Capacité prévisionnelle de la modélisation discrète pour application aux ouvrages géotechniques complexes

Prediction ability of discrete modelling for the design of complex geotechnical structures

• Auteur / Autrice : Bilal Al Tfaily
• Direction : Luc Sibille, Abdelkrim Bennabi, Rodaina Aboul Hosn
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Emeriault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Silvani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilien Azéma, Mohamed Guessasma

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthode des éléments discrets

Mécanique des sols

Sols

Mots clés libres

Sols

Géotechnique

Constructibilité

Réponse constitutive

Modélisation numérique discrète (DEM)

Ouvrage

Discrete numerical modelling (DEM)

Constructability

Constitutive behaviour

Geotechnical engineering

Soils

Résumé

L'ingénierie géotechnique est un domaine crucial dans la conception et la construction de fondations, de tunnels, de remblais et autres ouvrages en interaction avec le sol ou la roche. Cependant, la description de la réponse élastoplastique du sol, avec des déformations fortement non linéaires et irréversibles ainsi qu’une règle d'écoulement non associée, reste complexe. La difficulté est encore plus élevée dans le cas de chemins de chargement non monotones où les relations constitutives phénoménologiques nécessitent des paramètres d’histoire ad hoc et des essais mécaniques avancés pour leur calibration.La méthode des éléments discrets s'est avérée être une méthode efficace pour décrire quantitativement la réponse constitutive des sols, même dans le cas de chargements complexes (avec rotation des axes principaux de contraintes ou des cycles de chargement/déchargement) où les relations constitutives élastoplastiques conventionnelles peuvent conduire à des réponses simulées non réalistes. Pour les sols granulaires à granulométrie étroite, une représentation directe des grains du sol par des particules polyédriques ou à partir de level set est possible, tandis que pour les sols plus fins ou à granulométrie plus étalée, des solutions alternatives doivent être envisagées. Des particules sphériques avec des lois de contact enrichies ou des agrégats de sphères peuvent être utilisées pour conserver un modèle numérique relativement léger afin de résoudre des problèmes aux limites avec un coût en calcul limité. Cependant, même si ces modèles donnent des résultats satisfaisants pour des essais de cisaillement direct ou des compressions triaxiales drainées par rapport aux mesures expérimentales, leur validation par rapport à des trajets de chargement plus complexes tels que la compression isochore ou le chemin à déviateur de contrainte constant présente encore des difficultés, en particulier pour les assemblages granulaires initialement lâches.Dans cette étude, nous proposons tout d'abord de comparer de tels modèles. Cette comparaison se fait en termes de capacités prédictives à l'échelle macroscopique des réponses constitutives des sols, en particulier pour des trajets de chargement complexes. Deux types de modèles discrets sont considérés : (i) des particules sphériques avec une résistance au roulement, (ii) des agrégats simples composés de 2 à 6 sphères. Les modèles sont calibrés à partir de deux compressions triaxiales drainées sur du sable d’Hostun dense et lâche. Ils sont ensuite évalués, en fonction de la réponse macroscopique, sur des trajets de chargement nettement différents des trajets de calibration (compressions isochores, chemins de contrainte circulaires dans le plan déviatoire, chemin à déviateur de contrainte constant, etc.).Ensuite, nous étudions l'importance de la description de l'anisotropie de la micro-structure initiale et de la loi de frottement inter-particules dans les réponses simulées des assemblages granulaires lâches pour différents types de chemins de chargement. Cela montre comment la combinaison des deux peut modifier de manière importante les réponses simulées pour certains chemins de chargement. Cette étude est réalisée avec un modèle numérique discret composé de sphères comparé à des résultats expérimentaux réalisés sur un sable.Enfin, le modèle est utilisé pour simuler l'interaction non linéaire entre une fondation superficielle d'une structure de bâtiment et le sol lors de sollicitations sismiques intenses, comme testé expérimentalement pour le projet TRISEE avec un modèle physique à échelle 1. Une technique de discrétisation adaptative est mise en œuvre pour limiter le nombre de particules dans un tel problème aux limites et rendre le calcul possible avec un ordinateur de bureau classique. Les résultats numériques sont comparés aux mesures expérimentales du projet TRISEE, ainsi qu'à des simulations numériques par éléments finis (FEM) ou des modèles basés sur des macro-éléments.

Geotechnical engineering is a crucial field in the design and construction of foundations, embankments, tunnels, and other structures interacting with soil and rock. However, the description of the elastoplastic response of soil, with preponderant non-linear and non-reversible deformations together with a non-associative flow rule, is complex. The difficulty is even higher in the case of non-monotonous loading paths where phenomenological constitutive relations require ad-hoc history parameters and advanced experimental tests for their calibration.Discrete element method has been proved to be an effective method in predicting quantitatively the constitutive response of soils, even in the case of complex loadings (with rotation of principal stress directions, or loading/unloading cycles) where conventional elastoplastic constitutive relations may fail to simulate realistic responses. For granular soils with a narrow grading, a direct representation of soil grains by polyhedral particles or with the level set method is possible, whereas for finer soils, or soils with a wider grading, alternative solutions should be considered. Spherical particles with enriched contact laws (e.g. by introducing rolling resistance at the contact) or rather simplified clumps of spheres can be used to keep the model relatively light to tackle further boundary value problems with limited computational cost. However, even if the models provide satisfying results for direct shear tests or drained triaxial compression loading paths compared to experimental measurements, their validation with respect to more complex loading paths as the isochoric compression or the path at constant stress deviator still present difficulties, in particular for initially loose granular assemblies.First, this study aims to compare such different approaches in terms of the prediction abilities at the macroscopic scale of the constitutive responses of soils, particularly for complex loading paths. Two kinds of discrete models are considered: (i) spherical particles with rolling resistance, (ii) simple clumps made of 2 to 6 spheres. The models are calibrated from two drained triaxial compressions on dense and loose Hostun sand. They are then assessed, according to the macroscopic response, on loading paths significantly different from the calibration loading paths (isochoric compressions, circular stress paths in the deviatoric plane, constant deviatoric stress path, etc.).Then, we investigate the importance of the description of the anisotropy of the initial fabric and of the inter-particle friction law in the simulated responses of loose granular assembly to different kinds of loading paths. It shows how the combination of both can modify importantly the simulated responses to some kinds of loading paths. This investigation is carried out for a numerical discrete model made of spheres by comparison with experimental results on sand.Finally, the model is used to simulate the nonlinear interaction between a shallow foundation of building structure and the supporting soil during strong seismic loadings, as tested experimentally for the TRISEE project with a full scale physical model. An adaptative discretization technique is implemented to limit the number of particles in such a boundary value problem and make the computation possible with a conventional desktop computer. Numerical results are benchmarked against experimental measurements from the TRISEE project, and FEM numerical simulations or macro-element models.