Sujet de thèse IFSTTAR

 

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Fiche détaillée :

Titre : Modélisation de la liquéfaction des sols : application à la tenue des barrages sous sollicitations sismiques

Laboratoire principal - Référent principal GERS-GMG  -  LI Zheng   
Directeur du laboratoire principal THOREL Luc  -  
Spécialité de la thèse Ingénierie géotechnique; Mécanique
Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal Nantes
Etablissement d'inscription ECOLE CENTRALE NANTES
Ecole doctorale SCIENCES POUR L'INGENIEUR
Directeur de thèse prévu THOREL Luc  -  Ifsttar  -  GERS-GMG
Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte

La liquéfaction des sols sableux saturés est un phénomène qui peut se produit sous une sollicitation sismique. Le passage d'une onde sismique entraîne une perte de résistance au cisaillement du sol en raison d'une augmentation de la pression interstitielle générée par le comportement du sol sous sollicitations cycliques. La liquéfaction entraînera une perte soudaine de stabilité des structures fondées sur ce type de sol. Au cours des dernières années, les leçons des dommages causés par les séismes dans le monde entier, par exemple le séisme de 2011 au large de la côte Pacifique du Tohoku qui a entrainé un endommagement de nombreuses infrastructures en terre, telles que les digues de rivières, les remblais routiers, les fondations de chemin de fer et les digues côtières (Oka et al., 2012). Récemment, l'aléa sismique en France a été réévalué et de nouvelles cartes sismiques ont été établies (Douglas et al., 2013). Compte tenu des dommages récents causés par le séisme de Tohoku, il est nécessaire de mettre en place des infrastructures françaises avec des normes de sécurité complémentaires et de définir de nouvelles marges de sécurité sismiques.

L’objectif de ces travaux de recherche est d’approfondir la compréhension du ou des mécanismes de rupture causés par la liquéfaction de digues construits en matériaux plus ou moins lâches (par exemple, remplissage hydraulique) ou encore construites sur des sédiments potentiellement liquéfiables, car la liquéfaction est une préoccupation importante dans ces situations. Une meilleur connaissance du ou des mécanismes de rupture permettrait de proposer, le cas échéant, des recommandations techniques qui pourraient être utiles pour la construction de géo structures de type digue dans la pratique.

Objectifs

La destruction de la structure du sol causée par la liquéfaction, telles que dans le cas de digues des rivières, de remblais routiers, de digues contre les inondations et de barrages en terre, est considérée comme l'une des conséquences les plus dévastatrices des tremblements de terre. Des études numériques ou expérimentales antérieures (par exemple, des essais sur centrifugeuse) ont montré pourquoi ces digues ont été gravement endommagées, la raison principale est la liquéfaction du sol de fondation entraînant un tassement excessif, une expansion latérale et une pente instable. La littérature énumère les effets néfastes possibles des tremblements de terre sur les barrages en terre et les digues :

• Glissement de terrain induit par d’une charge inertielle et / ou une diminution de la résistance du sol ou de la liquéfaction.
• Tassement de la crête du barrage causé par le tassement ou par des vagues d’eau générées par un séisme dans le réservoir.
• Déformation permanente des sols de fondation ou du corps du barrage.
• rupture au sein d’une digue composé de sols de faible résistance ou liquéfiables.
• Erosion

Il semble que la principale cause de l'instabilité du barrage en remblai est la survenue de liquéfaction lors de forts mouvements du sol dans le cas de sables lâches à moyennement denses et de sables limoneux en dessous de la nappe phréatique et il devrait donc être pris en compte lors de la procédure de conception des barrages en remblais. Grâce à la présence de barrages en remblai, le ratio de résistance cyclique du sable (CRR) est affecté par la présence de contraintes de cisaillement statique. Par conséquent, l’évaluation de la résistance des sols à la liquéfaction avec la présence de contraintes de cisaillement statique est une étape importante dans la conception technique de nouvelles structures, en particulier les barrages en remblai et la modernisation de structures dans les régions sujettes aux tremblements de terre.

Dans cette étude, le projet se concentrera plus spécifiquement sur les effets locaux concernant l’initiation et l’interaction de la liquéfaction entre le sol et la structure de fondation.
Approche générale

L'objectif principal de ce projet est d'étudier l'influence de la liquéfaction du sol sur le comportement des digues homogènes sous la charge sismique. Récemment, des études expérimentales et numériques ont été menées sur le comportement sismique des digues en tenant compte de l'influence de la liquéfaction du sol. (Rapti, et al., 2018; Boulanger & Montgomery, 2016; Boulanger et al., 2018). Cependant, plusieurs aspects du comportement de digues fondées sur sol liquéfiables et soumis à des chargements sismiques ne sont pas encore clarifiés, et dans ce cadre des recherches supplémentaires sont nécessaires afin de fournir une nouvelle base de données expérimentales.

