DÉVELOPPEMENT ET IMPLÉMENTATION D'UN
NOUVEAU MODÈLE CONSTITUTIF D'INTERFACE
AVANCÉ POUR L'APPLICATION DANS LES
PROBLÈMES D'INTERACTION SOL-STRUCTURE
Thèse
Miad Saberi
Doctorat en génie civil
Philosophiae Doctor (Ph. D.)
Québec, Canada
© Miad Saberi, 2017
DÉVELOPPEMENT ET IMPLÉMENTATION D'UN
NOUVEAU MODÈLE CONSTITUTIF D'INTERFACE
AVANCÉ POUR L'APPLICATION DANS LES
PROBLÈMES D'INTERACTION SOL-STRUCTURE
Thèse
Miad Saberi
Sous la direction de :
Charles-Darwin Annan, directeur de recherche
Jean-Marie Konrad, codirecteur de recherche
iii
RÉSUMÉ
Le comportement des interfaces entre les sols granulaires et les matériaux de construction structuraux a un impact important sur la réponse monotonique et cyclique de nombreux systèmes d'interaction sol-structure (SSI) tels que les structures de soutènement, les canalisations enterrées, les fondations superficielles et certains barrages en remblai. L'interface, en tant que milieu de transition, peut présenter différents comportements complexes sous des conditions de chargements variées, y compris la localisation des contraintes et des déformations, le glissement et la séparation, l’écrouissage / écrouissage négatif, la dilatance, la contraction accumulative, la dégradation des contraintes et la rupture des particules. Comprendre la mécanique et la modélisation de ces zones d'interface est une étape importante pour une conception et une analyse sûres et efficaces des problèmes d’interaction sol-structure.
Cette thèse de doctorat comporte trois phases majeures: le développement de nouveaux modèles de comportement d'interface avancés ; l’implémentation du modèle de comportement d'interface développé dans un code d'éléments finis d’usage général; et, par conséquent, l'application du modèle de comportement d'interface implémenté à l'analyse numérique de la réponse d’un barrage en enrochement avec masque en béton soumis à des mouvements sismiques du sol.
Phase de développement du modèle : Des modèles de comportement d'interface avancés
pratiques et efficaces ont été développés dans le cadre de la plasticité à deux surfaces et de la mécanique des sols à l'état critique (CSSM) et ils sont compatibles avec le concept de paramètres d'état. Le développement du modèle utilise une formulation unifiée pour simuler le comportement monotonique et cyclique des interfaces sol granulaire (sableux et graveleux)-structure pour une large gamme de masses volumiques de sol et sous différentes contraintes normales et cheminements de contraintes, en utilisant un seul ensemble de paramètres d'étalonnage. Le modèle considère la rupture des particules sous cisaillement et est capable de simuler le comportement d'interface complexe comme la transformation de
iv
phase, l’écrouissage et l’écrouissage négatif, la dégradation des contraintes, la contraction accumulative cyclique, la stabilisation de la contraction cyclique et la dépendance aux cheminements de contraintes. Le modèle d'interface nécessite huit paramètres d'étalonnage pour simuler le comportement de l'interface sol graveleux- structure, neuf paramètres pour simuler le comportement pratique des interfaces sol granulaire (sableux et graveleux)-structure et onze paramètres d'étalonnage pour les interfaces sol granulaire-graveleux)-structure en tenant compte de la rupture des particules. Tous les paramètres du modèle ont une signification physique et peuvent être facilement déterminés en utilisant des essais de cisaillement d'interface standard. Les capacités du modèle ont été validées à l'aide de données expérimentales extraites de la littérature.
Phase d’implémentation du modèle : Le modèle de comportement d'interface développé a été
implémenté dans un code d'éléments finis (FE) d’usage général (ABAQUS) sous forme d'un élément d'interface solide à couche mince. Le schéma d'intégration numérique utilisé dans la phase d’implémentation a été examiné par la simulation de différents problèmes de valeurs limites, y compris l’essai de cisaillement à un seul élément, l’essai de cisaillement par blocs coulissants et l'essai d'arrachement pour différentes valeurs de pas de temps.
Phase d'application du modèle : Dans cette phase, les réponses statiques et sismiques des
barrages en enrochement avec masque en béton (CFRD) ont été examinées en considérant l'effet de l'interaction dalle du masque - couche d’amortissement à l'interface. Les effets des différents éléments, tels que l'approche de la modélisation de l'interface, le niveau d'eau dans réservoir et la rugosité de l'interface sur la réponse de la dalle en béton dans les CFRDs ont été évalués sous des conditions statiques et dynamiques.
Mots-clés: Interface sol granulaire-structure, géo-structures, modèle de comportement,
développement de modèles, implémentation de modèles, simulation numérique, chargement monotonique et cyclique, barrages en enrochement avec masque en béton.
v
ABSTRACT
The behavior of interfaces between granular soils and structural construction materials has an important impact on the monotonic and cyclic response of many soil-structure interaction (SSI) systems such as retaining structures, buried pipelines, shallow and deep foundations, and some embankment dams. The interface as a transition medium may experience different complex behavior under different loading conditions, including stress and strain localization, sliding and separation, stress hardening/softening, stress dilatancy, accumulative contraction, stress degradation and particle breakage. Understanding the mechanics and modeling of these interface zones is an important step towards a safe and effective design and analysis of SSI problems.
This doctoral thesis has three major phases: the development of new and efficient advanced interface constitutive models; the implementation of the developed interface constitutive model in a general-purpose finite element code; and consequently the application of the implemented interface constitutive model in the numerical response analysis of concrete-faced rockfill dam under earthquake ground motion.
Model Development Phase: Practical and efficient advanced interface constitutive models
were developed in the framework of two-surface plasticity and critical state soil mechanics (CSSM) and compatible with the concept of state parameters. The model development uses a unified formulation to simulate both monotonic and cyclic behavior of granular (sandy and gravelly) soil-structure interfaces over a wide range of soil densities and under different normal stresses and stress paths, using a single set of calibration parameters. The model considers particle breakage under shear cycles and is capable of simulating the complex interface behavior such as phase transformation, stress hardening and softening, stress degradation, cyclic accumulative contraction, cyclic contraction stabilization and stress path dependency under different loading conditions. The interface model requires eight calibration parameters to simulate gravelly soil-structure interface behavior, nine parameters to simulate the practical behavior of granular (sandy and gravel) soil-structure interfaces, and
vi
eleven calibration parameters for granular soil-structure interfaces considering particle breakage. All model parameters have physical meaning and can be readily determined using standard interface shear tests. The model capabilities were validated using experimental data collected from the literature.
Model Implementation Phase: The developed interface constitutive model was implemented
into a general-purpose finite element (FE) code (ABAQUS) in the form of a solid thin-layer interface element. The numerical integration scheme employed in the implementation phase was examined through simulation of different boundary value problems, including single element shear test, slide block shear test and shaft pullout test under different time step sizes.
Model Application Phase: In this phase, the static and seismic responses of concrete-faced
rockfill dams (CFRD) were examined considering the effect of the concrete face slab-cushion layer interaction at the interface. The effects of different elements, such as interface modeling approach, reservoir water level and interface roughness, on the response of the concrete face slab in CFRDs were evaluated under both static and dynamic conditions due to earthquake ground motion.
