Discrete element modeling of composites soil-geosynthetics structures: application to trench anchorages at the top of slopes
Modélisation du comportement d'ouvrages composites sol-géosynthétique par éléments discrets: application aux ancrages en tranchées en tête de talus
Résumé
Many earthworks associate a soil with polymeric sheets called "geosynthetics". The behaviour of such structures is largely governed by the mechanisms that occur at the soil-geosynthetic interfaces - with large relative displacements - and is characterized by a high deformability. Continuous approaches face major issues for the modelling of such structures. That is why we propose to model them using a discrete element method (DEM). In the DEM, the soil is simulated as a bidimensional particles assembly. It simplifies many problems encountered by the continuous approaches, but causes new problems to be solved. How to choose the micromechanical parameters of the model (contact laws) when the soil is characterised at the macroscopic scale only ? And how to model a geosynthetic sheet with elements dedicated to the modelling of granular materials ? To answer the first question, we propose an approach based on the concept of "macroscopic analogy". Biaxial compression tests are simulated to calibrate the model, to deduce scaling laws, and to select DEM parameters so that the macroscopic behaviour of the soil is correctly simulated. Due to the lack of satisfying answers for the second question, a numerical model is developed specifically to simulate the behaviour of geosynthetics ( DSEM). By coupling the DEM and the DSEM, we can study soil-geosynthetic structures. The case of geosynthetic anchor trenches, for which reliable design methods are required, is studied by this mean. The comparison between the simulations and true-scale pull-out tests shows that the proposed modelling can give good results, both qualitatively and quantitatively. The analysis of the failure mechanisms highlights the shortcomings of current design methods and, finally allows us to propose a set of equations for the design of anchor trenches.
De nombreux ouvrages géotechniques sont réalisés en associant à un sol des nappes polymères appelées géosynthétiques. Leur comportement mécanique est largement régi par les mécanismes d'interface sol-géosynthétique - avec d'importants déplacements relatifs - et caractérisé par une grande déformabilité. Les approches de type "milieu continu" posant dans ce cas des problèmes importants, on propose une modélisation par la méthode des éléments discrets (DEM), dans laquelle le sol est représenté par un assemblage de particules bidimensionnelles. Si la DEM permet bien de résoudre certains des problèmes rencontrés par les approches de type "milieu continu", elle pose aussi de nouvelles questions. Comment caler les paramètres micromécaniques du modèle (lois de contact entre particules) quand le comportement du sol est exclusivement caractérisé à l'échelle macroscopique ? Et comment modéliser un géosynthétique avec des éléments initialement destinés à l'étude des milieux granulaires ? Pour répondre à la première question, nous proposons ici une approche par "analogie macroscopique". Des essais biaxiaux de compression sont simulés pour calibrer le modèle, déduire des lois d'échelle, et déterminer des paramètres micromécaniques tels que le comportement macroscopique induit approche celui du sol réel. Faute de réponse satisfaisante à la deuxième question, nous développons un modèle spécifiquement destiné à simuler le comportement des géosynthétiques (modèle DSEM). Le couplage DEM-DSEM peut ensuite être appliqué à l'étude des ancrages géosynthétiques en tranchées, ouvrages pour lesquels des méthodes de dimensionnement fiables font défaut. On montre par comparaison avec des essais en vraie grandeur que les résultats des simulations sont satisfaisants tant sur le plan qualitatif que quantitatif. L'analyse des mécanismes de rupture simulés permet d'expliquer les déficiences des méthodes de dimensionnement actuelles et, finalement, de proposer des expressions analytiques mieux adaptées.