Sols, solides, structures, risques

This PhD thesis presents an innovative experimental investigation on the mechanical response of sand to plant root growth. Root-soil interaction is investigated for two different root systems -- Maize and Chickpea -- and two different gradings of Hostun sand with two initial porosities.
 

An original protocol is developed aiming to create samples with repetitive initial nominal properties and representative of the natural interaction. Two experimental campaigns were run on a series of samples with different sands and plants. A 4D (3D+time) analysis of the interaction is carried out by using x-ray Computed Tomography. For each sample, an average of 7 x-rays scans is performed, from the day of the seed sowing up to 7-days-old root system. An image processing technique has been developed and it is applied to the 3D images resulting from the reconstrution of the x-ray scans. Through this image processing, the root system is identified, together with the sand grains and the water present in the system. Finally, a four-phased volume representative of the soil-root system can be defined for each state of the observed samples. Besides, from the 3D greyscale images of the samples, measurements of the kinematics of the system are obtained through local and discrete approaches of image correlation. Local sand porosity and deformations resulting from the four-phased volumes and the image correlations are detailed for one sample of each root-sand configuration.

Regarding the impact of the initial sand state on the root system development, the comparison of the different configurations shows, among other things, that the sand density plays a key role on the expansion of the root system, for both plant species. Concerning the sand response to the root growth, the strain tensor computed with image correlation shows that a root shears the soil while growing and the sheared zone is wider when the initial bulk density is lower.

This work focuses also on the determination of the sand volumetric response to root growth in the sheared zone and its dependency on the soil density. Sand response is purely dilatant for denser initial states, while the looser sand exhibits a contractant behaviour far from the root surface. Such a response is obtained in the case of both maize and chickpea. Moreover, the contractant behaviour induced by the shearing away from the root is con_rmed also for both sand granulometries in a looser state.

Jury

This doctoral thesis investigates the impact of the meso-scale heterogeneities of concrete (aggregates and macro-pores) on its macroscopic mechanical response. A combined numerical and experimental approach is adopted to study the progressive evolution of the 3D fracturing processes of micro-concrete specimens under uniaxial tension, uniaxial compression and triaxial compression.

Part of the originality of this work lies in the exploration of multiple loading paths on concrete samples of realistic composition (including cement, sand, aggregates and water) and in the in-situ nature of the experiments conducted. The experimental campaign is performed inside an x-ray scanner, which allows the internal structure of the material to be non-destructively captured and its evolution from the intact (before loading) until the damaged (after unloading) state to be followed and quantified. The 3D images coming from the x-ray scans are first analysed in order to quantitatively describe the morphology of the meso-structure (aggregates, mortar matrix and macro-pores). A timeseries analysis of the set of 3D images coming from each in-situ test follows, which allows for the measurement of the 3D kinematic fields (displacement and strain fields) throughout the experiments.

On the numerical side, the identified morphologies coming from the intact x-rays scans are given as an input to a FE meso-model with enhanced discontinuities. The originality of the numerical simulations comes from their 3D nature and the consideration of the actual meso-structure of the micro-concrete specimens, based on the segmentation of the three phases of the material. After a calibration of the model in uniaxial tension, its predictive ability is challenged under different stress paths in compression. An extensive comparison is presented between experimental and numerical observations, in terms of macroscopic responses, displacement fields, fracturing processes and failure patterns. The typical asymmetric behaviour of concrete in tension and compression, as well as the increase of strength and ductility with the increase of confinement are sufficiently captured numerically. Starting from an x-ray scan, it is shown that the model is able to satisfactorily Sreproduce some of the basic characteristic features of the failure modes observed experimentally for the different loading paths studied.
While validating the numerical results and through a combination of numerical and experimental observations, the significant impact of the meso-scale heterogeneities on the local failure mechanisms is revealed. It is shown that, for the studied material, the shape and location of the largest aggregates and macro-pores are essentially driving the fracture patterns under simple tension, simple compression and triaxial compression. The good correspondence between experiments and model strongly suggests that the explicit representation of these heterogeneities is the key feature that allows the predictive power of the model. A further insight into the impact of the meso-structure is obtained by investigating virtual concrete morphologies, generated by modifying the real meso-structures coming from the x-ray scans.

