Modélisation de l'impact d'un bloc rocheux sur un terrain naturel, application à la trajectographie des chutes de blocs

This thesis is dedicated to the study of falling rocks bouncing on natural soils in order to improve the models used for rockfall hazard assessment. The impact of a rock on a scree slope is modelled using the Discrete Element Method. The comparison between numerical results and half-scale experimental results of impacts on a coarse soil shows that the numerical model allows accurately predicting the bouncing of the rock for a reduced number of model parameters to be calibrated. The numerical results also emphasize that the interaction between the impacting particle and the granular soil is composed of three stages : the partial energy exchange from the impacting particle to the soil, the propagation of a shockwave from the impact point and the wave reflection on the substratum. The study of energy exchanges during these three stages allows defining the impacting particle bouncing occurrence diagram as well as three impact regimes. The statistical analysis of numerical results using Bayesian inference leads to the definition of a stochastic impact model. This model is relevant for rock velocity after impact depending on both rock velocity before impact and soil particles layout near the impact point. Finally, the stochastic impact model is integrated into trajectory analysis models which allows defining a global probabilistic approach of rockfall hazard assessment including protective structures design.Ce travail de thèse porte sur la caractérisation du rebond d'un bloc sur un terrain naturel dans la perspective d'améliorer les modèles de détermination de l'aléa de chute de blocs. L'impact d'un bloc rocheux sur un sol composé d'éboulis est modélisé par la Méthode des Elements Discrets. La comparaison entre les résultats de simulation et les résultats d'essais à échelle réduite d'impact sur un sol granulaire grossier met en évidence que le modèle numérique développé assure une prédiction pertinente du rebond pour un nombre réduit de paramètres de simulation à calibrer. L'analyse de l'impact à l'aide du modèle numérique montre que l'interaction entre l'impactant et le sol peut être décomposée en trois phases : le transfert énergétique initial du bloc vers le sol, la propagation d'une onde de compression du point d'impact vers l'intérieur du sol et la réflexion de l'onde de compression sur le substratum. L'étude des échanges énergétiques lors de ces trois phases conduit à la définition d'un diagramme d'existence du rebond délimitant les domaines d'arrêt et de rebond de l'impactant et à l'identification de trois régimes d'impact. Le traitement statistique des résultats de simulation par des méthodes statistiques basées sur l'inférence Bayésienne permet également de définir une loi d'impact stochastique. Cette loi est représentative de la variabilité des vitesses du bloc après impact en fonction des paramètres cinématiques incidents et de l'arrangement géométrique des particules du sol au voisinage du point d'impact. Enfin, suite à l'intégration de la loi stochastique d'impact dans le contexte de l'analyse trajectographique, une approche probabiliste globale permettant la caractérisation détaillée de l'aléa de chute de bloc ainsi que l'implantation et le dimensionnement d'ouvrages de protection est proposée