Mines buried in dry and saturated soils : blast experiments, soil modeling and simulations

par Eve Roger

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Benjamin Loret.

Le président du jury était Jean-Marie Fleureau.

Le jury était composé de Benjamin Loret, Jean-Paul Calvel, Ian Elgy.

Les rapporteurs étaient Luc Thorel, Christian Mariotti.

  • Titre traduit

    Mines enfouies dans des sols secs et saturés : essais, modélisation des sols et simulations numériques


  • Résumé

    Au cours des conflits récents, les véhicules ont été sujet à des attaques impliquant une grande quantité d'explosif enterré. En général, les planchers sont visés, et leurs déformations absorbent une partie de l'énergie. Le véhicule subit également une impulsion, transmise par la détonation, qui peut blesser gravement les occupants. L'intensité de l'impulsion dépend principalement de trois paramètres: le degré de saturation du sol, la nature du sol dans lequel l'explosif est enterré, et la profondeur d'enfouissement de la charge. Les simulations numériques doivent reproduire le processus intégral de l'explosion, incluant l'initiale interaction entre la charge et le sol, l'expansion des produits de détonation, la propagation de l'onde de choc jusqu'au plancher du véhicule, et la grande déformation des projections de sol. L'information mécanique transmise jusqu'au niveau du plancher doit être suffisamment précise car les effets sur le véhicule constituent l'objectif des simulations. Développer un modèle constitutif de sol est par conséquent délicat.%délicat. un défi. tâche difficile. Le modèle de sol est visco-plastique avec un cap écrouissable, une surface de rupture pour limiter les contraintes de cisaillement et un cut off contre les contraintes excessives de tension. La surface de charge est entièrement lisse afin que les incréments de déformation plastique soient continus. Un mécanisme de rigidification est présenté pour tenir compte de la compression de l'air et des très grandes contraintes dans l'environnement immédiat de la charge. Le taux d'humidité du sol est également pris en compte. Deux séries d'essais ont été réalisés à DGA TT pour servir de référence pour les simulations numériques. Une première campagne a mis en jeu de petites quantités d'explosif à plusieurs profondeurs d'enfouissement. Les pressions aériennes ont été mesurées à plusieurs hauteurs et comparées aux simulations. Un moyen d'essai a été utilisé lors de la seconde campagne d'essais pour mesurer à la fois la déformation d'une plaque représentant un plancher de véhicule, mais aussi l'impulsion transmise par l'explosion enfouie. Un certain nombre de taux d'humidité, profondeurs d'enfouissement, épaisseurs de plaques et gardes au sol a été étudié. Au cours des essais, le sol STANAG, composé de sable et de graviers, défini dans l'AEP 55 relatif au STANAG 4569, a été utilisé. Des simulations Eulériennes ont été réalisées et sont en accord avec les résultats d'essais. Le rôle des trois parties de la surface de charge, des mécanismes de rigidification élastique et d'écrouissage plastique a été évalué. La masse volumique initiale du sol et la position initiale du cap sont les paramètres ayant la plus grande influence sur les pressions aériennes. Quant à l'impulsion, elle est principalement contrôlée par le degré de saturation du sol.


  • Résumé

    In recent conflicts, vehicles have been facing underbelly attacks involving a large quantity of buried explosive. A part of the energy is absorbed by the deformation of the belly. Still the vehicle is subjected to the impulse transmitted by the detonation which may severely injure occupants. The intensity of the impulse is highly dependent on three main parameters which are the degree of saturation of the soil, the nature of the soil in which the explosive is buried and the depth of burial of the charge. Computer simulations should follow the complete process of the explosion, including the early interaction of the charge with the soil, the expansion of the detonation products, the propagation of the shock wave up to the vehicle floor, and the large deformation of the soil projections. The mechanical information transmitted up to the floor level should be sufficiently accurate because the impact on the vehicle is the key target of the simulations. Developing a constitutive soil model is therefore a challenging task. The soil model is visco-plastic with a hardening cap surface, a failure surface to limit shear stresses and a cut off surface against excessive tension. The entire yield surface is smooth so that the plastic strain increments are continuous. A stiffening mechanism is introduced to account for air compression and accommodate the huge stresses in the immediate neighborhood of the charge. The water content of the soil is also taken into account. Two sets of experiments were carried out at DGA TT to serve as a reference for computer simulations. A first campaign involved small quantity of explosive at several depths of burial. The aerial pressures were measured at various heights and compared to simulations. The second set of experiments used a test rig to measure both the deformation of a floor simulating plate and the impulse transmitted by the buried explosion. A range of soil water contents, depths of burial of the explosive, plate thicknesses and stand off distances has been explored. For all the experiments, the sandy gravel STANAG soil defined in AEP 55 of STANAG 4569 has been used. Eulerian simulations were run and fit with these experiments. The roles of the three parts of the yield surface, of the elastic stiffening and plastic hardening mechanisms could be assessed. The initial soil density and the initial cap position were found to have the largest influence on aerial pressures. As for the impulse transmitted to the metallic plate, it was observed to be mostly controlled by the degree of saturation of the soil.


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