Jury

The main objective of the thesis is to improve our understanding of faceting occurring during dry snow metamorphism. The thesis focuses on the interplay between heat and mass diffusion, and kinetic effects in the context of snow. For the first time, Diffraction Contrast Tomography (DCT) has been performed to monitor an experiment of temperature gradient metamorphism. The technique permits retrieval of the crystalline orientation of the grains constituting the microstructure of the sample. Links between orientation of crystals and mass fluxes were analyzed.

The study shows that kinetic differences between basal and prismatic faces have effects on phase change fluxes at the ice/air interface. From a numerical modeling point of view, a highly anisotropic kinetic coefficient has been taken into account for the evolution of the ice/air interface. The model uses the phase-field approach and couples phase changes to heat and water vapor diffusion.

The model was compared to an experiment of air cavity migration under a temperature gradient in a monocrystalline ice block monitored with X-ray microtomography, and to the growth of a negative crystal during a pumping experiment followed with optical microscopy. Such anisotropy permits reproduction of the observed faceting.
Finally, the potential of the proposed model to describe snow metamorphism is highlighted.

Jury

Earth construction is widely used in a lot of developing countries where they still are the main technique of construction despite the dominance of modern construction techniques in urban areas. Studying the seismic vulnerability of such structures is then crucial since many of them are located in highly active seismic zones. Therefore, this study focused on analyzing the behavior of earth constructions, more specifically the adobe walls, thanks to numerical and experimental methods.

Two experimental tests were developed for this study. The first one is a shake table which permits to do dynamic tests by reproducing real seismic events. An important effort was carried out in order to enhance the control of the table and to check its performance via signal analysis. Then, a steel structure prototype was used to check the behavior of the table with additional payload. The second test is a pseudo dynamic test, known as a hybrid test that combines numerical and experimental aspects. The same steel prototype was used to validate the test workability. Then, the feedbacks of both experiments were compared to the results of numerical simulations.

The last part of the work was dedicated to the vulnerability analysis of adobe walls under seismic loading. A numerical model based on previous quasi-static tests on two earth masonry walls was created in Abaqus. It was followed by a parametrical study to assess the effect of some material parameters on the wall behavior. Then a dynamic experimental test was carried out on an adobe wall using the shake table. The experimental results were then compared to numerical ones that were obtained based on material characteristics extracted from different experimental tests on the adobe and the mortar, and done at material scale. Dynamic tests performed on the adobe wall and the numerical work allowed to predict the wall response and to study the damage patterns. Additional works to enhance the experimental apparatus performance as well as the numerical models will be done in order to optimize the tools for seismic analysis that were developed in this study.

 

Les travaux menés dans cette thèse ont pour objectif d’étudier le comportement mécanique d’une poudre constituée de grains déformables en utilisant, de manière complémentaire, des essais expérimentaux et des outils numériques. Pour cela, une poudre polymère est testée mécaniquement dans un micro-tomographe à rayons X afin de déterminer et d’analyser l’évolution de la microstructure au cours du chargement. L’analyse des images 3D rend possible la modélisation du milieu granulaire par la méthode des éléments finis multi-particules. Cette méthode permet de simuler le comportement d’un ensemble de grains interagissant par contact auxquels sont attribués une loi de comportement élasto-plastique. Une méthode a été complètement développée afin de permettre cette analyse multi-échelles. La réponse ainsi simulée du milieu granulaire est comparable à celle observée dans l’expérimentation.

Le matériau constitutif du milieu granulaire est le polystyrène dont les géométries des grains sont relativement hétérogènes. La poudre est caractérisée mécaniquement par des essais de compression triaxiale de révolution menés à différentes pressions de confinement. Le dispositif de chargement triaxial est introduit dans un tomographe à rayons X afin de visualiser l’évolution de la microstructure granulaire au sein de l’échantillon pour plusieurs états de chargement. Un code de calcul de corrélation permet, à partir des volumes issus de la tomographie, de déterminer un champ de déplacement et, par la suite, un champ de déformation. L’analyse de la densité est également rendue possible grâce à la tomographie. Avec l’objectif d’étudier le comportement du milieu granulaire lors du chargement, les particules présentes dans les volumes issus de la tomographie sont identifiées individuellement, maillées puis introduites dans un modèle éléments finis multi-particules. Les conditions aux limites imposées à l’échantillon numérique sont générées en imposant aux grains en périphérie de l’échantillon des déplacements de même amplitude et de même direction que les déplacements calculés par la corrélation de volumes au niveau de ces mêmes grains.

