile interface level is known to be directly related to the volumetric behaviour due to the boundary conditions of the problem. A comprehensive analysis of all the components of the behaviour of soil during this stage was object of study in this work.


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