Keywords: granular soil-structure interface, geo-structures, constitutive modeling, model
development, model implementation, numerical simulation, monotonic and cyclic loading, concrete-faced rockfill dams
vii
TABLE DE MATIÈRE
RÉSUMÉ III
ABSTRACT V
TABLE DE MATIÈRE VII
LISTE DES TABLEAUX XIII
LISTE DES FIGURES XIV
DÉDICACE XXII REMERCIEMENTS XXIII AVANT-PROPOS XXV CHAPITRE 1 1 1. INTRODUCTION 1 GÉNÉRALITÉS 1 ÉNONCÉ DU PROBLÈME 2 OBJECTIFS DE LA RECHERCHE 5 PLAN DE LA THÈSE 7 CHAPITRE 2 11
2. ON THE MECHANICS AND MODELING OF INTERFACE BETWEEN GRANULAR
SOILS AND STRUCTURAL MATERIALS 11
AVANT-PROPOS 11
INTRODUCTION 13
EXPERIMENTAL DEVICES WIDELY USED FOR INTERFACE TESTS 14
BOUNDARY CONDITIONS IN LABORATORY INTERFACE SHEAR TEST 17
IMPORTANT ELEMENTS ON THE MECHANICAL BEHAVIOUR OF INTERFACES 18
viii
2.4.2 NORMAL STIFFNESS 22
2.4.3 SURFACE ROUGHNESS AND HARDNESS 25
2.4.4 PARTICLE BREAKAGE 31
NUMERICAL MODELING OF GRANULAR SOIL-STRUCTURE INTERFACES 35
2.5.1 CONTACT ANALYSIS METHOD 35
2.5.2 INTERFACE ELEMENTS 36
2.5.2.1 Element type 36
2.5.2.2 Interface constitutive model 39
2.5.3 DISCRETE ELEMENT METHOD (DEM) 45
CONCLUSION 46
ACKNOWLEDGMENTS 48
REFERENCES 48
CHAPITRE 3 55
3. A CRITICAL STATE TWO-SURFACE PLASTICITY MODEL FOR GRAVELLY SOIL-STRUCTURE INTERFACES UNDER MONOTONIC AND CYCLIC LOADING 55
AVANT-PROPOS 55
INTRODUCTION 56
PROPOSED INTERFACE MODEL AND CONSTITUTIVE RELATIONS 58
3.2.1 ELASTIC FORMULATION 59
3.2.2 ELASTO-PLASTIC FORMULATION 60
3.2.2.1 General interface constitutive equations 60
3.2.2.2 Model surfaces 62
YIELD SURFACE 62
CRITICAL STATE SURFACE 62
DILATANCY SURFACE 64
3.2.2.3 Plastic Modulus and Kinematic Hardening 67
PLASTIC MODULUS 67
KINEMATIC HARDENING 68
IDENTIFICATION OF MODEL PARAMETERS 69
3.3.1 ELASTICITY PARAMETERS:DT0,DN0 70
3.3.2 CRITICAL STATE PARAMETERS:𝒆𝒄𝒔 − 𝟎,𝝀, ΜCS 70
3.3.3 DILATANCY PARAMETERS:AD
,KD
71
3.3.4 KINEMATIC HARDENING PARAMETERS:KP0 72
EVALUATION OF PROPOSED MODEL 73
3.4.1 MONOTONIC BEHAVIOR 75
3.4.1.1 Gravel-concrete interface of Zipingpu CFRD (Zhang & Zhang 2008) 75 3.4.1.2 Gravel-steel interface (Zhang & Zhang 2006b; 2008) 75
3.4.2 CYCLIC BEHAVIOR 76
3.4.2.1 Gravel-concrete interface of Zipingpu CFRD (Zhang & Zhang 2008) 76 3.4.2.2 Gravel-steel interface (Zhang & Zhang 2006b; Zhang & Zhang 2008) 77
ix
ACKNOWLEDGEMENTS 81
REFERENCES 81
CHAPITRE 4 87
4. A UNIFIED CONSTITUTIVE MODEL FOR SIMULATING STRESS-PATH DEPENDENCY OF SANDY AND GRAVELLY SOIL-STRUCTURE INTERFACES 87
AVANT-PROPOS 87
INTRODUCTION 89
GRANULAR SOIL-STRUCTURE INTERFACE BEHAVIOR AND STRESS PATH 91
INTERFACE CONSTITUTIVE MODELING 93
4.3.1 INCREMENTAL STRESS-STRAIN LAWS 93
4.3.2 FLOW RULE, DILATANCY AND CRITICAL STATE 96
4.3.3 FAILURE SURFACE AND PLASTIC MODULUS 98
PARAMETER CALIBRATION 100
MODEL PERFORMANCE 103
4.5.1 SAND-STEEL INTERFACE (SHAHROUR &REZAIE 1997) 103
4.5.1.1 Constant Normal Load (CNL) tests 104
4.5.1.2 Constant Volume (CV) tests 105
4.5.2 SAND-STEEL INTERFACE (FAKHARIAN 1996;EVGIN &FAKHARIAN 1996) 108
4.5.2.1 Constant Normal Load (CNL) tests 108
4.5.2.2 Constant Normal Stiffness (CNS) tests 108
4.5.3 SAND-STEEL INTERFACE (ZEGHAL &EDIL 2002) 112
4.5.3.1 Constant Normal Load (CNL) tests 112
4.5.3.2 Constant Volume (CV) tests 113
4.5.4 GRAVEL-STEEL INTERFACE (HOU 2008) 113
CONCLUSION 115
ACKNOWLEDGMENTS 116
REFERENCES 116
CHAPITRE 5 120
5. CONSTITUTIVE MODELING OF GRAVELLY SOIL-STRUCTURE INTERFACE
CONSIDERING PARTICLE BREAKAGE 120
AVANT-PROPOS 120
INTRODUCTION 122
MECHANICS OF GRANULAR SOIL-STRUCTURE INTERFACE 124
5.2.1 ESSENTIAL CHARACTERISTICS OF INTERFACES 124
5.2.2 PARTICLE BREAKAGE 126
x
5.3.1 ELASTIC FORMULATION 127
5.3.2 ELASTO-PLASTIC FORMULATION 128
5.3.2.1 General interface constitutive equations 128
5.3.2.2 Model surfaces 129
5.3.2.3 Kinematic Hardening and Plastic Modulus 137
CALIBRATION OF PARAMETERS 138
5.4.1 ELASTICITY PARAMETERS:DT0,DN0 139
5.4.2 CRITICAL STATE PARAMETERS: E0,Λ, ΜCS 139
5.4.3 DILATANCY PARAMETERS:AD
,KD
140
5.4.4 KINEMATIC HARDENING PARAMETERS:KP0 140
5.4.5 PARTICLE BREAKAGE PARAMETERS:BR-1,BR-2 141
PERFORMANCE OF PROPOSED MODEL 141
5.5.1 GRAVEL-STEEL INTERFACE (ZHANG AND ZHANG 2006,2008,2009) 143
5.5.1.1 Monotonic loading 143
5.5.1.2 Cyclic loading 143
5.5.2 GRAVEL-STEEL INTERFACE (HOU 2008) 149
5.5.2.1 Monotonic loading 149 5.5.2.2 Cyclic loading 149 CONCLUSION 150 ACKNOWLEDGMENTS 151 REFERENCES 151 CHAPITRE 6 157
6. IMPLEMENTATION OF A SOIL-STRUCTURE INTERFACE CONSTITUTIVE
MODEL FOR APPLICATION IN GEO-STRUCTURES 157
AVANT-PROPOS 157
INTRODUCTION 159
INTERFACE CONSTITUTIVE MODELING 160
6.2.1 INCREMENTAL STRESS-STRAIN LAWS 161
6.2.2 CALIBRATION OF MODEL PARAMETERS 167
NUMERICAL IMPLEMENTATION 170
VERIFICATION AND NUMERICAL APPLICATION IN SSIPROBLEMS 174
6.4.1 SINGLE-ELEMENT INTERFACE SHEAR PROBLEM 174
6.4.2 SLIDE-BLOCK SHEAR TEST 176
6.4.2.1 Time step size effect 178
6.4.2.2 Interface debonding 179
6.4.2.3 Gravel-steel interface 180
6.4.2.4 Hostun sand-steel interface 184
6.4.2.5 Portage sand-steel interface 185
6.4.3 SHAFT-SOIL INTERFACE PULLOUT TEST 187
CONCLUSION 190
xi
REFERENCES 191
CHAPITRE 7 196
7. PERFORMANCE OF CONCRETE FACED ROCKFILL DAMS CONSIDERING THE
EFFECT OF FACE SLAB-CUSHION LAYER INTERACTION 196
AVANT-PROPOS 196
INTRODUCTION 198
NUMERICAL SIMULATION 200
7.2.1 TOULNUSTOUC CFR DAM 200
7.2.2 CONSTITUTIVE MODEL FOR ROCKFILL MATERIALS 200
7.2.3 CONSTITUTIVE MODEL FOR INTERFACE 203
7.2.4 PARAMETER IDENTIFICATION AND MODELS’ CALIBRATION 206
7.2.4.1 Slab 206
7.2.4.2 Rockfills 207
7.2.4.3 Concrete face-cushion layer interface 208
7.2.5 FINITE ELEMENT MODEL AND CONSTRUCTION PROCEDURE 210
NUMERICAL RESULTS 211
7.3.1 COMPARISON OF NUMERICAL SIMULATION AND FIELD OBSERVATION 211
7.3.2 INTERFACE ELEMENT AND CONTACT ANALYSIS 212
7.3.3 WATER LEVEL 213 7.3.4 INTERFACE ROUGHNESS 214 CONCLUSION 217 ACKNOWLEDGMENTS 219 REFERENCES 219 CHAPITRE 8 224
8. SEISMIC RESPONSE ANALYSIS OF CONCRETE FACE SLAB IN CFRDS USING AN
ADVANCED INTERFACE CONSTITUTIVE MODEL 224
AVANT-PROPOS 224 INTRODUCTION 226 TOULNUSTOUC DAM 228 MATERIAL MODEL 229 8.3.1 ROCKFILL 229 8.3.2 INTERFACE 231
IDENTIFICATION AND CALIBRATION OF MODELS’PARAMETERS 234
8.4.1 SLAB AND PLINTH 234
8.4.2 ROCKFILLS 235
8.4.3 CONCRETE FACE-CUSHION LAYER INTERFACE 236
xii
8.5.1 FE MESH AND CONSTRUCTION PROCEDURE 238