Les simulations numériques éléments finis sont menées sur des volumes contenant plusieurs centaines de grains. Les calculs de déformation moyenne de ces volumes permettent une comparaison directe avec les déformations déduites de la corrélation des images 3D. Cette comparaison indique que la méthode de génération des conditions aux limites pour la simulation mécanique par éléments finis est valide. Il a cependant été remarqué que l’étude localisée de la densification de la poudre pour les grandes déformations est dépendante de la taille du volume simulé. Un calcul de contrainte moyennée sur le volume simulé est également mené afin de déterminer localement l’état de contrainte dans l’échantillon pour un comportement supposé du matériau constitutif des grains. Plusieurs simulations, menées en différents sous-volumes de l’échantillon rendent possible la génération d’un champ de contrainte. Compte tenu du nombre de calculs nécessaires pour aboutir à cette génération, seule l’évolution radiale de la contrainte a été estimée concernant les résultats présentés. Le calcul de la contrainte axiale par la simulation présente un autre avantage : le choix de certaines propriétés mécaniques du matériau constitutif des grains dans la simulation permet de se rapprocher de la contrainte axiale mesurée sur l’échantillon réel et donc de caractériser les propriétés mécaniques des grains en interaction.

Jury

De nombreuses incertitudes liées aux mécanismes d'interaction entre les blocs rocheux et le versant naturel lors des chutes de blocs persistent ; la prévision de tels événements reste de ce fait encore incertaine. Néanmoins, les outils numériques et la puissance de calcul ne cessent d'évoluer. Si, auparavant, les calculs trajectographiques étaient restreints à des géométries simplifiées et à des mouvements balistiques en deux dimensions, il devient désormais possible d'y intégrer des raffinements tels que la forme complexe des blocs, des modèles numériques tridimensionnels de terrain d’une grande définition ou une prise en compte fine des mécanismes dissipatifs au niveau du point d'impact entre le bloc et le versant de propagation.

L’objectif principal de la thèse est d’analyser, avec un code numérique discret en trois dimensions, l’influence des paramètres de forme et d’interaction sur la nature du rebond dans un contexte d’ingénierie. Nous présentons tout d’abord une méthodologie d'identification et d'étude de sensibilité des paramètres de contact, élaborée et validée à partir d’expérimentations de laboratoire. Cette méthodologie a été appliquée par la suite à deux expérimentations de chute de blocs menées sur sites réels à moyenne et à grande échelle.

L’étude réalisée à moyenne échelle a permis de confronter le modèle numérique à des données obtenues lors d'une campagne expérimentale sur voies ferroviaires commanditée par la SNCF et menée en collaboration avec IRSTEA. Les analyses qui ont été réalisées ont porté sur les vitesses d’impact des blocs avec le ballast et les distances de propagation.

L’étude menée à grande échelle s’appuie sur plusieurs séries de lâchés de blocs réalisées sur le site expérimental de la carrière d'Authume dans le cadre d’un Benchmark proposé dans le cadre du Projet National C2ROP. L’objectif principal du Benchmark est de tester et de comparer entre eux des logiciels trajectographiques, des codes de calculs numériques et les pratiques d’ingénierie pour en définir la pertinence et les domaines de validité. Dans le cadre de la thèse, ce travail a été conduit en plusieurs phases (à l’aveugle puis avec des données partielles mesurées lors de la campagne d'essais) et nous présentons l'évolution de ces analyses à l'issue de chacune des phases. L’étude a porté principalement sur les vitesses, les hauteurs et les énergies de passage des blocs en certains points du profil de propagation, ainsi que sur les positions d’arrêt des blocs. Une étude sur l'influence de la forme des blocs sur les distances de propagations est également présentée.

Enfin, un Benchmark interne réalisé au sein de l'entreprise IMSRN montre l’importance, sur les analyses, de l'expertise de l'opérateur, et des conséquences de l'utilisation de différents outils trajectographiques (en 2D et en 3D). Ces travaux mettent en lumière les problématiques actuelles auxquelles sont souvent confrontés les bureaux d'études et les ingénieurs en charge des études de risques.