Les travaux de recherches comprendront 2 parties complémentaires : une étude expérimentale (70%) couplée avec une étude numérique (30%). L’étude expérimentale fournira d’importantes données sur le, ou les, mécanismes de rupture et des données essentielles pour la modélisation numérique. En complément du travail expérimental, les modèles numériques, qui seront dans un premier temps validés à partir des données expérimentales, permetteront la réalisation d’études paramétriques, ou d’études de cas qui, le cas échéant, fourniront des éléments clefs pour le dimensionnement de ces ouvrages vis-à-vis Du risque de rupture par liquéfaction. Les étapes prévues sont les suivantes :

• Modélisation sur modèles réduits centrifugés de la liquéfaction en champ libre. Cette étape consiste à étudier et à caractériser la liquéfaction du sol sous différentes charges sismiques en tenant compte de la présence éventuelle de fines plastiques/non plastiques. Les données expérimentales permettront la calibration du modèle numérique. L'étude sur champs libre enrichira les connaissances sur le comportement vis-à-vis du phénomène de liquéfaction du sol et la propagation des ondes dans le sol liquéfiable. Dans le même temps, des connaissances sur les techniques expérimentales et les artéfacts expérimentaux seront acquises, développées et utilisées pour les étapes suivantes.

• Modélisation sur modèles réduits centrifugés de l'interaction entre la digue et le sol de fondation prenant en compte l'influence de la liquéfaction (étude du mécanisme de défaillance et d’instabilité de la géo-structure de type digue). Plusieurs aspects seront abordés dans cette partie dont : (1) l’influence de contraintes statiques préexistantes sur le mécanisme de déclenchement de la liquéfaction sous une charge sismique ; (2) l'effet de la déformation et du changement de contrainte associé aux digues, en raison du tassement des fondations, sur la stabilité sismique des digues. Aussi, l’importance du comportement dilatant du sol après la liquéfaction indique les caractéristiques de réponse dynamique et de déformation du système de la digue -fondation.

• L'étalonnage et la vérification de la simulation numérique seront effectuées sur la base de la modélisation d’un essai en centrifugeuse et seront réalisés avec le modèle constitutif avancé (SANISAND) sur la plate-forme FEM (code d'élément fini entièrement couplé solide-fluide (FE)). Le modèle numérique permettra de fournir des informations difficilement mesurables dans les modèles physiques et permettra de mettre en évidence le, ou les, mécanismes de défaillance de la digue sous l’action sismique. La validation du modèle numérique à l'aide de données expérimentales est une étape clés. Une fois validéé, le modèle numérique permettra de quantifier davantage le comportement des digues fondées sur sol liquéfiable en procédant à des études numériques paramétriques.

• Sur la base des travaux expérimentaux et numériques, les stratégies de remédiation pourraient être proposées, ce qui pourrait être utile pour la construction de géo structures de type digue dans la pratique.

Base de travail et conditions

• Aspect expérimental. Dans ce projet, le programme expérimental sera réalisé à l’IFSTTAR (Nantes) au sein de l’équipe de la centrifugeuse. Le dispositif d’essai principal est une centrifugeuse géotechnique équipée d’un simulateur de séismes embarqué (Table vibrante horizontale 1D pouvant appliquer des signaux mono ou multi fréquentiels avec une accélération maximale de 0,5 g sur des modèles pesant jusqu'à 400 kg). L’équipe au sein duquel l’étudiant(e) sera accueillie est forte d’une expérience dans la modélisation de la liquéfaction des colonnes de sol et du problème de propagation des ondes (Bretschneider, et al., 2016), qui seront utiles pour es les travaux qui seront engagés.

• Aspect numérique. Les paramètres des modèles constitutifs avancés sont déjà calibrés à partir d’une grande base de données d'essais triaxiaux de sables (Hostun HN31, Fontainebleau NE34). Un modèle de colonne de sol couplé solide-fluide complet a déjà été construit pour l'analyse de liquéfaction. Ce modèle dont le développement se poursuit, pourra, dans le cadre de ces travaux, être étendu et développé pour la future modélisation sophistiquée FEM.

Profil du candidat

Master en géomécanique ou génie parasismique géotechnique ; Expérience dans le domaine expérimental ; Connaissance de base en modélisation d'éléments FEM ; Bon niveau en Matlab/Python et analyse de données.

References
Boulanger, R. W., Khosravi, M., Khosravi, A., & Wilson, D. W. (2018). Remediation of liquefaction e ff ects for an embankment using soil-cement walls : Centrifuge and numerical modeling. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 114, 38–50. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2018.07.001
Boulanger, R. W., & Montgomery, J. (2016). Nonlinear deformation analyses of an embankment dam on a spatially variable lique fi able deposit. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 91, 222–233. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2016.07.027
Bretschneider, A., Escoffier, S., Lenti, L., & Martino, S. (2016). Dynamic centrifuge tests on multilayer soil columns: setup and shear wave propagation. In Eurofuge2016.
Douglas, J., Ulrich, T., & Negulescu, C. (2013). Risk-targeted seismic design maps for mainland France. Natural Hazards, 65, 1999–2013.

Mots-clefs: liquéfaction; Modélisation sur modèles réduits centrifugés; simulation numérique
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