Numerical analysis of nonlinear soil behavior and heterogeneity effects on railway track response

par Vinicius Alves Fernandes

Thèse de doctorat en Modélisation numérique, mécanique des sols

Sous la direction de Arézou Modaressi.

  • Titre traduit

    Etude numérique de l’influence du comportement non linéaire et de l’hétérogénéité des matériaux dans la réponse de la voie ferrée


  • Résumé

    Une forte progression du transport ferroviaire est observée les dernières années dans plusieurs pays. L’augmentation de la capacité du réseau ferroviaire demande à la fois l’évaluation de l’infrastructure existante selon le trafic attendu, la vitesse des trains, la charge à l’essieu, ainsi que la réduction des interventions de maintenance. Une performance accrue de la voie ferrée par rapport à ces critères nécessite l’amélioration des normes de conception et des outils de prédiction qui puissent prendre en compte toute la durée de vie de la structure. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est d’apporter un point de vue géotechnique à la modélisation numérique du comportement des voies ferrées sous charge mobile. Un modèle numérique rationnel est développé dans la thèse, composé de trois aspects principaux:(i) comportement dynamique de la voie ferrée, (ii) analyse probabiliste et (iii) comportement non linéaire des géomatériaux. Cette approche permet d’appréhender le comportement mécanique de la voie ferrée à différents instants de son cycle de vie. La première partie de cette thèse est consacrée au développement d’un modèle numérique en dynamique de la voie ferrée, adapté à l’analyse probabiliste et au comportement non linéaire. Une modélisation par Eléments Finis dans le domaine temporel est choisie pour cadre général. Ainsi, un modèle 2D en déformation plane avec épaisseur est proposé dans cette thèse, l’épaisseur hors plan étant calibrée à partir des calculs 3D en statique. Les avantages et inconvénients de cette méthodologie sont discutés selon la représentativité du champ de contraintes dans le plan et du temps de calcul associé, paramètre important pour l’analyse probabiliste. Une méthodologie pour la mise en charge est discutée et implémentée afin de réduire la génération d’ondes parasites. La réponse dynamique de la voie ferrée et l’influence croisée de la vitesse de la charge et de la rigidité de la plateforme sont évaluées sous hypothèse de comportement élastique linéaire. L’influence de la variabilité des propriétés mécaniques de la voie ferrée dans la mesure de la raideur de voie est discutée dans la deuxième partie de cette thèse. Des variations spatiales du module d’Young des couches ferroviaires sont modélisées par des champs aléatoires invariants scalaires. La densité de probabilité de la loi marginale d’ordre 1 associée au champ est obtenue grâce à une analyse statistique des mesures in situ. L’influence croisée du support discret et de la distance de corrélation des champs d’entrée dans les variations de la raideur de voie est mise en évidence à partir de différentes structures de corrélation. Afin de vérifier l’importance de chaque paramètre d’entrée sur les variations de raideur de voie, une analyse de sensibilité globale est effectuée pour différentes configurations de voie. La raideur de voie est principalement affectée par des variations de rigidité de la plateforme et des semelles. L’importance du comportement non linéaire des géomatériaux est soulignée dans la dernière partie de la thèse. Le modèle de comportement élastoplastique développé à l’Ecole Centrale Paris fournit un cadre approprié pour l’étude du comportement des géomatériaux sous chargement cyclique. Cette approche est bien adaptée au comportement des matériaux pendant leur “conditionnement initial”, ou les premiers cycles de charge, quand les tassements permanents sont plus importants et les matériaux cumulent des déformations plastiques élevées. Les paramètres du modèle sont calibrés pour les différents géomatériaux ferroviaires (ballast, couche intermédiaire, sol de la plateforme) à partir d’essais triaxiaux disponibles dans la littérature. Les résultats obtenus illustrent les mécanismes prépondérants dans cette phase : densification et augmentation de la rigidité des différents matériaux par accumulation des déformations plastiques. [...]


  • Résumé

    An increasing demand for railway transportation is observed in many countries around the world. Achieving higher network capacity requires the evaluation of the existing structure regarding the required traffic, speed and axle load, as well as the reduction of maintenance interventions. A higher track performance in terms of these metrics can be achieved by enhanced design standards and predictive tools accounting for the whole structure’s life span.Within this context, this thesis aims to provide a global framework for combining geotechnical perspective and numerical modeling for the railway infrastructure. A rational approach for railway track modeling is proposed. It is composed by three main aspects: (i) railway track dynamics, (ii) probabilistic analysis and (iii) geomaterials’ non linear behavior. This approach allows assessing the track behavior during different instants of its life span. The first step of this thesis is the development of a dynamic numerical model of the railway track for both probabilistic and non linear analysis. For this purpose, the Finite Element method in time domain is chosen as general modeling framework. A 2D planestrain model with a modified width is used in this thesis, the out-of-plane width being calibrated from 3D static analysis. The advantages and drawbacks of such methodology are discussed in the light of the representativeness of the in-plane stress field and associated computational cost for probabilistic analysis. A loading methodology for reducing spurious wave generation is also discussed and implemented. With the developed model, the track structural response and the crossed influence of speed and subgrade stiffness are first analyzed under linear elasticity hypothesis.The influence of track properties variability in the track stiffness measurement is discussed in the second part of this thesis. Spatial variations are introduced by considering the rigidity of each track layer as an invariant scalar random field. The first-order marginal probability distributions are calibrated from statistical analysis of in situ measurements. By considering different theoretical correlation structures, the crossed influence of the discrete sleeper support and the input correlation length on the track stiffness field is highlighted. In order to verify the importance of each input parameter in the track stiffness’ variability, a global sensitivity analysis is conducted for different track configurations. It is shown that track stiffness variations are primarily caused by variations of subgrade stiffness and possible variations of rail pad stiffness. Furthermore, the importance of geomaterials’ non linear behavior is discussed in the last part of the thesis. A suitable framework for the description of geomaterials’ behavior under cyclic loading, for a large range of stress paths, is provided by a fully elastoplastic multimechanism model. This approach is well adapted for assessing the track behavior during the so-called “conditioning phase”, or the the first cycles when high track settlements are observed and materials cumulate high plastic strains. The model parameters are calibrated from triaxial test results available in the literature for different track materials (ballast, interlayer, subgrade soil). The model is able to capture the main mechanisms acting during the conditioning phase: densification and increase in stiffness of the different materials by accumulation of plastic strains. The load transfer mechanisms and the stress-strain response of the materials are then analyzed. Different stress-strain paths and plastic strains are observed in the ballast layer according to the position of the control point relative to the sleepers. The load speed influence on track permanent settlement and ballast stress-strain response is also studied. Finally, the influence of both interlayer and subgrade behavior on the track response is assessed via a parametric analysis.


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