Jury

L’identification des sols liquéfiables et le comportement de sols face aux sollicitations cycliques représentent des défis important en géotechnique. Différents essais, en laboratoire ou in-situ, sont utilisés pour évaluer ce phénomène. Le groupe Equaterre, en particulier, développe un pénétromètre statique à pointe cyclique qui permet d’imposer une variation cyclique de la force sur la pointe, par le biais de tiges centrales coulissantes, et de mesurer les déformations qui en résultent. Ceci permet d’accéder directement à la réponse du sol en place, et potentiellement de mettre en évidence une tendance à la liquéfaction ou à la mobilité cyclique. Cette thèse comporte deux parties principales: modélisation physique en chambre de calibration et modélisation numérique. La modélisation physique consiste à réaliser des tests de faisabilité de la méthode développée par Equaterre en chambre de calibration au sein de laboratoire 3SR Grenoble. Les tests en chambre de calibration ont été réalisés sur du sable de Fontainebleau, avec deux états de densité moyennement dense et lâche. Des tests CPTU et pénétromètre cyclique Equaterre ont été réalisés dans ces deux situations. Les résultats ont montré le bon potentiel de cette méthode pour identifier le risque de la liquéfaction. La modélisation numérique repose sur un couplage entre la méthode des éléments discrets (DEM) pour la phase solide et une méthode de volumes finis définis à l’échelle des pores (méthode PFV) pour l’écoulement interne. La géométrie de révolution est exploitée pour réduire le domaine modélisé à un quart du problème, et une gradation des tailles de particules en fonction de la distance à la pointe est également mise en œuvre pour réduire le nombre totale de particules (et donc les temps de calcul) tout en maintenant une discrétisation fine au voisinage immédiat de la pointe. Deux types de matériaux, dense et lâche, sont simulés et pour chacun on analyse la réponse mécanique pour le cas sec et pour le cas saturé, sous chargement monotone et cyclique. L’analyse des réponses en terme de force et de pression interstitielle montre un bon accord qualitatif avec les résultats en en chambre de calibration.
 

Jury

L’identification des sols liquéfiables et le comportement de sols face aux sollicitations cycliques représentent des défis important en géotechnique. Différents essais, en laboratoire ou in-situ, sont utilisés pour évaluer ce phénomène. Le groupe Equaterre, en particulier, développe un pénétromètre statique à pointe cyclique qui permet d’imposer une variation cyclique de la force sur la pointe, par le biais de tiges centrales coulissantes, et de mesurer les déformations qui en résultent. Ceci permet d’accéder directement à la réponse du sol en place, et potentiellement de mettre en évidence une tendance à la liquéfaction ou à la mobilité cyclique. Cette thèse comporte deux parties principales: modélisation physique en chambre de calibration et modélisation numérique. La modélisation physique consiste à réaliser des tests de faisabilité de la méthode développée par Equaterre en chambre de calibration au sein de laboratoire 3SR Grenoble. Les tests en chambre de calibration ont été réalisés sur du sable de Fontainebleau, avec deux états de densité moyennement dense et lâche. Des tests CPTU et pénétromètre cyclique Equaterre ont été réalisés dans ces deux situations. Les résultats ont montré le bon potentiel de cette méthode pour identifier le risque de la liquéfaction. La modélisation numérique repose sur un couplage entre la méthode des éléments discrets (DEM) pour la phase solide et une méthode de volumes finis définis à l’échelle des pores (méthode PFV) pour l’écoulement interne. La géométrie de révolution est exploitée pour réduire le domaine modélisé à un quart du problème, et une gradation des tailles de particules en fonction de la distance à la pointe est également mise en œuvre pour réduire le nombre totale de particules (et donc les temps de calcul) tout en maintenant une discrétisation fine au voisinage immédiat de la pointe. Deux types de matériaux, dense et lâche, sont simulés et pour chacun on analyse la réponse mécanique pour le cas sec et pour le cas saturé, sous chargement monotone et cyclique. L’analyse des réponses en terme de force et de pression interstitielle montre un bon accord qualitatif avec les résultats en en chambre de calibration.