8.5.2 INPUT GROUND MOTIONS 239
8.5.3 DAMPING 240
NUMERICAL RESULTS 241
8.6.1 MODEL VERIFICATION 241
8.6.2 STATIC AND DYNAMIC RESPONSES 242
8.6.3 WATER LEVEL 243
8.6.4 INTERFACE ROUGHNESS 245
8.6.4.1 Numerical simulation of interface roughness 246
8.6.4.2 The effect of interface roughness 248
CONCLUSION 249
ACKNOWLEDGMENTS 251
REFERENCES 251
CHAPITRE 9 256
9. CONCLUSION ET PROCHAINS TRAVAUX 256
CONCLUSION 256
TRAVAUX FUTURS 262
xiii
LISTE DES TABLEAUX
Table 3.3.1. Parameter list of proposed interface constitutive model ________________ 70 Table 3.3.2. Parameter values of the interface constitutive model ___________________ 74 Table 3.3.3. Properties of gravelly interfaces ___________________________________ 74 Table 4.1 major constitutive equations of unified interface model and model parameters 101 Table 4.2 properties of sandy and gravelly soil interfaces _______________________ 104 Table 4.3 parameter values of the interface constitutive model ____________________ 105 Table 5.1. Properties of gravelly interfaces ___________________________________ 142 Table 5.2. Parameter values of the interface constitutive model ___________________ 143 Table 6.1 parameter list of proposed interface constitutive model __________________ 167 Table 6.2 pseudocode for the model implementation in abaqus ___________________ 172 Table 6.3 properties of sandy and gravelly soil interfaces _______________________ 174 Table 6.4 parameter values of the interface constitutive model ___________________ 175 Table 7.1. Model parameters for rockfill materials _____________________________ 208 Table 7.2. Model parameters for the concrete slab-cushion layer interface of cfr dam __ 210 Table 7.3. Model parameters for different interface roughness ____________________ 216 Table 8.1. Model parameters for rockfill materials _____________________________ 235 Table 8.2. Mechanical properties of the concrete face-cushion layer interface zone ____ 238 Table 8.3. Model parameters for the concrete slab-cushion layer interface of cfr dam __ 238 Table 8.4. Model parameters for different interface roughness ____________________ 247
xiv
LISTE DES FIGURES
Fig.2.1. Schematic of an interface layer in soil-structure interaction system ___________ 14 Fig.2.2. Schematic of conventional direct shear test (after uesugi et al. 1989) _________ 15 Fig.2.3. Schematic of conventional direct shear test _____________________________ 15 Fig.2.4. Schematic of ring torsion shear device (after kishida & uesugi 1987) _________ 16 Fig.2.5. Schematic of annular shear device (after fakharian 1996) __________________ 16 Fig.2.6. Schematic view of different boundary conditions in experimental study of the interface, a) constant normal load (cnl), b) constant volume (cv), and c) constant normal stiffness (cns). _______________________________________________________ 17 Fig.2.7. Schematic view of the effect of normal stress and relative density on the mechanical behavior of granular soil-structure interface with rough surface under cnl stress path, a) shear stress-tangential displacement, and b) normal displacement-tangential displacement. _______________________________________________________ 19 Fig.2.8. Cyclic behavior of an interface between a loose sand and a rough steel surface under cnl stress path with σn =500 kpa and dr=25%, a) normal displacement-tangential
displacement, and b) shear stress-tangential displacement (data from fakharian (fakharian 1996)). ____________________________________________________ 21 Fig.2.9. Accumulative contraction for a gravel-steel interface during cyclic loading under cnl stress path with σn =400 kpa (data from hou (hou 2008)). _____________________ 22
Fig.2.10. Schematic view of the effect of normal stiffness (k) on the behavior of granular soil-structure interface, a) normal tangential displacement, b) shear stress-tangential displacement, and c) normal displacement-stress-tangential displacement. ____ 23 Fig.2.11. Stress variations in cns stress path, a) a sand-steel interface with k= 800 kpa/mm and dr=88% under monotonic loading , and b) a sand-steel interface with k= 400
kpa/mm and dr=84% under cyclic loading (data from fakharian 1996). __________ 24
Fig. 2.12 definition of relative roughness (after yasufuku & ochiai 2005)) ____________ 25 Fig.2.13 effect of surface roughness on the behavior of sand-steel interface in monotonic cnl stress path with σn=200kpa and dr=90%, a) shear stress- tangential displacement, and
b) normal displacement-tangential displacement (after hu & pu 2004). __________ 26 Fig.2.14 the effect of number of cycle and surface roughness on the interface coefficient of friction (after uesugi et al. 1989). ________________________________________ 29
xv
Fig.2.15 relationship of surface roughness and surface hardness on the interface peak coefficient of friction (after frost et al. 2002). ______________________________ 30 Fig.2.16 particle breakage within the interface zone between gravelly soil and steel during cyclic loading (after zhang & zhang 2009a). _______________________________ 32 Fig.2.17 schematic of the effect of particle breakage and surface roughness interrelationship on the behaviour of granular soil-structure interface (after yasufuku & ochiai 2005).33 Fig.2.18 particle breakage and relative roughness interaction and its effect on the residual interface friction angle (after yasufuku & ochiai 2005). ______________________ 34 Fig.2.19 schematic diagram of conventional thin solid elements, a) two dimensional 4-node element and b) three dimensional 8-node element ___________________________ 37 Fig.2.20 critical state line and definition of state parameter in interface formulation ___ 43 Fig.2.21 the effect of considering particle breakage on the performance of interface constitutive modeling in the plane of normal displacement-number of cycle, a) cnl stress path, and b) cns stress path. ____________________________________________ 44 Fig.2.22 comparison of model prediction and laboratory tests, a) normal
displacement-tangential displacement under cnl stress path (data from hou 2008), and b) shear stress (τ)-normal stress (σn) under cns stress path (data from zhang and zhang 2006b; 2009a).
