Geogrid-reinforced layer approach using DEM modeling

Le travail de thèse porte sur la modélisation numérique par la méthode des éléments discrets (MED) du renforcement des sols granulaires par des géogrilles. L'objectif principal de ces travaux est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'interaction entre la géogrille et les matériaux granulaires, en particulier ceux liés aux micro-mécanismes. En perspective, ces travaux peuvent contribuer au développement et à l'optimisation de nouveaux produits pour des applications spécifiques. Les géogrilles, en tant qu'éléments de renforcement des couches granulaires ont, par le passé, démontré leur efficacité à travers le monde. Dans de nombreux cas, ces structures apportent une solution le plus souvent économique, sûre et respectueuse de l'environnement. Cependant, le développement et l'optimisation de cette solution doivent tenir compte du comportement d'interaction complexe entre le renforcement et le matériau granulaire. Ainsi, l'utilisation de méthodes numériques capables de reproduire le comportement mécanique de la géogrille (étirement, flexion, cisaillement et torsion) et le comportement du sol à l'échelle du grain au voisinage de la géogrille (effet de roulement, de frottement et de butée) peut contribuer grandement à une meilleure compréhension de l'interaction sol-géogrille. Les modèles numériques basés sur la MED offre cette possibilité tout en ne nécessitant qu'un nombre relativement restreint de paramètres. Toutefois, la mise au point d'un modèle numérique de géogrilles représentatif des produits actuels reste une demande non satisfaite. Cette thèse comprend une nouvelle proposition de modélisation des géogrilles par la méthode des éléments discrets, basée sur l'utilisation d'éléments déformables. Les développements numériques ont été réalisés à partir du code open source YADE. Ils avaient pour objectif la définition d'une géométrie de géogrille générique constituée de brins de forme aplatie, comme c'est généralement le cas dans la pratique. Des simulations numériques d'essais d'extraction de géogrilles ont permis d'analyser le comportement d'interaction entre la grille et le sol granulaire et d'étudier la mobilisation progressive des forces de tension dans le renforcement. Des échantillons numériques comportant des particules sphériques ou non sphériques (clumps constitués de plusieurs sphères imbriquées) de différentes tailles ont été utilisés. Les résultats obtenus montrent que la forme des particules et leur taille relative (comparativement à la taille des ouvertures de la géogrille) ont une influence significative sur la mobilisation et l'intensité des forces d'extraction. Il a également été possible de vérifier que les efforts mobilisés dans les brins transversaux de la géogrille au cours des tests d'extraction sont nettement inférieurs à ceux des brins longitudinaux, mais qu'ils ne sont pas négligeables. Bien que la détermination des paramètres de contact reste une difficulté pour des applications à des cas réels, le modèle numérique discret semble être un outil pertinent et très prometteur pour l'étude de l'interaction entre tout type de géogrille et matériaux granulaires.The thesis topic is the geogrid-reinforced layer based on the Discrete Element Method (DEM). The main objective of the research is to improve the understanding of the interaction between generic geogrids and granular materials, especially those related to micromechanisms. The perspective is that this work can contribute to new studies related to the use of geogrids to optimize the design of such reinforcement. Geogrids as granular layer reinforcement elements have a successful application history throughout the world. In many cases, these structures provide a significantly economical, safe, and environmentally friendly solution. However, the development and optimization of this solution must deal with the complex behavior between the reinforcement and granular material. Thus, the use of numerical methods capable of reproducing the geogrid mechanical behavior (i.e., stretching, bending, shearing, and twisting) and the grain scale soil behavior at the vicinity of the geogrid (i.e., rolling, friction, and abutment effect) can contribute greatly to a better understanding of the soil-geogrid interaction. DEM-based models have this feature with a relatively small number of parameters. Despite this, representative geogrid modeling is still a demand. This thesis comprises a new proposal for discrete geogrid modeling using deformable elements. The numerical construction involved the extensible open-source framework for discrete numerical models YADE and focused on obtaining a realistic flat shape for members of a generic geogrid. Geogrid pullout simulations made it possible to verify the mechanical behavior of the samples and to evaluate the mobilization of forces in the reinforcement. The simulations comprised samples with different amounts of spherical and non-spherical particles. The results obtained were consistent and showed that the particle angularity and the relative size between geogrid openings and particles have a significant influence on the reinforcement strength mobilization. It was also possible to verify that the stresses mobilized in the transverse members of the geogrid during its pullout are significantly lower than those of the longitudinal members, but they are not negligible. Despite the determination of contact parameters is still a difficulty for real cases, the discrete numerical model presented contributes to future studies aiming at the interaction between geogrid and granular materials