Une description morphologique précise des grains pour l'étude numérique des propriétés mécaniques du ballast ferroviaire

An accurate description of grain morphology applied to the numerical modelling of mechanical properties of railway ballast

• Auteur / Autrice : Noura Ouhbi
• Direction : Jean-Noël Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 26/10/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Richard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Roux, Karam Sab, Charles Voivret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilien Azéma, Gaël Combe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Technique ferroviaire

Méthode des éléments discrets

Propriétés mécaniques

Ballast (chemins de fer)

Mots clés libres

Ballast

Forme des grains

Performances mécaniques

Simulation numérique discrète

Dynamique des Contacts

Optimisation; statistiques

Ballast

Particles shape

Mechanical performances

Discrete numerical simulation

Method of Dynamics of Contacts

Optimization; Statistics

Résumé

Le ballast est la couche granulaire, formée de grains rocheux irréguliers de taille centimétrique, qui supporte la voie ferrée par l'intermédiaire des traverses. Son rôle est crucial dans la transmission des efforts statiques et dynamiques imposés par la circulation des trains vers le sol supportant la voie. Pour comprendre le phénomène de tassement du ballast, qui croît fortement avec la vitesse des trains, et qui entraîne de coûteuses opérations de maintenance, il est important de bien connaître l’influence de la morphologie des grains sur le comportement mécanique du ballast. C’est l’objectif de cette thèse, dans laquelle est développée une technique innovante de caractérisation morphologique fondée sur la décomposition orthogonale aux valeurs propres (« POD »). Cette technique, appliquée à des données expérimentales détaillées (scans 3D) permet d’identifier un choix optimal de fonctions de forme. Il est alors possible de générer numériquement des assemblages granulaires représentatifs du ballast avec différents degrés de raffinement selon le nombre de fonctions de base retenu. Pour passer aux applications mécaniques, les grains, ainsi modélisés par un nombre limité de coefficients, doivent ensuite par une opération de maillage être assimilés à des polyèdres convexes dont le comportement mécanique est simulé par la méthode des éléments discrets (dynamique des contacts, avec le logiciel LMGC90). On détermine alors des caractéristiques de base comme l'angle de frottement interne et la compacité dans l'état critique de cisaillement quasi-statique maintenu. Ces propriétés sont stabilisées à partir d’un nombre assez faible de fonctions de forme (de l’ordre de 10). Dans le domaine de la description morphologique, l’approche fondée sur la POD ouvre d’intéressantes perspectives pour améliorer les caractérisations usuelles. Elle permet de différencier les ballasts selon leur degré d’usure ou la carrière dont ils proviennent. Elle conduit également à une méthode d’identification des faces et des courbures des grains

The ballast is the granular layer formed of irregular centimeter-sized rock grains, which supports the railway through the sleepers. Its role is crucial in the transmission of static and dynamic forces imposed by the movement of trains towards the ground supporting the track. To understand the phenomenon of ballast settlement, which increases significantly with the speed of the trains, and which requires costly maintenance operations, it is important to understand the influence of the grain morphology on the mechanical behavior of the ballast. Such is the objective of this thesis. First, an innovative method for particle shape characterization is developed, based on the Proper Orthogonal Decomposition (POD). When applied to highly accurate experimental data (3D scans of ballast grains), this technique enables the identification of an optimal set of shape functions, such that the shape information is condensed in a minimum number of coefficients. It becomes then possible to numerically generate granular assemblies that are representative of the morphology of ballast grains with different degrees of refinement according to the number of retained shape functions. In order to investigate their mechanical properties, the grains modeled by a limited number of coefficients have to be subjected to a meshing procedure and turned into convex polyhedra, suitable for numerical simulations of mechanical behaviours via the discrete element method (contact dynamics, using the LMGC90 software). We determine some fundamental characteristics such as the internal friction angle and the solid fraction in the critical state of quasistatic steady shear flow. These properties are stabilized after including a rather small number of shape functions in to the model (on the order of 10).The method also opens promising avenues for morphological characterization applications. It proves able to distinguish ballast grains with varying degrees of wear, or produced in different quarries. It also leads to a procedure for identifying faces and curvatures