• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2023ULILN033
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 07/11/2023

Résumé en langue originale

L'étude des systèmes pieux-sol est d'une importance capitale dans le domaine de l'ingénierie géotechnique, car elle est directement liée à la stabilité et à la fiabilité des structures et des infrastructures. Ce travail étudie le comportement mécanique des systèmes pieux-sol, en mettant l'accent sur les pieux en polymère renforcé de fibres (FRP) et les mélanges caoutchouc-sol (RSM). Trois aspects principaux sont étudiés à l'aide de simulations de dynamique moléculaire (MD). Tout d'abord, les propriétés de frottement à l'interface entre le pieu FRP et l'argile sont étudiées à l'aide d'un modèle kaolinite-époxy, qui donne une valeur calculée de 159 mJ/m2 pour le travail d'adhésion. Les coefficients de cisaillement interfaciaux maximaux diminuent de manière non linéaire avec l'augmentation de la contrainte normale. Le processus de frottement interfacial est caractérisé par le fait qu'il dépend de la vitesse avec des plages de vitesse distinctes, et ces caractéristiques sont prises en compte par la théorie de Bell étendue. On observe que le mouvement de stick-slip se manifeste exclusivement dans les scénarios où les vitesses de glissement sont faibles. Cette tendance à l'augmentation des barrières énergétiques avec l'augmentation des contraintes normales met en évidence l'augmentation des forces de traction nécessaires pour induire le glissement du PRFV le long de l'interface avec l'argile dans des conditions de contraintes normales plus élevées.Deuxièmement, les simulations MD étudient la friction interfaciale à l'interface pieu-sable FRP dans diverses conditions de sécheresse, d'eau pure et d'eau salée. Une résine époxy réticulée est synthétisée pour étudier ses interactions avec la silice cristalline. Les relations force-déplacement de frottement présentent des phases non linéaires et stables distinctes. Les profils de rigidité tangentielle, en particulier à des niveaux de contrainte normale plus faibles, montrent des réductions plus rapides pour atteindre l'état d'équilibre. Les molécules d'eau agissent comme des lubrifiants, les ions NaCl affectant leur efficacité. Les systèmes secs ont le coefficient de frottement le plus élevé, suivis par les systèmes à l'eau salée et à l'eau pure.Troisièmement, l'interaction à l'interface caoutchouc/sol est étudiée dans le cadre de la RSM à l'aide de simulations MD. La force de frottement augmente avec la distance de glissement et la contrainte normale, ce qui est cohérent avec le comportement de frottement entre les sols naturels. Le compactage du caoutchouc et de l'argile augmente les forces de frottement et améliore les propriétés techniques. Les particules de caoutchouc réduisent le mouvement de glissement à l'interface montmorillonite-caoutchouc, en fournissant un effet d'amortissement qui réduit l'intensité des vibrations de glissement pendant le glissement. Les paramètres interfaciaux et les coefficients de frottement sont déterminés et concordent avec les données expérimentales, ce qui améliore la compréhension du comportement du RSM et les applications dans les fondations des sols.Enfin, cette étude introduit un élément intégré pieu-sol efficace pour simuler le comportement des pieux tout en tenant compte de la non-linéarité du sol et du matériau du pieu à l'échelle macroscopique. Les charnières plastiques et les ressorts du sol sont intégrés dans les formulations d'éléments proposées, de sorte qu'un seul type d'élément suffit pour simuler commodément les interactions non linéaires entre le pieu et le sol. Un programme Python a été développé sur la base de la méthode des éléments finis (FE), et la procédure d'analyse détaillée est donnée. La validation à l'aide d'essais sur le terrain démontre la précision de l'analyse du comportement des pieux sous des charges latérales et axiales.

Résumé traduit

The study of pile-soil systems is of paramount importance in the field of geotechnical engineering, as it is directly related to the stability and reliability of structures and infrastructure. This work investigates the mechanical behavior in pile-soil systems, with emphasis on fiber-reinforced polymer (FRP) piles and rubber-soil mixes (RSM). Three main aspects are investigated using molecular dynamics (MD) simulations. First, friction properties at the FRP pile-clay interface are studied using a kaolinite-epoxy model, which yields the calculated work of adhesion value of 159 mJ/m2. The peak interfacial shear coefficients decrease nonlinearly with increasing normal stress. The interfacial friction process is characterized by its velocity-dependent with distinct velocity ranges, and these characteristics are captured by the extended Bell theory. It is observed that stick-slip motion manifests itself exclusively in scenarios with lower sliding velocities. This observed trend of increasing energy barriers with increasing normal stresses highlights the increased pulling forces required to induce FRP sliding along the clay interface under higher normal stress conditions. Second, MD simulations investigate the interfacial friction at the FRP pile-sand interface under various dry, pure water, and salt water conditions. A cross-linked epoxy resin is synthesized to study its interactions with crystalline silica. Friction force-displacement relationships show distinct nonlinear and steady-state phases. Tangential stiffness profiles, especially at lower normal stress levels, show faster reductions to reach the steady-state. Water molecules act as lubricants, with NaCl ions affecting their effectiveness. Dry systems have the highest coefficient of friction, followed by salt water and pure water systems.Third, the interaction at the rubber/soil interface is studied within RSM using MD simulations. Friction force increases with sliding distance and normal stress, which is consistent with the friction behavior between natural soils. Compaction of rubber and clay increases friction forces and improves engineering properties. Rubber particles reduce stick-slip motion at the montmorillonite-rubber interface, providing a damping effect that reduces stick-slip vibration intensity during sliding. Interfacial parameters and friction coefficients are determined and agree with experimental data, improving the understanding of RSM behavior and applications in soil foundations.Finally, this study introduces an efficient integrated pile-soil element to simulate pile behavior while accounting for soil and pile material nonlinearity at the macroscale. The plastic hinges and soil springs are integrated into the proposed element formulations, so that one element type is sufficient to conveniently simulate the nonlinear pile-soil interactions. A Python program has been developed based on the finite element (FE) method, and the detailed analysis procedure is given. Validation with field tests demonstrates accuracy for the analysis of pile behavior under lateral and axial loads.