Modélisation micromécanique couplée pour l'analyse et la prévention de l'érosion dans les infrastructures hydrauliques et offshore – COMET

Le sujet central de ce projet concerne l'érosion hydraulique des géomatériaux dans le contexte plus général de la rupture de certaines infrastructures de génie civil comme les digues de protection contre les inondations ou les fondations des fermes éoliennes offshore. Notre objectif est de clarifier les mécanismes mis en jeu lorsqu'un géomatériau est soumis par un écoulement fluide à des contraintes hydrauliques suffisamment importantes pour générer une dislocation locale à la surface du matériau solide, menant à une perte progressive de masse jusqu'à une éventuelle instabilité mécanique à plus grande échelle.
Pour cela, nous ambitionnons de combler le fossé entre le phénomène micromécanique à l'échelle du grain et le problème d'ingénierie macromécanique en développant une modélisation couplée à grande échelle performante et capable de reproduire directement les interactions à petite échelle entre une phase fluide et une assemblée de particules solides interconnectées. Ceci sera réalisé en couplant des techniques adaptées d'une part à la simulation d'un fluide (Lattice Boltzmann Method) et d'autre part à celle d'un ensemble de particules solides discrètes (Discrete Elements Method) avec des interactions de contact complexes.
Un développement progressif de modèles numériques représentatifs à différentes échelles sera privilégié, en commençant par le phénomène local à une échelle mésoscopique à l'aide d'expérimentations de laboratoire sur systèmes réduits pour comparaison et validation des modèles numériques, puis en augmentant en taille et en complexité afin d'aller vers l'échelle réelle des problèmes d'ingénierie concernés. Ces différents modèles doivent intégrer une description simple mais réaliste des contacts solides adhésifs entre particules de sol et de leur endommagement progressif car ceux sont là des éléments clés pour la compréhension des ruptures macroscopiques pouvant se développer dans nos systèmes géotechniques. Un point crucial dans ce travail concerne l'adaptation de nos algorithme à du calcul parallèle à l'aide de cartes graphiques et de mise en clusters.
Un premier cas concret d'application sur le terrain que nous souhaitons abordé concerne la résistance à l'érosion par surverse d'une digue fluviale. Il nous faudra au préalable développer et valider expérimentalement à l'échelle mésocopique des modélisations micromécaniques complètes permettant de contrôler tout à la fois la sensibilité à l'érosion du matériau et ses caractéristiques géotechniques usuelles. Le modèle numérique sera ensuite étendu à grande échelle pour s'approcher au plus près du cas réel d'une digue soumise à une érosion par surverse, cas pour lequel nous disposons de données expérimentales obtenues en 2016 et 2017 lors d'essais in situ.
En parallèle, un second cas d'application concernera les structures de fondation utilisées pour les éoliennes offshore. Une connaissance précise des différents scénarios d'affouillement doit offrir une base suffisante pour l'optimisation du design de ces fondations en vue d'une réduction des coûts d'installation des fermes éoliennes offshore. Des innovations prometteuses ont été proposées en ce sens, comme les structures à succion (suction buckets), mais dont le comportement reste encore mal établi du fait notamment de questions en suspens quant à leur interaction à la fois avec les sédiments marins et l'eau interstitielle. Des réponses pourront ainsi être apportées concernant la stabilité du mécanisme de pénétration par succion tout comme la possibilité d'une fracturation hydraulique locale à l'intérieur de la structure de fondation lors de son installation. Le développement proposé ici, qui vise à modéliser ces phénomènes à l'échelle réelle tout en conservant une description micromécanique fondée, devrait permettre des avancées marquantes et une amélioration des pratiques de l'ingénierie des infrastructures offshore.