Analyse des résultats

4.3.3.1. Influence du type de sol

En tant que matériau majoritaire de la structure en volume, le sol joue un rôle important dans la réponse mécanique du système et peut faire l’objet de nombreuses modifications en termes de paramètres mécaniques. Les différences entre les types de sol testés ont porté sur trois caractéristiques : les raideurs interparticulaires, l’indice des vides et la masse volumique. L’objet de ce paragraphe est d’évaluer l’influence d’une modification de l’un de ces paramètres au travers des différentes mesures effectuées.

Mécanismes observés. Au début de la simulation, on observe une compression de la cellule impactée qui épouse alors la forme de l’impactant. Elle se déforme jusqu’à ce qu’un équilibre soit atteint entre la contrainte exercée par le sol sur le géotextile et la contrainte de confinement imposée par le géotextile. Par la suite, la compression de la structure se fait par l’intermédiaire de cette cellule qui s’enfonce selon la direction d’impact. Le mécanisme de déformation de la structure est alors similaire aux lignes de rupture définies par Terzaghi lors du poinçonnement d’une semelle de fondation superficielle (cf. figure 61). Par analogie, on distingue alors trois zones. Le coin de sol sous la semelle peut être assimilé à la cellule comprimée sous l’impactant. La zone de refoulement du sol à la surface correspond aux cellules adjacentes à la zone d’impact qui présentent le même comportement. Enfin, la zone faiblement affectée se situant sous le coin se retrouve aussi dans les cellules plus profondes.

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Figure 61. Champ de déplacements de particules au cours d’un impact et illustration des zones de déformation de Terzaghi.

Evolution de l’indice des vides. La mesure de l’indice des vides au cours du temps dans l’ensemble du système confiné par le géotextile permet de quantifier la densification du milieu après impact. Pour n’importe quel type de sol, le milieu converge vers le même état de densité final avec une valeur d’indice des vides d’environ 0,22 qui correspond à la valeur de densité minimale du milieu. La plus grande variation s’observe donc pour les sols d’indice des vides initial de 0,36.

Energie cinétique. La comparaison des trois configurations de sol présentant différents indices des vides est présentée sur la figure 62. L’énergie cinétique du sol illustre le réarrangement des particules au cours de l’impact. L’ensemble des courbes est compris entre deux extrêmes. Le niveau d’énergie cinétique le plus faible correspond à un très faible déplacement des particules et l’on observe ce phénomène pour les configurations utilisant un sol dense ou un sol léger (valeur pic de 300 J). A l’opposé, l’utilisation du sol mou correspond au niveau d’énergie cinétique le plus important (valeur pic de 1000 J), ce qui se traduit entre autre par une grande déformabilité du système.

Energie dissipée par frottement. La convergence vers un état d’équilibre dépend de la seule source de dissipation d’énergie du système qu’est l’énergie dissipée par frottements entre les particules. Comme le montre la figure 61, cette dissipation provient du frottement entre les particules de sol (à hauteur de 80 % de l’énergie dissipée) et du frottement du sol avec le géotextile (à hauteur de 20%). En dissipant en moyenne plus de 90 % de l’énergie cinétique transmise par le bloc impactant, le sol joue donc ce rôle principal d’amortisseur du système. Pour l’ensemble des sols testés, on observe de nombreuses similitudes. Tout d’abord, les 95 % de la dissipation s’étendent sur environ 150 ms et seule une augmentation de l’indice des vides initial de 0,36 à 0,27 diminue d’environ 10 ms cette durée. Ensuite, les valeurs maximales de dissipation atteintes sont sensiblement les mêmes (autour de 8500 J comme le montre la figure 61). La seule différence notable se situe dans l’évolution de cette dissipation au cours du temps. La courbe aura ainsi soit une évolution régulière au cours du temps soit une évolution « en escalier » présentant une succession de dissipations importantes associées à une rupture d’une des liaisons de la nappe suivie d’une période de croissance faible (cf. figure 61).

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Figure 62. Comparaison de l'énergie cinétique du sol pour le sol dense, le sol léger et le sol mou.