__________________________________________________________________ 46 Fig.3.1. Model surfaces in the plane of σn-τ ____________________________________ 63
Fig. 3.2. Critical state line and definition of state parameter in interface formulation____ 64 Fig. 3.3. Schematic view of a) volumetric behavior of dense gravel, and; b) dilation simulation in proposed model. __________________________________________ 65 Fig. 3.4. Model surfaces in the plane of σn-η ___________________________________ 68
Fig. 3.5. Calibration of elastic tangential stiffness parameter (data from zhang and zhang 2006b; 2008) ________________________________________________________ 69 Fig. 3.6. Calibration of e0-cs and λ in e-ln (σn/patm) plane (data from zhang and zhang 2006b;
2008) ______________________________________________________________ 71 Fig. 3.7. Calibration of critical state stress ratio (μcs) (data from zhang and zhang 2006b;
2008) ______________________________________________________________ 71 Fig. 3.8. Comparison between experimental data (zipingpu cfrd from zhang & zhang 2008) and model prediction for monotonic behavior of gravel-steel interface under cnl condition, a) shear stress-tangential displacement, and b) normal displacement-tangential displacement. _______________________________________________ 75 Fig. 3.9. Comparison between experimental data (zhang & zhang 2006b; 2008) and model prediction for monotonic behavior of gravel-concrete interface under cnl condition, a)
xvi
shear stress-tangential displacement, and b) normal displacement-tangential displacement. _______________________________________________________ 76 Fig. 3.10. Comparison between experimental data (zipingpu cfrd from zhang & zhang 2008) and model prediction for cyclic behavior of gravel-concrete interface under cnl condition in τ-un plane, a), σn=600 kpa, and b) σn=2000 kpa. __________________ 77
Fig. 3.11. Comparison between experimental data (zipingpu cfrd from zhang & zhang 2008) and model prediction for cyclic volumetric behavior of gravel-concrete interface under cnl condition, a), σn=600 kpa, b) σn=2000 kpa. _____________________________ 77
Fig.3.12 comparison between experimental data (zhang & zhang 2006b; 2008) and model prediction for cyclic behavior of gravel-steel interface under cnl condition (σn=700 kpa)
in τ-un plane. ________________________________________________________ 78
Fig. 3.13 comparison between experimental data (zhang & zhang 2006b; 2008) and model prediction for cyclic volumetric behavior of gravel-steel interface under cnl condition (σn=700 kpa), a) experimental data and b) model predictions. __________________ 78
Fig. 3.14 comparison between experimental data (zhang & zhang 2006b; 2008) and model prediction for cyclic behavior of gravel-steel interface under cns condition in τ-ut plane
(k=40 mpa/m and σn0=400 kpa), a) experimental data, and b) model predictions. __ 79
Fig. 3.15 comparison between experimental data (zhang & zhang 2006b; 2008) and model prediction for cyclic behavior of gravel-steel interface under cns condition in τ-ut plane
(k=40 mpa/m and σn0=400 kpa), a) experimental data, and b) model predictions. __ 79
Fig. 0.1 comparison between experimental data (zhang & zhang 2006b; 2008) and model prediction for gravel-steel interface under cns condition (k=40 mpa/m and σn0=400 kpa),
a) shear stress-number of cycle, b) normal stress-number of cycle, and c) normal displacement-number of cycle. __________________________________________ 80 Fig.4.1. Schematic view of different boundary conditions in experimental study of the interface, a) constant normal load (cnl), b) constant volume (cv),and c) constant normal stiffness (cns) _______________________________________________________ 92 Fig.4.2. Stress variables on the interface plane _________________________________ 94 Fig.4.3. Model surfaces in σn-τ plane and definition of image stress points ___________ 95
Fig.4.4 schematic view of dilation and softening simulations and phase transition line in the proposed interface model. _____________________________________________ 97 Fig. 4.5 the model predictions against experimental data for hostun sand-structure interface test (shahrour & rezaie 1997) under monotonic loading and cnl stress path with different densities; a) τ-ut with dr=90%, b) un -ut with dr=90%, c) τ-ut with dr=15%, and d) un -ut
xvii
Fig.4.6 the model predictions against experimental data for hostun sand-structure interface test (shahrour & rezaie 1997) under cyclic loading and cnl stress path with different densities; a) τ-ut with dr=90%, b) un -ut with dr=90%, c) τ-ut with dr=15%, and d) un -ut
with dr=15%. ______________________________________________________ 107
Fig. 4.7 the model predictions against experimental data for hostun sand-structure interface test (shahrour & rezaie 1997) under cyclic loading and cv stress path with dense sandy soil; a) τ-ut, and b) σn-ut. ______________________________________________ 108
Fig. 4.8 the model predictions against experimental data for medium crushed silica sand-structure interface test (fakharian 1996; evgin & fakharian 1996) under monotonic loading and cnl stress path with dense sandy soil; a) τ-ut, and b) un-ut. __________ 109
Fig.4.9 the model predictions against experimental data for medium crushed silica sand-structure interface test (fakharian 1996; evgin & fakharian 1996) under monotonic loading and cns stress path with dense sandy soil; a) τ-ut, b) σn-ut and c) un-ut. ___ 110
Fig.4.10 the model predictions against experimental data for medium crushed silica sand-structure interface test (fakharian 1996; evgin & fakharian 1996) under cyclic loading and cns stress path with dense sandy soil; a) τ-ut, b) σn-ut and c) un-ut. _________ 111
Fig.4.11 the model predictions against experimental data for portage sand-structure interface test (zeghal & edil 2002) under monotonic loading and cnl stress path; a) τ-ut, and b) un -ut. _______________________________________________________________ 112
Fig.4.12 the model predictions against experimental data for portage sand-structure interface test (zeghal & edil 2002) under monotonic loading and cv stress path; a) τ-ut, and b) σn -ut. _______________________________________________________________ 113
Fig.4.13 the model predictions against experimental data for gravel-structure interface test (hou 2008) under monotonic loading and cnl stress path; a) τ-ut, and b) un-ut. ____ 114
Fig.4.14 the model predictions against experimental data for gravel-structure interface test (hou 2008) under cyclic loading and cnl stress path; a) τ-ut, and b) un-ut. ________ 115
Fig.5.1. Schematic of an interface layer in soil-structure interaction system __________ 124 Fig.5.2. Schematic of stress components on the interface plane ___________________ 125 Fig.5.3. Model surfaces in the plane of σn-τ ___________________________________ 130
Fig.5.4. Critical state line and definition of state parameter in interface formulation ___ 132 Fig.5.5 particle breakage and critical state line under one-dimensional compression test (adopted from konrad 1998). __________________________________________ 132 Fig.5.6. Translation of critical state line (csl) due to particle breakage and an increase in uniformity coefficient (cu) ____________________________________________ 133
xviii
Fig.5.7. Schematic view of a) volumetric behavior of dense gravel interface, and b) dilation simulation in proposed model. _________________________________________ 135 Fig.5.8. Schematic view of different boundary conditions in experimental study of the interface __________________________________________________________ 142 Fig.5.9. Prediction of monotonic behavior under cnl test (zhang and zhang 2006, 2008, 2009).
