L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / Experimental study of the influence of protection structures on avalanches and impact pressures Abstract: In the frame of snow avalanche protection, the optimisation of defence structure design depends on the understanding of the flow dynamics and on a exhaustive knowledge of the flow-obstacle interaction. The study presented here utilises a mainly experimental approach. Small-scale laboratory tests were combined with field measurements and observations. Dense snow avalanches are modelled by granular materials. Dry cohesionless and mono-dispersed glass beads are released down an inclined channel. Reference tests (with no obstacles) were carried out in order to characterise the flow dynamic properties, and an obstacle was then mounted and force measurements were taken. The geometry of two obstacles was tested: a large wall spanning the whole width of the flow and a narrower wall allowing lateral flows. Results showed that an influence zone forms uphill from the obstacle and plays an important role in the flow dynamics. An analysis of this zone was carried out, together with precise measurements of the flow depth (laser technique), surface velocity (PIV) and impact forces (force sensors). In relation to density currents, powder snow avalanches are modelled by a dyed salt solution flowing down an inclined channel immersed in a water tank. We investigated the influence of two different catching-dam-type obstacles on the flow behaviour with respect to reference conditions. The maximum flow height and its front and core velocity were measured by means of image processing and ultrasound Doppler velocimetry. Results mainly showed the higher effectiveness of a dam with vertical uphill face rather than inclined and underscored the importance of the velocity norm in the computation of the total incoming flow velocity. In-situ full-scale measurements complement small-scale laboratory tests. A new full-scale experimental site was implemented on the existing avalanche defence system of Taconnaz (Chamonix, France). Three breaking mounds were equipped with velocity and pressure sensors. The reference event, the rough site conditions, the need for data synchronization and remote access defined the design constraints. In December 2010, the first event was recorded, which proved that the conceived system works effectively and also provided the first set of data. Preliminary results showed very high pressure peaks with high impact pressures even for low velocity regimes and thus a drag coefficient which increases when the Froude number decreases. Isolated rocks or ice blocks struck the sensors, contributing significantly to the total energy released by the avalanche. This work provided effective inputs for numerical and analytical models and enhanced the current knowledge of avalanche dynamics in order to optimise the future design guidelines for avalanche protection structures. Keywords: Snow avalanches, impact pressure, laboratory experiments, dense avalanches, granular flows, influence zone, dead zone to granular jump transition, powder avalanches, density currents, ultrasound Doppler velocimetry, full-scale measurements.

Ce travail de thèse s'intéresse au comportement mécanique des merlons pare-blocs à technologie cellulaire. Ces ouvrages de génie civil sont construits en surélévation et placés sur la trajectoire potentielle des blocs rocheux, en amont des zones à protéger. Le caractère cellulaire est offert par l'utilisation de gabions (géocellule) alliant une enveloppe grillagée et un matériau de remplissage granulaire de type pierres concassées, mélange de sable et de déchiquetas de pneus ou encore ballast. L'absence de méthodes de dimensionnement relatives à ce type de structure a conduit à la création du projet de recherche ANR REMPARe alliant expérimentations et modélisations numériques multi-échelles. Dans le cadre de ce projet et dans la continuité des précédents travaux, deux dispositifs expérimentaux ont été développés, l'un permettant d'étudier le comportement d'une structure à échelle réduite constituée d'un assemblage de cellules, l'autre permettant d'étudier le comportement de merlons à échelle réelle. Il apparait que le comportement des structures est conditionné par les matériaux mis en œuvre et par les conditions aux limites. L'efficacité des structures est évaluée à travers leur capacité à dissiper l'énergie d'impact en concentrant les dégradations au parement et en réduisant les déformations et les contraintes transmises à la partie arrière. Les résultats des expérimentations fournissent une base données pour le calage et la validation de modèles numérique développés en parallèle. Le retour d'expérience permet d'élaborer des prescriptions pour la construction, le suivi et la maintenance de ces ouvrages. / This study focuses on the mechanical behavior of cellular rockfall protection structures. These engineering structures are constructed in elevation and placed on the potential trajectory of falling boulders, upslope areas to be protected. The cellular character is provided by the use of gabions (geocell) combining a mesh and different types of granular filling materials : crushed stones, mixture of sand and shredded tires or ballast. The lack of design methods for this type of structure has led to the creation of the research project ANR REMPARe, combining multi-scale experiments and numerical modeling. As part of this project and in the following of previous works, two experimental devices were developed, one to study the behavior of a small-scale structure consisting of an assembly of cells, the other to study the behavior of full-scale structures. It appears that the behavior of structures is conditioned by the materials used and the boundary conditions. The effectiveness of the structures is assessed through their ability to dissipate the impact energy by concentrating the damage in the front part and reducing the stresses and strains transmitted to the back part. The experimental results provide a database for calibration and validation of numerical models developed in parallel. The feedback allows to establish requirements for construction, monitoring and maintenance of these structures.