Figure 63. Comparaison des énergies dissipées par frottements dans le sol (SOL-SOL) et à l'interface sol-géotextile (SOL-GEO) pour le sol de base et le sol dense.

Energie potentielle élastique de déformation. Cette mesure énergétique permet d’évaluer la capacité des particules de sol à se déformer. Pour l’ensemble des types de sol, cette énergie est largement négligeable devant celle mesurée pour le géotextile (cf. figure 62) à l’exception de la configuration du sol mou. Dans cette situation, le géotextile présente les mêmes niveaux d’énergie que les autres configurations et seule la déformation du sol est plus importante. La déformation globale du système est en effet plus importante puisqu’elle résulte d’une forte capacité de déformation de l’ensemble de ses matériaux constitutifs et non plus du géotextile seul. La comparaison entre le sol de base et le sol mou est présentée dans la figure 59 suivante, les « pics » observés sur les courbes d’énergie de déformation correspondent à des ruptures de liaisons.

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Figure 64. Comparaison des énergies potentielles de déformation dans le sol et le géotextile pour le sol de base et le sol mou.

4.3.3.2. Influence du type de géotextile à l’échelle de la nappe

Le rôle principal du géotextile dans le procédé est d’apporter une cohésion et un incrément de résistance au cisaillement. Les variations en termes de paramètres mécaniques sur le renforcement vont donc clairement influencer ces deux propriétés et par conséquent la réponse du système face à un impact. Le présent paragraphe consiste à évaluer le rôle prépondérant du géotextile lors de la sollicitation et ce au travers des mesures effectuées.

Remarques concernant le nombre de types de géotextile testé. Dans le cas présent, seule la valeur de la résistance ultime des liaisons thermoliées a fait l’objet d’une variation. Bien entendu, d’autres simulations portant par exemple sur la variation de la raideur du géotextile ont été tentées.

Cependant, pour correctement évaluer l’influence de ce seul paramètre, il fallait s’assurer de pouvoir conserver l’indice des vides du sol de base malgré une modification du géotextile. Nos essais se sont alors exposés à un problème pour contrôler et stabiliser ce paramètre avant impact. En effet, un géotextile trop souple ne générait pas une contrainte de confinement suffisante laissant alors la possibilité au sol de « s’étendre » au sein de la cellule, et donc, d’augmenter l’indice des vides initial du milieu. Dans le cas d’un géotextile trop rigide, l’autre problème posé est la fragilité des bandes qui présentent avant impact d’importants efforts de prétension. Ainsi, un faible incrément de traction survenant au début de l’impact suffit à rompre immédiatement le géotextile (bande ou liaisons).

D’autres tentatives ont été tentées, en essayant cette fois, de régler la « sensibilité » et la « finesse » du calcul en augmentant de manière significative le coefficient minorateur appliqué au pas de temps d’un cycle de calcul mais une telle solution engendre alors une majoration trop importante du temps de résolution.

Mécanismes observés. Lorsque la résistance ultime des liaisons intercellulaires est de 25 kN/m (géotextile aux liaisons renforcées), on observe une élongation sans rupture du géotextile le long de lignes de traction concentriques au point d’impact et qui interceptent les liaisons intercellulaires (cf.

figure 65). La résistance de 25 kN/m est alors supérieure à l’effort de traction induit et aucune rupture de liaisons n’est observée. En configuration de base cependant, de nombreuses ruptures sont observées, permettant alors à l’impactant de s’enfoncer plus profondément dans la structure dans la direction où ont lieu les ruptures.

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Figure 65. Mise en évidence des lignes de traction concentriques au point d’impact.

Indice des vides initial. L’indice des vides initial est indépendant de la résistance des liaisons thermoliées. En effet, la rupture éventuelle d’une liaison n’a pas d’incidence sur l’état de densité du milieu et affecte principalement la « rigidité apparente » du système au cours de l’impact.

Energie cinétique. Les ruptures des liaisons du géotextile ont une forte incidence sur l’évolution de l’énergie cinétique du système. On observe deux phénomènes principaux.