_________________________________________________________________ 144 Fig.5.10. Prediction of cyclic behaviour under cnl test with σn=700 kpa (zhang and zhang
2006, 2008, 2009). __________________________________________________ 144 Fig.5.11. Prediction of cyclic behaviour under cnl test with σn=800 kpa (zhang and zhang
2006, 2008, 2009). __________________________________________________ 145 Fig.5.12. Prediction of cyclic behaviour under cns test with k=40 kpa/mm and σn0=400 kpa
(zhang and zhang 2006, 2008, 2009). ____________________________________ 146 Fig.5.13. Prediction of cyclic behaviour under cns test with k=50 kpa/mm and σn0=500 kpa
(zhang and zhang 2006, 2008, 2009). ____________________________________ 147 Fig.5.14. Degree of particle breakage against number of cycle under cnl test (zhang & zhang 2009a) ____________________________________________________________ 148 Fig.5.15. Prediction of monotonic behavior under cnl test (hou 2008). ______________ 148 Fig.5.16. Prediction of cyclic behavior under cnl test with σn=400 kpa (hou 2008). ____ 150
Fig. 6.1schematic diagram of conventional thin solid elements, a) two dimensional 4-node element and b) three dimensional 8-node element __________________________ 159 Fig. 6.2 model surfaces illustrated in σn-τ plane and definition of image stress points. __ 162
Fig. 6.3 schematic evolution of dilatancy and failure surfaces in the plane of τ-σn _____ 165
Fig. 6.4 schematic view of single-element interface shear test ____________________ 175 Fig. 6.5 comparison of model simulation for monotonic behavior of gravel-steel interface under cnl stress path (data from zhang and zhang 2006, 2008, 2009a). __________ 176 Fig. 6.6 numerical simulation of slide-block test, a) cnl stress path and b) cns stress path.
_________________________________________________________________ 177 Fig. 6.7 the effect of time step size (displacement increment size) on the numerical simulation of a gravelly soil-structure interface behavior under cnl stress path with σn=400kpa, a) shear stress-tangential displacement, and b) normal displacement-tangential displacement. ______________________________________________________ 179 Fig. 6.8 numerical simulation of bonding, debonding and rebonding _______________ 180 Fig. 6.9 comparison of model simulation for cyclic behavior of gravel-steel interface under cnl stress path (data from zhang and zhang 2006, 2008, 2009a). _______________ 181
xix
Fig. 6.10 comparison of model simulation for cyclic behavior of gravel-steel interface under cns stress path (data from zhang and zhang 2006, 2008, 2009a). ______________ 182 Fig. 6.11 comparison of model simulation for cyclic stress degradation behavior of
gravel-steel interface under cns stress path (data from zhang and zhang 2006, 2008, 2009a). _________________________________________________________________ 183 Fig. 6.12 comparison of model simulation and experimental observation for the degree of particle breakage (br), a) grain size distributions before and after shear cycles (data from
zhang and zhang 2009a) and b) br against number of shear cycles (n). _________ 184
Fig. 6.13 comparison of model simulation for monotonic behavior of hostun sand-steel interface under cnl stress path (data from shahrour and rezaie, 1997). __________ 184 Fig. 6.14 comparison of model simulation for cyclic behavior of hostun sand-steel interface under cnl stress path with σn=-100 kpa (data from shahrour and rezaie, 1997). ___ 185
Fig. 6.15 comparison of model simulation for monotonic behavior of sand-steel interface under cnl stress path (data from zeghal and edil 2002). ______________________ 186 Fig. 6.16 comparison of model simulation for mon,otonic behavior of sand-steel interface
under cv stress path (data from zeghal and edil 2002). ______________________ 187 Fig. 6.17 schematic of shaft-sand interface pullout model. _______________________ 188 Fig. 6.18 contour of absolute shear stress and displacement normal to the interface in
shaft-soil interface pullout numerical model (σv=-69 kpa and σh=-69 kpa). ___________ 189
Fig. 6.19 comparison of model simulation for shaft-soil interface pullout test (data from zeghal and edil 2002). ________________________________________________ 190 Fig. 7.1. Typical cross section of toulnustouc dam _____________________________ 200 Fig. 7.2. Yield surfaces of the cap plasticity model in p–t plane ___________________ 201 Fig. 7.3. Flow potential surface in p–t plane __________________________________ 202 Fig. 7.4. Model surfaces in the plane of σn-τ __________________________________ 205
Fig. 7.5. Comparison of model prediction and experimental test for the rockfill material (data from marachi et al. 1972), a) q-εa, and b) εa-εv. ____________________________ 207
Fig. 7.6. Comparison of interface model prediction and experimental test for the concrete slab-cushion layer interface zone of cfr dam under constant normal load (cnl) condition (data from zhang and zhang (2006b), a) τ-ut, and b) un-ut. ____________________ 210
Fig. 7.7. Contours of settlement during construction at different stages in numerical simulation, a) after sub-step 7, b) after sub-step 11, and c) after impoundment. ___ 211 Fig. 7.8. Comparison between the numerical simulations and field observations during impoundment, a) concrete face deflection, and b) crest settlement. _____________ 212
xx
Fig. 7.9. Numerical predictions of concrete slab stresses using contact analysis and interface element for face slab-cushion layer interface zone, a) compressive slope direction stress, and b) compressive horizontal stress. ____________________________________ 212 Fig. 7.10. Water level effect on the responses of concrete face slab in the cfr dam, a) compressive slope direction stress, and b) compressive horizontal stress. _______ 213 Fig. 7.11. Water level effect on the face slab deflection in the cfr dam ______________ 214 Fig. 7.12. Graphical interpretation of roughness _______________________________ 215 Fig. 7.13. Numerical prediction of granular soil-structure interfaces with different roughness under a constant normal load test (cnl) with the normal stress σn=1000 kpa, a) shear
stress (τ)-tangential displacement (ut), and b) normal displacement (un)-tangential
displacement (ut). ___________________________________________________ 217
Fig. 7.14. Interface roughness effect on the responses of concrete face slab in the cfr dam, a) compressive slope direction stress, and b) compressive horizontal stress. _______ 217 Fig. 7.15. Interface roughness effect on maximum face slab stresses in the cfr dam ___ 218 Fig. 8.1. A general view of the toulnustouc dam (from hydro-quebec 2006) _________ 228 Fig. 8.2. Typical cross section of toulnustouc dam _____________________________ 229 Fig. 8.3. Cap plasticity surfaces in p–t plane, a) yield surfaces and b) flow potential __ 230 Fig. 8.4. Comparison of model prediction and experimental test for the rockfill material ( data from marachi et al. 1972), a) q-εa, and b) εa-εv. ________________________ 236
Fig. 8.5. Comparison of interface model prediction and experimental test for the concrete slab-cushion layer interface zone of cfr dam under monotonic constant normal load (cnl) condition (data from zhang & zhang 2006b), a) τ-ut, and b) un-ut. ______________ 239
Fig. 8.6. Comparison of interface model prediction and experimental test for the concrete slab-cushion layer interface zone of cfr dam under cyclic constant normal load (cnl) condition with σn=2000 kpa (data from zhang & zhang 2006b), a) τ-ut, and b) un-ut. 240
Fig. 8.7. Contours of settlement during construction at different stages in numerical simulation, a) after sub-step 7, b) after sub-step 11, and c) after impoundment. ___ 241 Fig. 8.8. Horizontal acceleration response spectra for the two earthquake records and quebec target spectrum _____________________________________________________ 241 Fig. 8.9. Input ground motion time history, a) nhn station, and b) ccn station ________ 242 Fig. 8.10. Comparison between the numerical simulations and field, a) crest settlement, b) crest horizontal displacement and c) concrete face deflection. ________________ 243 Fig. 8.11. Comparison of static and seismic responses of concrete face slab, a) max. Slab deflection under nhn record, a) max. Slab deflection under ccn record, c) max.
