Thèse de doctorat : sciences. Génie civil : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. / 91 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Génie civil : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2006. / Titre provenant de l'écran titre. 91 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Génie civil : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2004. / 153 réf.

Thèse de doctorat : sciences. Génie civil : Ecully, Ecole centrale de Lyon : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. 153 réf.

Le transfert de chaleur dans les sols est généralement gouverné par la conduction. Cependant, dans les matériaux d’enrochement, la taille des pores est suffisamment grande pour permettre le mouvement de l’air soit par un gradient de pression (convection forcée) ou par un gradient de température (convection naturelle). Il a été montré dans de précédentes études que la convection influence grandement le transfert thermique dans les enrochements d’ouvrages de génie civil tels que les routes, les voies ferrées ainsi que les remblais de barrages construits dans les régions froides (Goering et Kumar, 1996 ; Saboundjian et Goering, 2003 ; Konrad et al., 2006). Le paramètre qui influence le plus la convection est la perméabilité intrinsèque du matériau. Au cours de recherches précédentes, Côté et Fillion (Fillion, 2008 ; Côté et al., 2011b) ont mis au point une cellule de test où les conditions permettant la convection naturelle ont été appliquées à un échantillon de matériau de 1 m3, dans le but de mesurer sa perméabilité intrinsèque. L’analyse des résultats expérimentaux a été faite en utilisant une relation analytique entre les nombres de Nusselt (Nu) et de Rayleigh (Ra), relation basée sur les résultats de Schubert et Strauss (1979) et valide pour une cellule imperméable et aux parois adiabatiques. En comparant les résultats avec les valeurs issues de modèles théoriques, un biais a été mis en évidence. Biais qui aurait pu être causé par la relation analytique utilisée et qui ne serait pas adaptée au montage expérimental dont le comportement n’est pas adiabatique. Dans ce mémoire, les transferts de chaleur à l’intérieur de la cellule expérimentale sont recréés en utilisant une modélisation numérique par éléments finis de la cellule expérimentale. Une nouvelle relation entre les nombres de Nusselt et de Rayleigh adaptée à la cellule est établie et les résultats expérimentaux de Fillion (2008) sont ensuite ré-analysés avec cette nouvelle relation. Les nouvelles mesures de la perméabilité intrinsèque sont ensuite comparées en fonction du modèle utilisé avec les résultats obtenus expérimentalement par Fillion (2008) et par les relations théoriques.

Les enrochements sont des matériaux granulaires constitués de blocs rocheux dont la taille peut atteindre plusieurs dizaines de centimètres. Les barrages en enrochements, constitués par ces matériaux grossiers, présentent des déformations relativement importantes au cours du temps et peuvent également tasser au moment de leur remplissage ou lors d'une crue accidentelle. Ces déformations semblent liées à des ruptures de blocs à l'intérieur de l'ouvrage, mais ne sont malheureusement pas connues après la construction. <br /><br />La prévision de ces tassements est donc particulièrement importante pour s'assurer de l'intégrité structurelle de l'ouvrage à long terme.<br /><br />Le comportement des matériaux granulaires étant fortement lié à la nature discrète du milieu, un modèle discret est proposé afin de prendre en compte les particularités des enrochements avec des paramètres locaux au sens physique clairs. Les phénomènes de rupture sont les principales caractéristiques des enrochements. La démarche retenue dans ce travail s'est attachée à développer un modèle numérique discret capable de prendre en compte la fissuration progressive et différée des blocs rocheux. Chaque bloc est représenté par un assemblage de particules, initialement liées par une cohésion qui peut diminuer progressivement au cours du chargement. Un modèle d'endommagement interfacial est proposé pour décrire cette décroissance progressive au cours du temps. Le modèle comporte deux surfaces seuil (endommagement et de rupture). Un temps caractéristique d'endommagement règle la vitesse d'endommagement. L'effet de l'eau est introduit par couplage avec les paramètres du modèle de cohésion, par la diminution des forces de pesanteur et du coefficient de frottement local. La modélisation adoptée est de type « Non Smooth Contact Dynamics », où les grains et particules sont supposés rigides. Le modèle est implémenté sur la plateforme logicielle LMGC90. <br /><br />Des simulations numériques à l'échelle des contacts, à l'échelle du bloc et à l'échelle de l'enrochement sont effectuées. Des premières simulations consistent à simuler un ensemble de blocs rocheux incassables placés dans une colonne d'enrochements progressivement remplie en eau. Les simulations révèlent que la prise en compte du déjaugeage et d'une diminution réaliste du coefficient de frottement local ne génèrent que des déplacements faibles dans le milieu. Ces simulations permettent de vérifier que le phénomène essentiel à l'origine des tassements dans un barrage en enrochement est lié à la rupture des blocs rocheux.<br /><br />Des simulations de compression de blocs cassables (constitués de particules) et de compression œdométrique d'un ensemble de ces blocs sont réalisées. Les essais montrent que le temps caractéristique d'endommagement permet de mettre à l'échelle le comportement du matériau. Les résultats indiquent que l'histoire des évènements de rupture et des déformations sont bien corrélées. Les simulations numériques d'essais de compression œdométrique d'enrochements modèles de barrage mettent en évidence des réponses assimilables au fluage ou à la relaxation. Ces essais reproduisent les phénomènes de base avec très peu de paramètres.