En zone de montagne, les avalanches de neige menacent les personnes et également les structures de génie civil. Ce travail de thèse se focalise sur une structure de protection en BA (Béton Armé) de type mur en L. L'objectif est de caler et valider un modèle EF (Elément Fini) 2D afin d'étudier le comportement de tels ouvrages sous l'effet de champs de pression induits par des avalanches de neige dense et d'évaluer leur vulnérabilité face à cet aléa naturel. Quatre lois de comportement décrivant la rhéologie du béton ont été testées en vue de reproduire le plus précisément possible la ruine du mur en BA. Un modèle physique de la structure à échelle 1/6 a permis, via un test pushover, d'obtenir des données expérimentales utiles pour le calage des modèles EF proposés. Seulement deux des lois de comportement ont permis de converger vers un mode de ruine pertinent et en accord avec les observations expérimentales. Le modèle EF une fois calé a ensuite été utilisé afin d'investiguer la réponse mécanique de l'ouvrage sous sollicitation avalancheuse. En fonction de l'impulsion du signal de chargement, trois régimes peuvent être obtenus (quasi-statique, dynamique et impulsionnel). Dans le cas d'une avalanche de neige dense, les résultats montrent que la réponse mécanique de la structure en question peut être considérée comme quasi-statique. Toutefois, les signaux avalancheux dépendant de nombreux facteurs (type d'avalanche, densité, température, etc.), différents types de réponses peuvent potentiellement se développer. Pour finir, la vulnérabilité et la fiabilité du mur en BA ont été étudiées afin de préciser l'influence d'une part de la géométrie et d'autre part des caractéristiques des matériaux sur la capacité de protection qu'offre ce type d'ouvrage. In fine, ces résultats pourront être utilisés dans un cadre de gestion intégrée du risque. / Snow avalanches threaten people and also different types of civil engineering structures in mountainous areas. This PhD thesis focuses on a protective RC (Reinforced Concrete) structure consisting of an L-shaped wall. The objective of this study is to calibrate and validate a 2D FE (Finite Element) model in order to explore the mechanical behavior of such RC structures loaded by snow avalanche pressure fields and to assess their vulnerability when exposed to this kind of natural hazard. Four constitutive laws describing the concrete rheology were tested to describe the collapse of the RC wall. A physical 1/6-scale model permitted obtaining, via a pushover test, useful experimental data for the calibration of the proposed FE models. Two concrete models allowed converging to a relevant collapse of the structure in agreement with the experimental observations. Then, the calibrated FE model was used to investigate the mechanical response of the wall under avalanche loading. According to the impulse of the loading signal, three regimes can occur (quasi-static, dynamic or impulsive). In the case of dense-snow avalanches, the results show that the mechanical response of this structure can be described as quasi-static. However, avalanche signals depend on many factors (type of avalanche, density, temperature, etc.) and several types of responses can potentially develop. Finally, the vulnerability and the reliability of the RC wall were studied to show the influence of the geometry and the material properties on the capacity of the protective structure. In fine, these results will be used in an integrated risk framework in order to help decision makers.

