Multiscale modelling of granular soils : from the grain to the structure scale

Le comportement mécanique des sols granulaires est un élément important à prendre en compte dans l'ingénierie géotechnique. Les approches de modélisation actuelles pour le comportement des sols granulaires utilisent des relations constitutives phénoménologiques basées sur la mécanique classique du continuum. Ce problème peut être contourné en utilisant des relations constitutives multi-échelles basées sur les principes thermodynamiques avec variables internes. En utilisant une approche multi-échelle, cette thèse tente de construire des relations constitutives multi-échelles qui tiennent compte de la microstructure des sols granulaires et les mettre en oeuvre pour résoudre des problèmes géotechniques à la fois en petites et grandes déformations. La thèse vise à: 1) construire une relation constitutive multiéchelle pour les sols granulaires secs à partir d'un cadre thermodynamique qui nécessite moins d'hypothèses ad hoc; 2) étendre les formulations thermomécaniques multi-échelles aux sols granulaires partiellement saturés pour lesquels un modèle micromécanique est formulé; 3) implémenter le modèle en utilisant un algorithme d'intégration implicite dans un code aux éléments finis; 4) appliquer le modèle pour analyser l'instabilité des sols granulaires dans les cas de ruptures localisées et diffuses; et 5) démontrer la capacité de l'approche multi-échelle à résoudre certains problèmes géotechniques typiques en mettant en oeuvre le modèle dans un code aux éléments finis explicite. L'approche multi-échelle proposée aboutit à un outil de simulation qui fournit des informations précieuses sur les problèmes d'ingénierie depuis l'échelle des grains jusqu’à l’échelle de la structure.The mechanical behaviour of granular soils is an important aspect in geotechnical engineering. Current modelling approaches for the behaviour of granular soils employ phenomenological constitutive relations based upon classical continuum mechanics. This problem can be circumvented by using multiscale constitutive relations based on thermodynamic principles with internal variables. Using a multiscale approach, this thesis attempts to construct multiscale constitutive relations that account for the microstructure of granular soilsand to demonstrate their capabilities in solving geotechnical problems at both small and large deformations. The thesis aims to: 1) construct a multiscale constitutive relation for dry granular soils based on a thermodynamic framework which requires fewer ad hoc assumptions; 2) extend the multiscale thermomechanical formulations for partially saturated granularsoils for which a micromechanical model is formulated; 3)implement the model using an implicit integration algorithm in a finite element code; 4) apply the model to analyse the instability of granular soils for both localised and diffuse failures; and 5) demonstrate the capability of the multiscale approach in solving some typical geotechnical problems by implementing the model in an explicit finite element code. The proposed multiscale approach offers a simulation tool that provides valuable insights into engineering problems from the grain to the structure scale