Modélisation du comportement cyclique des ouvrages en terre intégrant des techniques de régularisation., Cyclic behaviour modeling of geotechnical structures including regularization methods

ÉCOLE CENTRALE DES ARTS ET
MANUFACTURES
« ÉCOLE CENTRALE PARIS »
THÈSE
présentée par
Alexandre FOUCAULT
pour l'obtention du
GRADE DE DOCTEUR
Spéciali t:é Mécanique
Modélisation du comportement cyclique des ouvrage s
en terre intégrant des techniques de régularisation
Soutenue le2 1 juin 20 1d0evant un jury composé de :
René CHAMBON Président
Robert CHARLIER Rapporteur
Philippe MESTAT Rapporteur
Fernando LOPEZ-CABALLERO Examinateur
François VOLDOIRE Examinateur
Arézou MODARESSI FARAHMAND-RAZAVI Directrice de thèse
Philippe KOLMAYER Invité
Thèse préparée conjointement :
Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux, CNRS UMR 8579
Laboratoire de Mécanique des Structures Industrielles Durables, UMR EDF/CNRS 2832
Département Analyses Mécaniques et Acoustique de l'EDF R&D
2010-ECAP0015
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Remerciements
Je profite de cette page pour marquer un point final à ce manuscrit et à ma vie
d'étudiant, et par la même occasion remercier l'ensemble des personnes qui m'ont
aidé, guidé et encouragé durant ces trois années de thèse.
Cette thèse CIFRE a été réalisée entre le Laboratoire de Mécanique des Sols,
Structures et Matériaux de l’Ecole Centrale Paris et le département d'An alyses
Mécaniques et Acoustique de EDF R&D.
Je débute ces remerciements en exprimant ma gratitude à Claude Rospars, g râce à
qui ce projet de thèse a pu voir le jour à la fin de l'été 2006. Me rci de m'avoir
contacté et offert l'opportunité de débuter cette très belle aventure hu maine et
scientifique.
De plus, je remercie vivement les deux personnes en charge de mon encadr ement:
Arézou Modaressi, directrice de thèse, et François Voldoire, encadrant indust riel du
département d'Analyses Mécaniques et Acoustique de EDF R&D. Merci pour l a
confiance que vous m'avez accordée, les échanges réguliers au cours de la thèse
et les méthodes de travail inculquées. C'est en partie grâce à vous, vos con seils,
votre soutien, enthousiasme et pédagogie si j'ai pu travailler dans un enviro nnement
serein pour mener à bien ce travail.
Mes sincères remerciements se dirigent à présent vers les membres du jury.
Ce fut pour moi un grand plaisir que René Chambon préside mon jury de thè se. Ses
conseils et son intérêt au cours de ces années ont été des facteurs stim ulants,
enrichissants et constructifs pour l'avancement de mes travaux.
Je remercie aussi Messieurs Robert Charlier et Philippe Mestat d'avoir accep té de
rapporter ce travail, de lire mon manuscrit en profondeur, de l'évaluer e t de le
corriger en partie. Leur avis scientifique et appréciations sur cett e thèse
m'encouragent à poursuivre mes activités au sein de la recherche scientifique.
Il m'a fait très plaisir de compter Philippe Kolmayer parmi les membres du jury. Ses
conseils, sa vision des problèmes traités et son intérêt pour la science m'ont
beaucoup apportés lors de nos discussions pour orienter mon travail vers les
besoins du Centre d'Ingénierie Hydraulique de EDF.
Merci à Fernando Lopez-Caballero d'avoir accepté de participer à ce jury de thèse.
J'ai beaucoup apprécié notre collaboration, ses conseils avisés lorsque je le
sollicitais, sa disponibilité et son engagement pour m'aider à avancer.
Je remercie ensuite très chaleureusement tous les membres du Lab oratoire
MSSMat avec qui les contacts ont toujours été amicaux et sympathiques. Les bons
moments partagés ont contribué grandement à cette ambiance générale d es plus
agréables. J'exprime ma gratitude particulière envers tous mes co llègues
doctorants, Cristian Nieto-Gamboa, Ghizlane Benosman, Esteban Saez, Tam mam
Hammad, Rachele Allena, Elsa Vennat, Sofia Costa d'Aguiar, Maryam Tabba khha,
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Ana Patricia Gaspar et Sahar Hemmati.
