Micro-mécanique de l’Interaction milieu granulaire-géogrille souple sous chargement complexe - Investigation expérimentale et numérique

Les interactions mécaniques entre un milieu granulaire et une géogrille, c’est-à-dire une inclusion déformable ayant un rôle de renforcement, sont complexes et encore mal identifiées. Elles prennent naissance à l’échelle locale, au niveau des particules, des différents éléments de la géométrie plus ou moins complexe de la géogrille et des contacts entre chacun de ces objets. De plus, suivant le mode de sollicitation, les mécanismes d’interaction peuvent être très différents. Ils dépendent également de la distribution des tailles de grains, de leur forme généralement non sphérique et de l’arrangement granulaire au voisinage de l’inclusion (affecté notamment par les tailles respectives grains/maille de grille).
Les mécanismes mis en jeu sont liés notamment à l’enchevêtrement et au désenchevêtrement des particules dans la maille, accompagnés de mécanismes de butée des particules dans la maille, de frottement des particules sur la grille et de changements de densité au niveau d’une zone d’interface dont l’épaisseur reste à définir. Tous ces mécanismes prennent naissance au niveau des contacts entres particules et grille.
L’exemple d’application qui sert de support à cette étude est celui du renforcement et de la stabilisation de sol par grilles géosynthétiques (géogrilles), qui sont actuellement largement utilisées dans les ouvrages géotechniques sans que leur action ne soit formellement identifiée (approche macroscopique et empirique issue d’essais de laboratoire ou d’essais sur ouvrages).
Le sujet sera abordé par une combinaison d’observations microstructurales et d’expérimentations à l’échelle de la maille (sous tomographie RX) et de modélisations numériques par éléments discrets (code Yade). Il s’agit en premier lieu d’observer, définir et comprendre les mécanismes mis en jeu lors des sollicitations appliquées, en traitant également le cas des sollicitations cycliques et les phénomènes induits (fatigue et dégradation).
Dans un premier temps, une campagne d’imagerie 3D sera faite par microtomographie RX sur plusieurs échantillons de taille adaptée à la géométrie du problème : on considérera en particulier les cas avec et sans grille, des milieux granulaires modèles composés de sphères de taille très voisines ou présentant une distribution large de taille de grains de forme plus anguleuse, des tailles respectives de maille et de particules qui permettent de créer ou pas le phénomène d’interlocking.
Une reconstruction numérique de l’arrangement granulaire et de la grille permettra ensuite de générer des avatars numériques de ces échantillons qui seront utilisés dans le code Eléments Discrets Yade. Les simulations numériques prédictives du comportement de l’interface milieu granulaire – grille concerneront alors des sollicitations élémentaires (compression, cisaillement) monotones et complexes (en particulier cycliques). Il sera également possible de prendre en compte dans la loi de contact entre grains et entre grains et grille une dégradation des propriétés avec les cycles.
En parallèle de la mise au point et de la réalisation des simulations numériques, on se propose de concevoir des expérimentations mécaniques spécifiques réalisées sous tomographie RX de manière à évaluer la pertinence de la modélisation numérique dans sa description des mécanismes d’interaction matériau granulaire – grille. Quelques configurations ou cas de référence seront ainsi analysées de manière à s’assurer que la modélisation numérique reste bien proche de la réalité des phénomènes. On souhaite ainsi étudier à l’échelle des mailles de la grille les mouvements induits par un chargement appliqué (en particulier cyclique) simultanément à la prise d’images.
Au-delà de la compréhension des mécanismes mis en jeu et de l’identification des paramètres clés, on souhaite pouvoir proposer des éléments objectifs de choix pour le dimensionnement de la géogrille de renforcement ou sa mise en oeuvre et évaluer la capacité et les possibilités des méthodes numériques existantes à décrire, dans un calcul à l’échelle de l’ouvrage, le comportement et le rôle des renforcements.