Contribution to the numeral simulation of propagation liquefied soil masses and their effects on structures
Contribution à la simulation numérique de l'écoulement des massifs de sols liquéfiés et de leur action sur les ouvrages
Résumé
Liquefaction of saturated granular soil embankments induced by seismic loading triggers flow failure and causes serious damage to civil engineering structures. In this work an approach is proposed in order to simulate the evolution of liquefied soil masses, modelled as a viscoplastic Bingham material, on the one hand, to calculate the drag force exerted by the liquefied soil flow on obstacles on the other hand. A numerical scheme based on the combination of a variational principle for the velocity field defined on the current configuration and a step-by-step time integration procedure is first presented in order to solve the evolution problem. A realistic boundary condition, which allows the slippage at the liquefied soil/substratum interface when a critical value of the shear stress is reached, is formulated and introduced in the numerical simulation. The efforts exerted by the liquefied soil flow on civil engineering structures are then evaluated by analysing the auxiliary problem of a Bingham fluid flow around an obstacle.
La liquéfaction d'un massif de sol, due à l'action des sollicitations sismiques, provoque son instabilité et engendre des efforts importants sur les ouvrages avoisinants, qu'il convient de prendre en compte dans le dimensionnement de ces derniers. Nous proposons dans ce travail une approche dans le but d'une part de simuler l'évolution dans le temps du massif de sol liquéfié, modélisé comme un matériau viscoplastique de Bingham, d'autre part d'évaluer les efforts exercés sur les ouvrages que le sol liquéfié rencontre en s'écoulant. La résolution du problème d'évolution repose sur un principe de minimum en vitesses, combiné à un schéma d'intégration explicite dans le temps, permettant d'actualiser de proche en proche la géométrie du massif entre deux configurations successives. Une condition de bord réaliste autorisant le glissement à partir d'un seuil de cisaillement est par ailleurs formulée. Les efforts exercés sur les structures avoisinantes sont alors évalués en analysant le problème bidimensionnel de l'écoulement d'un fluide de Bingham autour d'un obstacle. Un outil numérique, reposant sur une formulation type "éléments finis" et utilisant la méthode du lagrangien augmenté associée à la technique de décomposition-coordination, a été élaboré et mis en oeuvre sur un certain nombre d'applications.