[Soutenance de thèse] Mohamed El Shamieh ‘Évolution de la perméabilité des sols granulaires dans un contexte d’érosion interne par suffusion’

Résumé :
Les ouvrages hydrauliques en terre sont sujets à l’érosion interne, la suffusion étant l’un des mécanismes les plus complexes et les moins compris. Ce phénomène modifie la microstructure des sols granulaires par l’érosion sélective des fines, entraînant des variations de perméabilité, même lorsque la porosité ou la granulométrie restent inchangées. Cette thèse développe un cadre multi-échelle pour prédire l’évolution de la perméabilité dans les sols affectés par la suffusion, à partir d’une étude numérique et d’une modélisation analytique. 
L’investigation numérique s’appuie sur la méthode des éléments discrets (DEM) pour générer les échantillons, des techniques de Delaunay pour caractériser l’espace poral, ainsi qu’un solveur basé sur la transformée de Fourier rapide (FFT) pour estimer la perméabilité. L’analyse de trois configurations microstructurales, isotrope (M0), modifiée par gravité (M1) et par l’écoulement (M2), met en évidence des paramètres clés tels que la porosité et le diamètre de constriction pondéré D_cw. Une nouvelle relation perméabilité-microstructure est proposée, inspirée du modèle de Kozeny-Carman. Le modèle développé est calibré sur des travaux de la littérature et validé sur un large ensemble d’échantillons numériques, aussi bien uniformes qu’à granulométrie discontinue. Les résultats mettent en exergue la robustesse du modèle, notamment dans les configurations modifiées par l’écoulement. 
Afin de limiter le coût numérique, un modèle analytique micromécanique auto-cohérent est développé dans un cadre d’homogénéisation de champ moyen, basé sur les équations de Brinkman. La phase solide est représentée par la granulométrie, tandis que la phase poreuse est caractérisée par des diamètres équivalents contraints par la surface spécifique (s.s.a.). Quatre paramètres principaux, granulométrie, porosité, rapport de tailles de pores et fraction de pores fins, définissent un cadre analytique unifié capable de représenter à la fois des familles de pores mono- et bimodales, décrivant ainsi les configurations de M0 à M2. Les prédictions analytiques montrent un bon accord avec les simulations numériques pour différentes granulométries et états de compaction, reproduisant avec succès l’évolution de la perméabilité et la constante de Kozeny-Carman dans les systèmes modifiés par l’écoulement. Globalement, cette approche numérique-analytique combinée constitue un outil physiquement fondé et efficace en calcul pour prédire les variations de perméabilité dans les sols granulaires soumis à la suffusion, avec des implications directes pour l’évaluation de l’érosion interne dans les ouvrages hydrauliques en terre.

Membres du jury

Rapporteurs : 
Christian GEINDREAU, Professeur des Universités, Université Grenoble Alpes 
Antoine WAUTIER, Ingénieur en Chef des Ponts, des Eaux et des Forêts HDR, INRAE- Aix-en-Provence 
 
Examinateurs :   
Éric VINCENS, Professeur des Universités, Ecole Centrale de Lyon 
Luisa ROCHA DA SILVA, Professeure des Universités, Ecole Centrale de Nantes 
Ariane ABOU CHAKRA, Maîtresse de Conférences HDR, INSA Toulouse 
     
Directeur de thèse : Didier MAROT, Professeur des Universités, Nantes Université   
Co-dir. de thèse : Rachel GELET, Maîtresse de Conférences HDR, Nantes Université   
Encadrant : François BIGNONNET, Maître de Conférences, Nantes Université