Etude du comportement de l'interface milieu granulaire et inclusion par une approche multi-échelle

Interface behavior of granular materials discrete element modelling and homogenization approache

• Auteur / Autrice : Cécile Claquin
• Direction : Richard Kastner, Fabrice Emeriault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2003
• Etablissement(s) : Lyon, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Granulométrie

Sols -- Résistance au cisaillement

Sols -- Essais

Résumé

L'interaction sol-structure a fait l'objet de nombreuses études aussi bien expérimentales, numériques que théoriques, mais en considérant généralement le problème à son échelle globale. Cette zone d'interface, lieu de cisaillement entre le sol et la structure, ne fait intervenir qu'une faible épaisseur de sol, mais est d'une grande importance pour la stabilité des ouvrages. D'autre part, la nature discrète du milieu granulaire qu'est le sol, est un facteur essentiel pour la compréhension du comportement d'interface. L'étude du comportement d'interface à l'échelle des grains est désormais envisageable du fait de l'essor des moyens informatiques qui a favorisé le développement de codes de calculs discrets de plus en plus performants. Dans ce mémoire sont étudiées les effets sur le comportement en cisaillement et d'interface des paramètres spécifiques au milieu granulaire et à l'inclusion. L'effet de la granularité (plus ou moins étalée) du matériau sur sa structure et son comportement est ainsi analysé. L'influence de la géométrie des particules est étudiée en considérant des grains elliptiques plus ou moins allongés. Enfin, l'influence de la loi de contact (élastique linéaire ou non linaire frottant) est considérée, sachant qu'une loi élastique non-linéaire est plus réaliste physiquement, surtout pour des contacts entre particules de dimensions différentes. Pour ce qui concerne l'influence sur le comportement d'interface de l'inclusion, cette dernière est ici caractérisée par une double rugosité : de surface (caractérisée par le coefficient de frottement) et géométrique (modélisée par des motifs triangulaires). L'ensemble de ces points est analysé dans un premier temps par des simulations numériques d'essais biaxiaux ou de cisaillement annulaire à l'aide du code de calcul discret PFC2D basé sur la Méthode des Éléments Distincts. Les techniques de passage micro-macro, ou approches par homogénéisation, se proposent de décrire la loi de comportement global de milieu granulaire par des considérations à l'échelle des particules. Ainsi les observations concernant les structures granulaires étudiées par le code de calcul discret, servent-elles de bases aux développements d'approches d'homogénéisation qui tiennent compte de la forme des particules, de la non-linéarité de la loi de contact, de la granularité du milieux, et de l'influence de la géométrie de l'inclusion. Les résultats de ces approches théoriques, en terme de caractéristiques globales sont confrontés pour validation aux résultats issus de simulations numériques discrètes d'essais de cisaillement annulaire et biaxiaux.

The shear and interface behaviour of granular materials is analysed by means of biaxial and ring shear tests simulated with discrete code (PFC2D). The aim is to analyse the influence of the following parameters: a) shape of particles, distribution of the particle diameters, linear or non-linear elastical contact law, friction coefficient of particles; b) surface and geometrical roughness of the inclusion: modelled influence of the following parameters: a) shape of particles, distribution of the particle diameters, linear or non-linear elastical contact law, friction coefficient of particles; b) surface and geometrical roughness of the inclusion: modelled influence of the following parameters: a) shape of particles, distribution of the particle diameters, linear or non-linear elastical contact law, friction coefficient of particles; b) surface and geometrical roughness of the inclusion: modelled by triangular patterns. The observations of these numeric studies are introduced into homogenisation approaches developed to describe global behaviour by local considerations taking into account the shape, the distribution of particle’s diameter and geometry of the inclusion. The results of these theoretical approaches in terms of Young’s modulus, Poisson ration and shear modulus, are confronted with results of discrete simulations.