Mes pensées vont également à l'ensemble du personnel du département d'An alyses
Mécaniques et Acoustique de EDF R&D pour m'avoir accueilli et permis de ré aliser
ce travail dans des conditions matérielles et humaines des plus appré ciables. Je
remercie notamment Vincent Guyonvarh pour son soutien et la confiance q u'il m'a
accordée tout au long du projet. Également, une pensée particulière po ur Marc
Kham et Roméo Fernandes pour toute l'aide qu'ils ont su m'apporter d urant la
thèse. Je remercie aussi tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à ce projet:
Mickaël Abbas, Aimery Assire, Clément Chavant, Mathieu Courtois, Thomas De
Soza, Georges Devesa, Christophe Durand, Joumana El-Gharib, Isabelle Fourni er,
Vincent Godard, Sylvie Granet, Nicolas Greffet, Patrick Massin, Jacques Pe llet,
Jean-Michel Proix... sans oublier les membres du LaMSID avec qui j'ai p artagé plus
que de simples cafés: Marion Allayrac, Ophélie Angélini, Jérôme Beaurai n, Julien
Berland, Daniele Colombo, Sam Cuvillier, Frédéric Daude, André Jaubert, Romain
Lacombe et Mohamed Torkhani.
J'adresse mes remerciements les plus sincères à tous les membres de ma f amille,
parents, « beaux-parents », frère, «beau-frère et belle- »so ,e ucorusins pour
m'avoir soutenu et épaulé durant ces années de thèse. Enfin, ma gratitud e la plus
grande se dirige vers Thaïs, ma future épouse, pour son soutien , sa
compréhension, son aide et sa patience tout au long de ces années.

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Résumé
L'objectif technique majeur de cette thèse se rapporte au développement d 'un outil
de simulation numérique fiable et robuste adapté à la maîtrise et la conn aissance du
fonctionnement mécanique des ouvrages géotechniques. Cet outil de simul ation doit
notamment permettre une maîtrise des scénarii les plus pénalisants pour leur tenue,
notamment sous l'aléa sismique.
La qualité des résultats d'un tel outil dans le cadre de la méthode des éléments finis
est fonction du modèle de comportement utilisé, de la qualité de l'in tégration du
modèle et de sa résolution numérique. Dans le cadre de ce travail, l e modèle
élastoplastique de comportement cyclique des sols de l'ECP (dit de Hujeu x) a été
introduit dans Code_Aster selon un schéma d'intégration implicite, permetta nt ainsi
une représentation fine et précise des phénomènes mis en jeu duran t l'aléa
sismique. Ce modèle possède également l'avantage d'être adapté au comport ement
de différents types de sols dans le cadre des milieux poreux sous l'h ypothèse des
petites déformations. Après validation sur des chemins de chargement variés, le
modèle est à présent utilisé pour la simulation de la construction par couch es, de la
mise en eau et de la tenue sismique de barrages en terre.
Le caractère non standard et adoucissant de ce modèle conduit à mettre en oeuvre
des techniques de régularisation pour résoudre le problème de dé pendance
pathologique des résultats aux maillages lors de l'apparition de mod es de ruine
localisée. Le modèle de second gradient de dilatation est utilisé en com plément au
modèle de comportement de Hujeux pour contrôler la largeur des ban des de
localisation apparaissant sur les structures étudiées. La prise en compte d'une
cinématique enrichie permet de rendre objectives aux maillages les ré ponses des
structures durant leur phase d'adoucissement mais n'instaure pas l'unici té des
solutions aux problèmes posés suite aux instabilités. Dans le cad re d'essais
biaxiaux drainés sur des matériaux dilatants exprimés au sein des milieux du
second gradient de dilatation, il est apparu une dépendance de la l argeur des
bandes de cisaillement à l'état de contraintes initial en plus des p ropriétés des
matériaux.
A partir d'un exemple analytique d'une bande de matériau cisaill ée, cette
dépendance a pu être exprimée, comparée et maîtrisée en fonction des par amètres
de régularisation par rapport aux résultats des simulations numériques. L' extension
de cette approche à un cas de stabilité de pente sous chargement d'une fondation
su