xxi
Compressive slope direction stress under nhn record, d) max. Compressive slope direction stress under ccn record, e) max compressive horizontal stress under nhn record, and f) max compressive horizontal stress under ccn record. ____________ 244 Fig. 8.12. Reservoir water level effect on the responses of concrete face slab, a) max. Slab deflection under nhn record, a) max. Slab deflection under ccn record ,c) max. Compressive slope direction stress under nhn record, d) max. Compressive slope direction stress under ccn record, e) max compressive horizontal stress under nhn record, and f) max compressive horizontal stress under ccn record. ____________ 245 Fig. 8.13. Stress time history responses of concrete face slab under different reservoir water level, a) slope direction stress under nhn record, b) slope direction stress under ccn record, c) horizontal stress under nhn record, and d) horizontal stress under ccn. __ 246 Fig. 8.14. Numerical prediction of granular soil-structure interfaces with different roughness under a constant normal load test (cnl) with the normal stress σn=1000 kpa, a) shear
stress (τ)-tangential displacement (ut), and b) normal displacement (un)-tangential
displacement (ut). ___________________________________________________ 248
Fig. 8.15. Numerical predictions of shear stress (τ) vs. Tangential displacement (ut) for the
interfaces with different roughness using the interface model under a constant normal load test (cnl) with the normal stress σn=1000 kpa. _________________________ 248
Fig. 8.16. Numerical predictions of tangential displacement (ut) vs. Normal displacement
(un) for the interfaces with different roughness using the interface model under a
constant normal load test (cnl) with the normal stress σn=1000 kpa, a) very rough, b)
medium rough, c) rough, d) smooth, e) medium smooth, and f) very smooth. ____ 249 Fig. 8.17. The interface roughness effect on the maximum compressive stresses of face slab in cfr dams under earthquake excitation, a) nhn seismic record, and b) ccn seismic records. ___________________________________________________________ 250 Fig. 8.18. Interface roughness effect on the responses of concrete face slab in the cfr dam, a) compressive direction stress under nhn seismic record, b) compressive slope-direction stress under ccn seismic record, c) compressive horizontal stress under nhn seismic record, and d) compressive horizontal stress under ccn seismic record. __ 250
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DÉDICACE
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REMERCIEMENTS
Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à mes superviseurs Professeur Charles-Darwin Annan et Professeur Jean-Marie Konrad pour l’orientation, la confiance, la patience qui a constitué un apport considérable sans lequel ce travail n’aurait pas pu être mené au bon port.
Professeur Annan a toujours été un excellent mentor et conseiller pour moi pendant mon travail de doctorat, et un ami proche de ma vie. J'ai été extrêmement chanceux d'avoir un superviseur qui aimait tant mon travail, et a répondu à mes questions et requêtes aussi rapidement. Je suis profondément reconnaissant pour nos discussions approfondies qui ont été autrefois hors de ses heures de travail, et même dans les jours fériés. Je voudrais exprimer ma profonde gratitude au professeur Annan pour sa confiance en moi et son aide pour améliorer mes compétences de pensée critique et de stimuler la confiance en moi. J'ai appris beaucoup de lui au sujet de la façon dont peut être un chercheur professionnel. Je suis redevable à lui pour le reste de ma vie.
Professeur Konrad a été l'une des personnes les plus remarquables que je connaisse. Ses idées novatrices, des idées nouvelles, des connaissances plus profondes dans la géotechnique et la dévotion de son temps précieux m'ont encouragé beaucoup au cours de mon étude. Je tiens à exprimer mes énormes salutations à lui pour me donner la confiance et la liberté d'explorer les différentes théories et d'élargir mes connaissances.
Je tiens aussi à exprimer ma profonde gratitude au Professeur Ali Laskari. Les discussions scientifiques et des suggestions précieuses par le professeur Lashkari et sa contribution à ma compréhension de la modélisation du comportement du sol sont sincèrement appréciées. Je tiens à remercier les membres de mon comité, Professeur Mason Ghafghazi, Dr. Marc Smith et Dr. Younes Salami, pour leurs conseils et critiques, ce qui a contribué à améliorer mon travail.
xxiv
Je remercie spécialement Neda pour son amour et soutien et mes sincères remerciements à mes amis et collègues Bruce Gandhi Menu, Mahmoud Trimech et Monsieur Luc Boisvert. Je tiens également à exprimer ma reconnaissance à d'autres de mes amis Amoushahi Arabzadeh Sina, Hamid, Mohammad Kermani et Vahid Shahsavari pour leur aide, discussion et soutien au cours de mon étude.
Je tiens aussi à exprimer mon plus reconnaissance et grâce à mes parents aimants, Ali et Fatemeh, qui ont toujours soutenu moi comme un pilier en cas de besoin et à qui je dois ma vie pour leur amour constant, l'encouragement, le soutien moral et les bénédictions. Un énorme merci à ma belle-sœur, Misagh, pour son généreux soutien et gentillesse lors de ma vie et d'étude et beaucoup de gratitude à elle pour me faire un oncle avec sa jolie fille, Pania. Un merci spécial à mon merveilleux frère, Mahan, et mon beau-frère, Milad, qui a toujours été comme un frère et un ami pour moi.
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AVANT-PROPOS
Cette thèse de doctorat est écrite comme une thèse par articles composé de neuf chapitres. Le chapitre 1 est l’introduction qui inclut l'énoncé du problème, les objectifs de recherche et la structure de la thèse. Les chapitres 2 à 8 contiennent les résultats de la recherche de la thèse qui présente sept articles publiés ou soumis pour publication dans des revues scientifiques. La thèse se termine par un résumé et une conclusion dans le chapitre 9. Les articles, qui sont inclus dans cette thèse de doctorat sont suit :
Chapitre 2
M. Saberi, C. D. Annan, J. M. Konrad, " On the Mechanics and Modeling of Interface
between Granular Soils and Structural Materials", Archives of Civil and Mechanical
Engineering, (under review).
Chapitre 3
M. Saberi, C. D. Annan, J. M. Konrad, Lashkari. A, " A Critical State Two-Surface
Plasticity Model for Gravelly Soil-Structure Interfaces under Monotonic and Cyclic Loading", Elsevier, Computers and Geotechnics, Vol. 80, pp. 71-82, 2016.
Chapitre 4
M. Saberi, C. D. Annan, J. M. Konrad, " A Unified Constitutive Model for Simulating
Stress-Path Dependency of Sandy and Gravelly Soil-Structure interfaces",
International Journal of Non-Linear Mechanics, (under review).
Chapitre 5
M. Saberi, C. D. Annan, J. M. Konrad, "Constitutive Modeling of Gravelly
Soil-Structure Interface Considering Particle Breakage", ASCE, Journal of Engineering
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Chapitre 6
M. Saberi, C. D. Annan, J. M. Konrad, "Implementation of a Soil-Structure Interface
Constitutive Model for Application in Geo-Structures ", Acta Geotechnica, (under review).
Chapitre 7
M. Saberi, C. D. Annan, J. M. Konrad, "Performance of Concrete-Faced Rockfill
Dams Considering the Effect of Face Slab-Cushion Layer Interaction", Canadian
Geotechnical Journal, (under review).
Chapitre 8
M. Saberi, C. D. Annan, J. M. Konrad, "Seismic Response Analysis of Concrete Face
Slab in CFRDs using an Advanced Interface Constitutive Model ", Soil Dynamics
and Earthquake Engineering, (under review).
L'auteur de cette thèse est l'auteur principal des articles ci-dessus mentionnés. Les contributions du premier auteur dans les articles se composaient de l'écriture des codes informatiques, de faire les analyses, de collecte de données, la collecte des résultats, le tracé de graphiques, et la rédaction d'articles. Les co-auteurs de ces articles supervisaient les travails, révisé de manière critique le contexte, et amélioré les méthodes d'interprétation des résultats et la méthodologie de recherche.
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CHAPITRE 1
1. Introduction
Généralités
Au cours des dernières années, l’analyse des géo-structures avec effet des systèmes d’interaction sol-structure (SSI) a gagné de l’intérêt. Un système d’interaction sol-structure peut montrer un comportement non linéaire sous différentes conditions de chargement. Ce comportement résulte de la non linéarité géométrique, la non linéarité des matériaux et la non linéarité des frontières limites.
Parmi les éléments clés de la non linéarité des limites dans le domaine de l’interaction sol-structure, on trouve l’interface entre deux matériaux ayant des différentes propriétés mécaniques comme les sols et les matériaux structuraux. Cette zone de contact (l’interface) entre deux matériaux non similaires gouverne principalement les systèmes SSI. Des exemples classiques de ce genre de problèmes d'interaction structure où l'interface sol-structure joue un rôle important se retrouvent dans les barrages en remblai, les fondations superficielles et profondes, les structures de soutènement, les canalisations enterrées, les structures souterraines, etc.