Le premier concerne la forme de décroissance de l’énergie, elle est linéaire en configuration de base et en « escalier » en configuration renforcée ce qui allonge ainsi la durée de cette décroissance d’environ 40 ms (pour une durée d’impact d’environ 150 ms).

Le second phénomène observé porte sur l’énergie cinétique de l’impactant en fin d’impact où le rebond en configuration liaisonnée est bien plus important qu’en configuration de base. La capacité du géotextile à se rompre accroit ainsi le phénomène de choc mou soit l’observation d’un coefficient de restitution de la structure plus faible.

La figure 66 présente ces distinctions.

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Figure 66.Comparaison des énergies cinétiques du sol et du bloc impactant pour le géotextile de base et le géotextile aux liaisons renforcées.

Energie dissipée par frottements. La faculté du géotextile à se rompre au niveau des liaisons joue un rôle important dans la dissipation d’énergie par frottements. Les liaisons jouent alors un rôle de fusibles qui, à chacune de leur rupture, augmente la capacité d’absorption du système. D’une part on observe une rétractation rapide de la bande de géotextile au sein du milieu granulaire induisant une dissipation de son énergie potentielle élastique de déformation par frottement avec le sol (figure 67).

D’autre part, ces ruptures permettent à l’impactant de s’enfoncer plus loin dans la structure et donc de dissiper davantage d’énergie cinétique par frottement. Entre la configuration liaisonnée et la configuration de base, le gain de dissipation est d’environ 30 % au niveau de l’interface (1680 J au lieu de 1290 J), de 7% pour les frottements interne du sol (6680 J au lieu de 6270 J), ce qui correspond à un gain de 12 % sur la dissipation totale du système (8500 J au lieu de 7600 J). Ces valeurs peuvent être observées sur la figure 67.

Figure 67. Comparaison des énergies totales potentielle élastique de déformation et dissipée par frottements pour le géotextile de base et le géotextile aux liaisons renforcées.

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Energie de déformation. Sur l’ensemble des sous-systèmes sol, géotextile et bloc d’impact, le géotextile représente la quasi-totalité de l’énergie potentielle de déformation. Cette énergie permet d’évaluer la capacité du géotextile à accumuler de l’énergie lorsqu’il est mis en traction. Le renforcement joue ainsi deux rôles, le premier consiste à apporter une élasticité apparente à la structure et le second est un rôle de « condensateur du système » qui restitue l’énergie accumulée au cours de l’impact en fin de sollicitation. Lorsque l’on observe que pour l’ensemble des configurations testées (sauf dans le cas du sol mou) les valeurs pics se situent entre 1000 et 2000 J (soit 11 à 23 % de l’énergie totale du système), on peut aisément en déduire l’importance du modèle mécanique attribué au géotextile. Rappelons en effet que notre choix s’est porté sur la simplicité et la vitesse d’exécution soit un comportement de type élastique fragile. Une telle hypothèse renforce alors ce rôle de condensateur du géotextile et impose une restitution totale de l’énergie accumulée. Il apparaitrait donc intéressant d’étudier l’influence sur la réponse du système de l’intégration d’autres formes de dissipation comme une plastification des fibres ou un amortissement visqueux afin de dissiper une part de cette énergie stockée. L’intégration d’une capacité de ruptures des liaisons thermoliées va dans ce sens, c'est-à-dire que l’énergie potentielle de déformation du système est plafonnée à un certain seuil.

Lorsque ce seuil est franchi, ce qui signifie que le système s’est déformé de manière importante, les liaisons thermoliées se rompent, transformant alors une part de l’énergie accumulée en énergie cinétique (rétractation rapide de la nappe tendue) puis en énergie dissipée par frottements (frottement à l’interface sol-géotextile lors de la rétractation). Par lecture de l’évolution de l’énergie de déformation, dans le cas du géotextile de base (celui dont les liaisons peuvent se rompre) on associe alors à chaque

« pic » la rupture d’une liaison. La figure 68 illustre cette remarque.

Figure 68. Comparaison de l'énergie élastique de déformation pour le géotextile de base et le géotextile aux liaisons renforcées.

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