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  • COLE CENTRALE DES ARTS ET MANUFACTURES

    COLE CENTRALE PARIS

    THSE prsente par

    Alexandre FOUCAULT

    pour l'obtention du

    GRADE DE DOCTEUR

    Spcialit : Mcanique

    Modlisation du comportement cyclique des ouvrages en terre intgrant des techniques de rgularisation

    Soutenue le 21 juin 2010 devant un jury compos de :

    Ren CHAMBON PrsidentRobert CHARLIER RapporteurPhilippe MESTAT RapporteurFernando LOPEZ-CABALLERO ExaminateurFranois VOLDOIRE ExaminateurArzou MODARESSI FARAHMAND-RAZAVI Directrice de thsePhilippe KOLMAYER Invit

    Thse prpare conjointement :Laboratoire de Mcanique des Sols, Structures et Matriaux, CNRS UMR 8579

    Laboratoire de Mcanique des Structures Industrielles Durables, UMR EDF/CNRS 2832Dpartement Analyses Mcaniques et Acoustique de l'EDF R&D

    2010-ECAP0015

  • 2

  • 3RemerciementsJe profite de cette page pour marquer un point final ce manuscrit et ma vie d'tudiant, et par la mme occasion remercier l'ensemble des personnes qui m'ont aid, guid et encourag durant ces trois annes de thse. Cette thse CIFRE a t ralise entre le Laboratoire de Mcanique des Sols, Structures et Matriaux de lEcole Centrale Paris et le dpartement d'Analyses Mcaniques et Acoustique de EDF R&D.

    Je dbute ces remerciements en exprimant ma gratitude Claude Rospars, grce qui ce projet de thse a pu voir le jour la fin de l't 2006. Merci de m'avoir contact et offert l'opportunit de dbuter cette trs belle aventure humaine et scientifique.

    De plus, je remercie vivement les deux personnes en charge de mon encadrement: Arzou Modaressi, directrice de thse, et Franois Voldoire, encadrant industriel du dpartement d'Analyses Mcaniques et Acoustique de EDF R&D. Merci pour la confiance que vous m'avez accorde, les changes rguliers au cours de la thse et les mthodes de travail inculques. C'est en partie grce vous, vos conseils, votre soutien, enthousiasme et pdagogie si j'ai pu travailler dans un environnement serein pour mener bien ce travail.

    Mes sincres remerciements se dirigent prsent vers les membres du jury. Ce fut pour moi un grand plaisir que Ren Chambon prside mon jury de thse. Ses conseils et son intrt au cours de ces annes ont t des facteurs stimulants, enrichissants et constructifs pour l'avancement de mes travaux.Je remercie aussi Messieurs Robert Charlier et Philippe Mestat d'avoir accept de rapporter ce travail, de lire mon manuscrit en profondeur, de l'valuer et de le corriger en partie. Leur avis scientifique et apprciations sur cette thse m'encouragent poursuivre mes activits au sein de la recherche scientifique.Il m'a fait trs plaisir de compter Philippe Kolmayer parmi les membres du jury. Ses conseils, sa vision des problmes traits et son intrt pour la science m'ont beaucoup apports lors de nos discussions pour orienter mon travail vers les besoins du Centre d'Ingnierie Hydraulique de EDF. Merci Fernando Lopez-Caballero d'avoir accept de participer ce jury de thse. J'ai beaucoup apprci notre collaboration, ses conseils aviss lorsque je le sollicitais, sa disponibilit et son engagement pour m'aider avancer.

    Je remercie ensuite trs chaleureusement tous les membres du Laboratoire MSSMat avec qui les contacts ont toujours t amicaux et sympathiques. Les bons moments partags ont contribu grandement cette ambiance gnrale des plus agrables. J'exprime ma gratitude particulire envers tous mes collgues doctorants, Cristian Nieto-Gamboa, Ghizlane Benosman, Esteban Saez, Tammam Hammad, Rachele Allena, Elsa Vennat, Sofia Costa d'Aguiar, Maryam Tabbakhha,

  • 4Ana Patricia Gaspar et Sahar Hemmati.

    Mes penses vont galement l'ensemble du personnel du dpartement d'Analyses Mcaniques et Acoustique de EDF R&D pour m'avoir accueilli et permis de raliser ce travail dans des conditions matrielles et humaines des plus apprciables. Je remercie notamment Vincent Guyonvarh pour son soutien et la confiance qu'il m'a accorde tout au long du projet. galement, une pense particulire pour Marc Kham et Romo Fernandes pour toute l'aide qu'ils ont su m'apporter durant la thse. Je remercie aussi tous ceux qui ont contribu de prs ou de loin ce projet: Mickal Abbas, Aimery Assire, Clment Chavant, Mathieu Courtois, Thomas De Soza, Georges Devesa, Christophe Durand, Joumana El-Gharib, Isabelle Fournier, Vincent Godard, Sylvie Granet, Nicolas Greffet, Patrick Massin, Jacques Pellet, Jean-Michel Proix... sans oublier les membres du LaMSID avec qui j'ai partag plus que de simples cafs: Marion Allayrac, Ophlie Anglini, Jrme Beaurain, Julien Berland, Daniele Colombo, Sam Cuvillier, Frdric Daude, Andr Jaubert, Romain Lacombe et Mohamed Torkhani.