Dans ces systèmes, la zone d'interface est généralement considérée comme étant constituée de la surface du matériau de construction et d'une mince couche du sol adjacent. Étant donné que cette couche du sol est confinée par la structure, son comportement charge-déformation est différent de celui du reste du sol adjacent. Le transfert des contraintes dans le système d’interaction sol-structure à travers la zone d'interface peut entraîner une concentration de contraintes ou une localisation de déformations. De plus, les systèmes d’interaction sol-structure subissent des déformations discontinues telles que le glissement, l’adhérence et la ré-adhérence des deux domaines en contact. Ainsi, le comportement contrainte-déformation
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et les caractéristiques de résistance de l'interface peuvent affecter significativement la réponse et la performance de ces systèmes sous des conditions de chargement monotoniques et cycliques.
Énoncé du problème
L'un des outils clés pour la conception et l'analyse des systèmes d’interaction sol-structure est l’utilisation des techniques numériques comme les méthodes des éléments finis et celles des différences finies. Traditionnellement, les zones d'interface entre les sols et les structures dans les problèmes SSI ont été simulées en utilisant des approches simplifiées comme le contact sans frottement, le contact avec adhérence et le frottement de Coulomb. Pour une conception réaliste et précise des systèmes SSI, les caractéristiques fondamentales des zones d'interface sous des conditions statiques et dynamiques doivent être étudiées et modélisées. Les approches conventionnelles négligent certains comportements importants des interfaces tels que l’écrouissage, l’écrouissage négatif et le comportement volumétrique.
Deux facteurs critiques dans la simulation numérique des interfaces sol granulaire-structure et leurs comportements mécaniques sous différentes conditions de chargement sont le type d’élément et la modélisation du comportement du matériau. L'analyse des contacts et les éléments d'épaisseur nulle ont été largement utilisés pour modéliser le comportement des interfaces sol granulaire-structure, mais ils ne sont pas capables de simuler le comportement complexe des interfaces observé lors d’essais expérimentaux. En se basant sur les observations du laboratoire, les interfaces sol granulaire-structure présentent un écrouissage (positif ou négatif) selon leurs masses volumiques et les contraintes normales. Ils ont également un comportement volumétrique tel que la dilatance et la contraction sous des charges de cisaillement, et ils atteignent un état critique sous des grandes déformations de cisaillement. Les interfaces sol granulaire-structure ont un comportement dépendant du cheminement d'état et des contraintes, et elles subissent une dégradation de contraintes sous chargement cyclique qui est une réduction de la résistance au cisaillement mobilisée en augmentant le nombre de cycles. Ce type d'interface subit une contraction accumulative sous chargement cyclique et présente une stabilisation de la contraction après un grand nombre de cycles. Une interface sol granulaire-structure peut subir une rupture de particules même sous
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des contraintes normales moyennes à faibles durant les cycles de cisaillement, ce qui affecte significativement le comportement des zones d'interface. L'analyse de contact largement utilisée dans les logiciels numériques et les éléments d'épaisseur nulle utilisant un modèle de comportement de matériau simple ne sont pas capables de saisir le comportement complexe des interfaces sol granulaire-structure. L'élément d'interface mince avec un modèle de comportement avancé représente le choix le plus prometteur pour une simulation précise des relations contrainte-déplacement et du comportement volumétrique des interfaces sol granulaire-structure sous différentes conditions de chargement.
Certains nombres de modèles de comportement d'interface sont disponibles dans la littérature, mais seulement quelques-uns utilisent des concepts avancés de plasticité tels que la plasticité généralisée et la plasticité à deux surfaces. Les modèles de comportement avancés disponibles nécessitent, pour la plupart, un grand nombre de paramètres d’étalonnage et ils ont été proposés principalement pour les interfaces sol sableux-structure et non pas pour les interfaces granulaires (sableuses et graveleuses). De plus, la plupart des modèles d'interface ont été proposés pour les conditions monotoniques et le nombre de modèles de comportement qui ont été utilisés pour simuler le comportement des interfaces sol granulaire-structure sous un chargement monotonique et cyclique est très limité et ceux-ci nécessitent un grand nombre de paramètres de modèle. Il est important de mentionner aussi que la rupture de particules a rarement été prise en compte dans la formulation du comportement de l'interface. La rupture de particules a un effet considérable sur le comportement des interfaces sol granulaire-structure et devrait être prise en compte dans la simulation numérique des problèmes SSI. Une modélisation du comportement d'interface unifiée pour l'interface sol granulaire-structure sous chargement monotonique et cyclique mérite encore l'attention de la communauté de la recherche. En général, il n'y a pas de modèle de comportement d'interface avancé avec une formulation unifiée et un petit nombre de paramètres d'étalonnage pour simuler le comportement complexe des interfaces sol sableux et graveleux-structure (dilatance, écrouissage, dégradation, rupture de particules, etc.) sous des conditions de chargement monotoniques et cycliques.
Pour pouvoir utiliser les modèles comportement d'interface pour étudier le comportement des systèmes d'interaction sol-structure sous des conditions monotoniques et cycliques, ceux-ci
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doivent être implémentés numériquement dans des codes d'éléments finis ou de différences finies. La plupart des modèles de comportement disponibles sont difficiles à implémenter dans des codes d’éléments finis / différences finies d’usage général et leurs processus d’implémentation ont rarement été présentés. A la meilleure connaissance de l'auteur, il n'existe aucune référence dans la littérature pour l’implémentation d'un modèle d’interface sol granulaire-structure dans un logiciel d’éléments finis d’usage général comme ABAQUS. Il existe différentes géo-structures pour lesquelles les zones d'interface sol granulaire-structure jouent un rôle important dans la performance des systèmes SSI sous différentes conditions de chargement. Une importante géo-structure pour laquelle l'interface est probablement l'élément le plus critique dans sa performance sous l'effet des forces statiques et sismiques induites, est le barrage en enrochement avec masque amont en béton (CFRD). Au cours des dernières décennies, un grand nombre de CFRD a été construit à travers différentes parties du monde, et beaucoup d'autres sont en cours de construction. Les CFRDs sont constitués d'un enrochement en tant que structure de corps et d'un masque en béton imperméable posé sur la face amont. La dalle en béton est largement plus rigide que la couche d’amortissement, généralement construite en sol graveleux. Les contraintes et déformations sont transférées de la dalle en béton amont au corps du barrage à travers la zone d'interface de contact. Une conception et une analyse incorrectes de cet élément d'interface peuvent entraîner des dommages importants au masque en béton, compromettant ainsi l'imperméabilité et la stabilité globale du CFRD.
