Analytical and numerical modelling of artificially structured soils

Loi de comportement et modélisation numérique des sols artificiellement structurés

• Auteur / Autrice : Victor Robin
• Direction : Farimah Masrouri, Akbar Javadi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Génie civil
• Date : Soutenance le 11/12/2014
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec University of Exeter (GB)
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (Nancy)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Young, Olivier Cuisinier, Pierre-Yves Hicher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Emeriault, Cristina Jommi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Modèles mathématiques

Mécanique des sols

Sols -- Chaulage

Mots clés libres

Sols traités

Loi de comportement

Modélisation numérique

Éléments finis

Treated soils

Constitutive modelling

Numerical modelling

Finite element

Résumé

Le traitement des sols à la chaux est une méthode couramment utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques de sols aux performances insuffisantes. Cependant, ces améliorations mécaniques ne sont pas prises en compte dans les calculs de dimensionnement. Cette thèse propose une méthodologie pour pallier à ce problème. Un programme expérimental approfondi est réalisé afin de décrire avec précision le comportement mécanique d’un sol traité et les processus associés à la structuration introduite par le traitement. La composition chimique, et notamment la quantité de composés cimentaires hydratés, est déterminée par analyses thermogravimétriques et thermodifférentielles. Un couplage non-linéaire entre la quantité d’hydrates et la limite élastique se basant sur ces résultats expérimentaux est proposé. À partir de ces résultats, une nouvelle formulation a été développée afin de modéliser la dégradation de la structure en plasticité, et a servi au développement d’une nouvelle loi de comportement élasto-plastique basée sur le modèle de Cam Clay Modifié. Cette dernière a montré reproduire correctement les principaux traits de comportement spécifiques aux sols traités. Il est démontré que ce modèle est également adapté aux sols naturellement structurés. Afin de prendre en compte les effets du traitement et la présence de structure dans le dimensionnement, un programme basé sur la méthode des éléments finis, comprenant le pré- et le post-processing de la géométrie et des résultats du problème, a été développé. Une validation rigoureuse a confirmé l'implémentation correcte de la méthode et son potentiel pour l’optimisation du dimensionnement des ouvrages

The effects of lime treatment on the mechanical properties of soils are usually not accounted for in the design of geotechnical structures. As a result the potential of lime treatment has not been fully exploited. In this thesis, a comprehensive experimental program has been carried out to identity the key features of the mechanical behaviour of structured materials. The chemical modifications arising from lime treatment were quantified using thermal analysis methods. From these results a non-linear chemo-mechanical coupling was established between the concentration of cementitious compounds and the yield stress. Using these results, a new formulation to model the degradation of the structure at yield has been developed and implemented in a constitutive model for structured materials. This new model, developed in the framework of the Modified Cam Clay model, requires a limited number of additional parameters that all have a physical meaning and can all be determined from a single isotropic compression test. The model has proven to be successful in reproducing the key features of structured materials and for the modelling of the mechanical behaviour of lime treated specimens under various stress paths. Due to similarities in behaviour, it is shown that the formulation is also suitable for naturally structured soils. To account for a structured material in the design of geotechnical structures, a fully functional finite element program for elasto-plastic problems was developed including the pre- and post-processing of the results. A thorough validation has confirmed the good implementation of the finite element method and its suitability for the modelling of complex geometries involving structured materials