    J'adresse mes remerciements les plus sincres tous les membres de ma famille, parents, beaux-parents , frre, beau-frre et belle-soeur , cousins pour m'avoir soutenu et paul durant ces annes de thse. Enfin, ma gratitude la plus grande se dirige vers Thas, ma future pouse, pour son soutien, sa comprhension, son aide et sa patience tout au long de ces annes.

  • 5RsumL'objectif technique majeur de cette thse se rapporte au dveloppement d'un outil de simulation numrique fiable et robuste adapt la matrise et la connaissance du fonctionnement mcanique des ouvrages gotechniques. Cet outil de simulation doit notamment permettre une matrise des scnarii les plus pnalisants pour leur tenue, notamment sous l'ala sismique.La qualit des rsultats d'un tel outil dans le cadre de la mthode des lments finis est fonction du modle de comportement utilis, de la qualit de l'intgration du modle et de sa rsolution numrique. Dans le cadre de ce travail, le modle lastoplastique de comportement cyclique des sols de l'ECP (dit de Hujeux) a t introduit dans Code_Aster selon un schma d'intgration implicite, permettant ainsi une reprsentation fine et prcise des phnomnes mis en jeu durant l'ala sismique. Ce modle possde galement l'avantage d'tre adapt au comportement de diffrents types de sols dans le cadre des milieux poreux sous l'hypothse des petites dformations. Aprs validation sur des chemins de chargement varis, le modle est prsent utilis pour la simulation de la construction par couches, de la mise en eau et de la tenue sismique de barrages en terre.Le caractre non standard et adoucissant de ce modle conduit mettre en oeuvre des techniques de rgularisation pour rsoudre le problme de dpendance pathologique des rsultats aux maillages lors de l'apparition de modes de ruine localise. Le modle de second gradient de dilatation est utilis en complment au modle de comportement de Hujeux pour contrler la largeur des bandes de localisation apparaissant sur les structures tudies. La prise en compte d'une cinmatique enrichie permet de rendre objectives aux maillages les rponses des structures durant leur phase d'adoucissement mais n'instaure pas l'unicit des solutions aux problmes poss suite aux instabilits. Dans le cadre d'essais biaxiaux drains sur des matriaux dilatants exprims au sein des milieux du second gradient de dilatation, il est apparu une dpendance de la largeur des bandes de cisaillement l'tat de contraintes initial en plus des proprits des matriaux. A partir d'un exemple analytique d'une bande de matriau cisaille, cette dpendance a pu tre exprime, compare et matrise en fonction des paramtres de rgularisation par rapport aux rsultats des simulations numriques. L'extension de cette approche un cas de stabilit de pente sous chargement d'une fondation superficielle a ensuite t entrepris. La dpendance des largeurs de bandes l'tat de contraintes initial est apparue comme un lment cl de la matrise du couplage entre le modle de second gradient de dilatation et les modles de type Cam-Clay.

    Mots-cls : Comportement cyclique des sols, schma d'intgration implicite, milieu du second gradient de dilatation, essai biaxial drain, stabilit de pente, digue en terre, modle de Hujeux.

  • 6AbstractThe main technical objective of this PhD thesis deals with the development of a soil behavior numerical tool. It should be robust, efficient and adapted to model the mechanical behavior of geotechnical structures (e.g. embankment dam) under the worst loading scenarii such earthquakes.

    In the finite element method, the quality results is directly linked to the soil constitutive model, the integration scheme and the numerical resolution. In this PhD Thesis, the ECP elastoplastic soil model is introduced in Code_Aster through an implicit scheme. An implicit scheme ensures to respect the theoretical formulation of the model. The ECP constitutive model is one of the models available in the literature to represent the behaviour of different kinds of soils under cyclic loadings and it is used since the 80's by hydraulic engineers at EDF. It is expressed in terms of effective stresses and infinitesimal strains. The developments are validated for laboratory tests in a large scale of loading paths. On the other hand, the study of a sand embankment was performed and compared to the results obtained with the finite element software GEFDyn developed at ECP. The ECP model is based on a non-associated flow rule and it is able to reproduce a softening behavior. When shear bands occur in the structure, these properties lead to a pathological sensitivity of the results depending on the mesh size. Therefore, a regularization technique has to be used to circumvent this problem and to obtain objective results with respect to the mesh. The second gradient of dilation model is thus chosen to be coupled to the ECP model and in this way, to ensure a spatio-temporal