Les méthodes numériques représentent un outil utile pour comprendre le comportement et la performance des CFRDs sous des conditions statiques et durant des événements sismiques. Dans les recherches disponibles sur l'analyse statique et dynamique des barrages CFR, l’interaction dalle en béton-couche d’amortissement a été largement simulée par l'analyse de contact avec la loi de frottement de Coulomb et des éléments d'épaisseur nulle sans changement de volume. Cependant, les comportements critiques dans les interfaces sol granulaire-structure (c'est-à-dire la transformation de phase, la contraction accumulée, l'effet de rupture de particules, l'état critique, la dégradation de contraintes, etc...) ne peuvent pas être traités en utilisant l’analyse de contact et des éléments d’épaisseur nulle sans changement de volume. Une simulation numérique réaliste pour étudier la performance des dalles du
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masque en béton dans les barrages CFR sous des conditions statiques et sismiques nécessite un élément d'interface de couche mince avec un modèle de comportement d'interface avancée afin de modéliser les zones d'interface entre les dalles du masque en béton et la couche d’amortissement. Dans des études antérieures, seulement quelques-unes ont utilisé les éléments d'interface de couche mince dans la simulation numérique des CFRDs. Cependant, les modèles de comportement de l'interface étaient principalement simples tels que le modèle élastique linéaire, le modèle élastique non linéaire et le modèle parfaitement élastique. Une étude exhaustive sur l'effet du comportement de l'interface masque en béton-couche d’amortissement sur la réponse de la dalle du masque dans les barrages CFR nécessite encore d’être approfondie. D’après les meilleures connaissances de l’auteur, il n'existe aucune étude sur les performances statiques et sismiques de la dalle du masque en béton dans les barrages CFR en utilisant un modèle de comportement avancé d'interface sol granulaire-structure capable de prendre en compte l'effet des phénomènes complexes (dilatance, écrouissage / écrouissage négatif, rupture de particules, dégradation des contraintes). L'effet de la rugosité de surface dans la zone d'interface dalle du masque-couche d’amortissement qui représente un élément critique sur la performance de la dalle en béton dans les CFRDs n'a pas encore été étudié sous des conditions de chargement statique et sismique.
Objectifs de la recherche
L'objectif principal de cette recherche est le développement, l’implémentation et l'application d'un modèle de comportement avancé d'interface sol granulaire-structure ainsi que la compréhension de la mécanique de ce type d'interface pour l'analyse et la conception des problèmes impliquant l’interaction sol-structure sous des conditions de chargement statique et dynamique. Plus spécifiquement, les objectifs de cette recherche sont les suivants :
Comprendre la mécanique des systèmes d'interface sol granulaire-structure en interprétant les données des expériences de laboratoire disponibles sur le comportement des interfaces sous différentes conditions de chargement.
Développer deux modèles de comportement avancés pour la simulation numérique de l'interface sol graveleux-structure et sol granulaire (sableux et graveleux)-structure sous des chargements statiques et dynamiques avec un petit nombre de paramètres
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d'étalonnage. Les modèles doivent être capables de simuler la dilatance, l’écrouissage et l’écrouissage négatif, la dépendance de l'état et du cheminement des contraintes, la dégradation des contraintes et la contraction accumulée.
Améliorer les modèles de comportement proposés pour simuler le comportement des systèmes d’interface sol granulaire structure en considérant la rupture des particules pour une simulation plus précise des réponses de l'interface après un grand nombre de cycles. Valider les modèles de comportement d'interface proposés en comparant les prédictions du modèle et les observations de laboratoire existantes pour les interfaces sol graveleux et sableux-structure sous des conditions de chargement cyclique et monotoniques, pour différents cheminements de contraintes, différentes masses volumiques et contraintes normales.
Implémenter les modèles de comportement d'interface proposés dans un code d'éléments finis ABAQUS d’usage général en générant un sous-programme d’utilisateur.
Vérifier la précision et l’efficacité du schéma d’implémentation à l'aide de différents exemples numériques, y compris un essai de cisaillement d'interface à élément unique, un essai de bloc coulissant et un essai d’arrachement sur l’interface d’un pieu en acier. Appliquer les modèles de comportement d'interface proposés pour l'analyse des barrages
en enrochement avec masque amont en béton (CFRD) sous des chargements statiques et sismiques. Les principales caractéristiques de la simulation numérique des barrages CFR dans cette recherche sont:
Considérer l'effet de l'interface masque en béton-couche d’amortissement sur le comportement des dalles du masque dans les barrages CFR sous des conditions statiques.
Considérer l'effet des mouvements sismiques du sol sur la réponse de la dalle du masque en béton en considérant l’interaction dalle du masque-couche d’amortissement dans les CFRDs
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Considérer l'effet de la rugosité de la surface structurelle et du niveau d'eau du réservoir sur la performance des dalles en béton dans les barrages CFR sous des
Plan de la thèse
Cette dissertation est une thèse par articles contenant neuf chapitres basés sur sept articles. Cette étude comporte quatre phases : la phase I) la mécanique des systèmes d’interface sol granulaire-structure, phase II) le développement de modèles de comportement avancés et efficaces pour le comportement monotonique et cyclique des interfaces sol granulaire-structure, phase III) l’implémentation des modèles de comportement d'interface dans un code d’éléments finis ABAQUS d’usage général, phase IV) l’application du modèle d'interface proposé dans le comportement statique et dynamique des problèmes d’interaction sol-structure à valeur limite. Ces quatre phases sont incluses dans cette thèse à travers sept articles. Le chapitre 2 correspond à la phase I et les chapitres 3, 4 et 5 couvrent le développement de la phase II. La phase III est présentée dans le chapitre 6 et la phase IV est discutée dans les chapitres 7 et 8. Le contenu de chaque chapitre est expliqué avec plus de détails ci-après.
Le chapitre 2 comprend un article soumis à la revue "Archives of Civil and Mechanical Engineering". Dans ce chapitre, une étude complète sur la mécanique et la modélisation numérique des interfaces sol granulaire-structure est présentée en se basant sur les observations de laboratoire disponibles et des approches numériques. Différents essais expérimentaux utilisés pour comprendre le comportement des systèmes d'interface sol granulaire-structure sont expliqués, et la mécanique des interfaces sols graveleux et sableux-structure sous chargement monotonique et cyclique est illustrée en détail. L'effet des différents paramètres tels que la contrainte normale, le cheminement des contraintes, la masse volumique du sol, le type du sol granulaire, la rugosité et dureté de la surface structurelle, la rupture des particules sur les relations contrainte-déplacement et le comportement volumétrique des interfaces sol granulaire-structure sous chargement monotonique et cyclique est expliqué de manière exhaustive. Différentes approches pour la simulation numérique des zones d'interface sol granulaire-structure sont également présentées dans ce chapitre. La formulation des éléments de l’interface dans le code d'éléments finis est
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expliquée et divers modèles de comportement d'interface proposés pour les interfaces sol granulaire-structure sont bien discutés. L'effet de la rupture des particules dans la modélisation du comportement des interfaces est également illustré dans ce chapitre.
Le chapitre 3 contient un article publié dans la revue "Computers and Geotechnics". Le chapitre 3 explique un modèle de comportement d'interface proposé pour simuler le comportement monotonique et cyclique d'une interface sol graveleux-structure spécifiquement. L'étalonnage du modèle et la comparaison des performances du modèle avec un certain nombre de résultats expérimentaux disponibles pour les interfaces gravier-structure sont présentés en détail.
Le chapitre 4 présente un article soumis dans la revue "International Journal of Non-Linear Mechanics". Ce chapitre décrit un modèle d'interface qui constitue une amélioration pour la formulation du modèle proposé pour une interface sol graveleux-structure. Ce modèle est capable de simuler le comportement des interfaces sol graveleux et sableux-structure ainsi que le comportement de dépendance des cheminements des contraintes des interfaces sous des conditions de chargement monotonique et cyclique. L'étalonnage du modèle est présenté en détail, et ses capacités à prédire le comportement des interfaces sol granulaire-structure sont illustrées en comparant les prédictions du modèle et les données expérimentales disponibles. La performance du modèle est montrée pour les interfaces sol graveleux et sableux-structure sous différents cheminements de contraintes, masses volumiques et contraintes normales sous des conditions de chargement monotoniques et cycliques.
Le chapitre 5 comprend un article publié dans la revue "Engineering Mechanics". Il y est proposé un modèle de comportement d'interface qui est capable de simuler l'effet de la rupture des particules dans les interfaces sol graveleux-structure. Ce modèle est capable de simuler le comportement des interfaces sol graveleux-structure sous chargement monotonique et cyclique même après un grand nombre de cycles. L’étalonnage du modèle est expliqué dans ce chapitre, puis sa performance pour simuler le comportement complexe des interfaces telles que la dilatance, la dégradation de contrainte, la contraction accumulative cyclique et la stabilisation est illustrée en comparant avec les résultats de laboratoire disponibles.