Cette thèse contribue au domaine des déformations post-construction des barrages en enrochement. D’abord, en étudiant le comportement in situ en compression de l’enrochement, il a été révélé que la compressibilité à court terme et la compressibilité en fonction du temps de l’enrochement sont reliés. De plus, la résistance à la compression simple (RCS) de la roche-mère et l’indice des vides de l’enrochement sont deux paramètres clés qui déterminent la compressibilité in situ de l’enrochement. Ainsi, ces paramètres, en plus du comportement des matériaux de remplissage pendant la construction (quantifiées par le module de déformation), ont été utilisés pour présenter des lignes de tendance pour prédire les déformations post-construction de différents types de barrages en enrochement. En considérant une base de données de 19 barrages en enrochement avec masque amont en béton et 22 barrages en enrochement zoné avec noyau en terre et en évaluant des tassements pendant et après la construction des lignes de tendance établissant un rapport entre les déformations post-construction et le comportement observé lors de la construction ont été développées. Dans les lignes directrices présentées, les tassements peuvent être obtenus séparément pour chacune des trois phases du cycle de vie des barrages : avant, pendant et après la mise en eau. De plus, le point zéro du temps pour les déformations en fonction du temps a été redéfini pour chaque phase. Lors du calcul des modules de déformation, les géométries de remblai ont été prises en compte en considérant un facteur de réduction pour les contraintes verticales à l'intérieur des remblais. Cette étude fournit une bonne base pour caractériser et estimer le comportement de l’enrochement pendant et après la construction des barrages en enrochement. Les tendances présentées montrent qu’en plus de surmonter les difficultés reliées aux méthodes actuelles (y compris les essais au laboratoire, les modélisations numériques, et des méthodes empiriques), les approches proposées sont précises et très pratiques. Cette recherche permet également une meilleure compréhension des mécanismes de déformation de l’enrochement. Outre l'utilisation de ces méthodes comme outils prédictifs des tassements, les relations présentées peuvent être utilisées afin de détecter un comportement atypique d'un barrage en enrochement au cours de sa durée de vie. / This thesis contributes to the area of post-construction deformations of rockfill dams. First, by studying the in-situ compression behavior of rockfill, it was revealed that the rockfill short-term compressibility and time-dependent compressibility are connected. Additionally, unconfined compressive strength (UCS) of parent rock and the rockfill void ratio are two key parameters that determine the in-situ (short-term and time-dependent) rockfill compressibilities. Thus, these parameters, besides the fill materials behavior during construction (quantified by defining deformation modulus) were used to present guidelines for predicting post-construction deformations of different types of rockfill dams. In other words, by gathering a comprehensive data base of 19 concrete face rockfill dams and 22 earth core rockfill dams and evaluating settlements during and after construction, trend lines were developed which relate the post-construction settlements to the observed behavior during construction. In the presented guidelines, settlements are obtainable separately for each of the three dams’ life cycle phases: before, during and after impoundment. Additionally, the time datum for time-dependent deformations was redefined for each phase. When calculating the material moduli, the embankment geometries were taken into account by introducing a reduction factor for vertical stresses inside embankments. This study provides a good framework for characterizing and estimating the behavior of rockfill during and after construction of embankments. The trend lines presented based on behavior of numerous rockfill dams show that, in addition to addressing some limitations of previous methods (including laboratory testing, numerical modeling, and empirical methods), the approach proposed for predicting post-construction settlements is accurate and highly practical. This research also permits a better understanding of rockfill deformation mechanisms. Apart from using the presented method for predictive purposes, the presented graphs can be used to distinguish unexpected settlement behavior of a rockfill dam during its post-construction lifespan.