Modélisation du comportement mécanique et hydraulique des sols partiellement saturés - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 1995

Modelling of mechanical and hydraulic behaviour of partially saturated soils

Modélisation du comportement mécanique et hydraulique des sols partiellement saturés

Résumé

An elastoplastic model for unsaturated soils based on a generalized effective stress concept is presented. Main features of the behavior of unsaturated soils are first studied using experimental results available in the literature. This study is conducted in order to point out the differences and the analogies between the behavior of saturated soils and unsaturated soils. A generalized effective stress concept is adopted. Its formulation is issued from a microstructural model (Taibi, 1994) which has allowed to better understand the phenomena due to unsaturation and to highlight the mechanisms involved. The capillary pressure which is the contribution of pore water pressure to the effective stress is supposed to have an isotropic overall effect. It is computed as a hyperbolic function of pore water pressure. It also depends on the material density and its grain size distribution. The idea is to use this generalized effective stress concept in the framework of elastoplasticity. The advantage of this approach is that one can use computing tools available for saturated soils because the aim is to establish a unified approach in which saturated soils represent a particular case of soils in general. Our basic tool is Hujeux elastoplastic model (1985) largely used and validated for dry and saturated soil. The main features of the behavior of unsaturated soils suggest the introduction of a capillary hardening which takes into account phenomena not reproducible by the effective stress concept alone. It should be pointed out that only a few parameters are introduced for the unsaturated domain. Hence, most of the model parameters are determined using classical tests performed on saturated or dry material. To show that the model is able to reproduce the main features of unsaturated soil behavior, several qualitative simulations are presented. Experimental tests on two natural loams (Jossigny loam and Sterrebeek loam) are also simulated. In addition to mechanical behavior aspects, flow in unsaturated porous media is also examined. Two saturation domains, already examined by several researchers, are studied. The first domain corresponds to low degrees of saturation (<85%) where the air phase is supposed to be continuous and at the atmospheric pressure. The second domain concerns high degrees of saturation (>85%) where the air phase is supposed to be present as occlude bubbles. At last, a boundary value problem is studied with the code GEFDYN in which the model is integrated. The main aim is to show the feasibility of the computation. A simple boundary value problem is chosen and important features of unsaturated soil behavior are pointed out such as collapse.
On présente un modèle de comportement élastoplastique pour les sols partiellement saturés basé sur une définition généralisée de la contrainte effective. Les propriétés caractéristiques du comportement des sols non saturés sont d’abord étudiées en analysant les résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Cette étude est menée de façon à mettre en évidence, d’une part, les différences et d’autre part, les analogies qui existent entre le comportement des sols saturés et celui des sols non saturés. On adopte une définition généralisée de la contrainte effective dont la formulation est issue d’un modèle microstructural (Taibi, 1994) qui a permis de mieux comprendre les phénomènes liés à la non saturation et de mettre en évidence les mécanismes mis en jeu. La pression capillaire, contribution de la pression interstitielle à la contrainte effective, est supposée isotrope. C’est une fonction hyperbolique de la pression interstitielle. Elle dépend, en outre, de la densité du matériau ainsi que de sa granulométrie. L’idée est d’utiliser cette définition généralisée de la contrainte effective dans le cadre de l’élastoplasticité. L’avantage de cette démarche est l’existence d’outils de calcul pour les sols saturés qu’on peut reprendre du moment qu’il s’agit d’établir une approche unifiée dans laquelle les sols saturés représentent un cas particulier des sols en général. Notre outil de départ est le modèle élastoplastique de Hujeux (1985) longuement utilisé et validé pour les calculs saturés. L’examen des propriétés qui caractérisent le comportement des sols non saturés suggère l’introduction d’un écrouissage capilaire qui nous permet de combler les insuffisances dues à l’utilisation, à lui seul, du principe de contarinte effective. Il est à noter que très peu de nouveaux paramètres sont introduits. Ainsi, la majeure partie des paramètres du modèle est déduites des essais classiques satutés ou secs. Des calculs qualitatifs sont présentés pour montrer que le modèle est en mesure de reproduire les principales caractéristiques du comportement des sols non saturés. En guise de validation quantitative des essais expérimentaux sur deux matériaux naturels différents (le limon de Jossigny et le limon de Sterrebeek) ont été simulés. En dehors des aspects du comportement mécanique, On s’intéresse aussi aux écoulements dans les milieux poreux non saturés. On étudie deux domaines de saturation différents qui ont déjà été examinés par plusieurs auteurs. Le premier correspond aux faibles degrés de saturation (<85% environ) où l’on considère que l’air est continu et se trouve à la pression atmosphérique. Le second concerne les degrés de saturation élevés (>85%) où l’on suppose que l’air est emprisonné dans l’eau sous forme de bulles. Enfin, un problème aux limites est résolu à l’aide du code GEFDYN dans lequel le modèle est intégré. Le but principal est de montrer la faisabilité du calcul. Le problème aux limites est choisi de façon à mettre en évidence des caractéristiques essentielles du comportement des sols non saturés comme le phénomène d’effondrement.
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Dates et versions

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Identifiants

  • HAL Id : tel-01510742 , version 1

Citer

Nabil Abou Bekr. Modélisation du comportement mécanique et hydraulique des sols partiellement saturés. Géotechnique. Ecole Centrale Paris, 1995. Français. ⟨NNT : 1995ECAP0413⟩. ⟨tel-01510742⟩

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