Les risques naturels tels que les laves torrentielles constituent des menaces réelles pourles zones urbanisées de montagne. Les bâtiments et infrastructures peuvent être exposésà de grandes forces d’impact en cas d’évènement extrême. La réduction de cette menace,par des ouvrages de protection, impose de quantifier l’impact de ces écoulements sur lesstructures, qu’elles soient flexibles ou rigides.Tout d’abord, un écoulement granulaire sec, composé de particules non-sphériquesglissant sur un plan incliné, est modélisé en utilisant une loi de contact visco-élastiqueavec critère de rupture de Mohr-Coulomb. Des données expérimentales de la littératureont été utilisé pour calibrer et valider le modèle. À cette fin, la forme de la particule,l’épaisseur de l’écoulement et la forme finale du dépôt sur le mur sont considerés. Lavalidation est basée sur l’impact sur un mur rigide divisé en six segments. La principalecontribution de la force totale normale appliquée sur le mur est due à la composantedynamiques. La distribution hétérogène de la force normale sur chaque partie du murest due au développement des chaînes de force différent pour chaque arrangement desparticules.Ensuite, un filet est modélisé en utilisant des éléments cylindriques. L’impact sur lefilet est modélisé en utilisant le même modèle d’écoulement que précédemment. Le rôledes dissipateurs d’énergie apparaît essentiel pour réduire la force d’impact sur le filet etlimiter la force appliquée sur les points d’ancrage latéraux.Pour la première fois, des simulations montrent que pour un même écoulementgranulaire la force d’impact est plus élevée pour un obstacle rigide, avec une différencede 50% par rapport à un obstacle flexible. les simulations permettent de définir quelquesrecommandation pour le dimensionnement des filets. Il est constaté que l’utilisationviiid’un maillage de filet plus petit que D90 de l’écoulement est acceptable en termes decapacité à retenir les matériaux en écoulement. En plus, si le câble en bas du filet n’estpas fixé, le filet pourrait perdre totalement sa capacité de retenue. / Natural hazards such as debris flows are real threat to the urbanization of mountainousareas. Local communities and infrastructures can be exposed to large impact forces inextreme debris events. Mitigation of such threats requires, along other measures, theestimation of the impact of such flows on protection structures (rigid walls and flexiblebarriers). In this thesis, Discrete Element Method (DEM) is used to model the granularflow, the rigid walls and flexible barriers.First, a dry granular flow made of non-spherical particles flowing in inclined plane ismodeled using a visco-elastic contact law with Mohr-Coulomb failure criterion. Experimentaldata from the literature is used to calibrate and validate the model. The modelis calibrated based on the shape of the particle, the flow thickness and the final shapeof the deposit on the wall. Validation procedure is based on the impact on a rigid walldivided into six segments. The main contribution of total normal force applied on thewall is found to be due to the dynamic component. On the micro-scale, development offorce chains is believed to cause heterogeneous distribution of normal force on each partof the wall, for multiple same-test conditions.Next, a flexible barrier is modeled using cylindrical elements. The impact on thebarrier is modeled using the same flow model used for wall-impact problem. The use ofenergy dissipators is found to be essential for minimizing the impact force on the barrier,and thus controlling the force applied on the lateral anchors.By comparing a rigid wall and a flexible barrier for the same flow, we found thatthe rigid wall is exposed to higher impact force, due its high global stiffness comparedwith the flexible barrier. Next, different simulations are carried out to recommend designguidelines for the flexible barrier. It is found that using a mesh size as large as D90 of theviflow is acceptable in terms of mass retaining capacity. In addition, not fixing the bottomcable of flexible barriers might lead to the total loss of its retaining capacity in extremeevents.