Numerical study of granular material composed by polyedric grains : quasi-static rheology, vibrationnal dynamic and application to tamping process.
Etude numérique de milieux granulaires à grains polyédriques : rhéologie quasi-statique,
dynamique vibratoire et application au procédé de bourrage du ballast.
Résumé
The present PhD work deals with numerical modelling of the tamping process on railway ballast, which is a common operation in order to restore the level of the rail tracks following differential settlement under dynamic loading, in view of micromechanical analysis of physical phenomena involved in different phases of this process. A discrete element model is developped in the framework of the contact dynamics method that allows us to simulate a full cycle of the process consisting of introducing vibrating metallic arms into the ballast, compressing the ballast under the sliders and pulling out the arms. These simulations take into account the polyhedral shape of the grains which is an important element for realistic simulations of ballast. A detailed investigation of the quasistatic rheology of granular materials with polyhedral particle shapes was performed allowing us to evidence the micrormechanical origins of the shear strength of these materials closely related to the facetedness of the particles. The vibrational dynamics of the grains was studied in interaction with a vibrating intruder and under the action of horizontal vibrations of a retaining wall. A scaling of the dynamics as a function of loading parameters is proposed by dimensional analysis and validated by simulations, as well as a characteristic frequency for optimal compaction of the material. Finally, on the basis of these investigations and parametric studies, concrete recommendations are proposed in order to improve the performance of the tamping process.
ce travail de thèse porte sur la modélisation numérique et l'analyse des mécanismes physiques en jeu lors du procédé de bourrage du ballast ferroviaire. Celui-ci consiste à remettre à niveau la voie suite aux tassements différentiels induits par les circulations des trains. Nous avons développé un modèle en éléments discrets par la méthode de dynamique des contacts qui permet de simuler un cycle complet du procédé composé de l'enfoncement des bras mécaniques, le serrage du ballast sous la traverse et le retrait des bras. Ces simulations prennent notamment en compte la forme polyédrique des grains, ce qui constitue un élément important pour une simulation réaliste de la dynamique du ballast. Une étude détaillée de la rhéologie quasi-statique des matériaux granulaires à grains polyédriques a été ainsi effectuée permettant de mettre en évidence l'origine de la résistance mécanique de ces matériaux liée à la forme facettée des grains. La dynamique vibratoire des grains a été explorée en interaction avec un outil vibrant et sous l'effet des vibrations horizontales. Ces études ont permis de proposer une mise à l'échelle de la dynamique en fonction des paramètres de chargement et de mettre en évidence une fréquence caractéristique pour une compaction optimale du milieu granulaire. Ces analyses et des études paramétriques ont permis de proposer des recommandations précises pour améliorer les performances du procédé de bourrage.
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