Numerical analysis of nonlinear soil behavior and heterogeneity effects on railway track response

Une forte progression du transport ferroviaire est observee les dernieres annees dans plusieurs pays. L’augmentation de la capacite du reseau ferroviaire demande a la fois l’evaluation de l’infrastructure existante selon le trafic attendu, la vitesse des trains, la charge a l’essieu, ainsi que la reduction des interventions de maintenance. Une performance accrue de la voie ferree par rapport a ces criteres necessite l’amelioration des normes de conception et des outils de prediction qui puissent prendre en compte toute la duree de vie de la structure. Dans ce contexte, l’objectif de cette these est d’apporter un point de vue geotechnique a la modelisation numerique du comportement des voies ferrees sous charge mobile. Un modele numerique rationnel est developpe dans la these, compose de trois aspects principaux:(i) comportement dynamique de la voie ferree, (ii) analyse probabiliste et (iii) comportement non lineaire des geomateriaux. Cette approche permet d’apprehender le comportement mecanique de la voie ferree a differents instants de son cycle de vie. La premiere partie de cette these est consacree au developpement d’un modele numerique en dynamique de la voie ferree, adapte a l’analyse probabiliste et au comportement non lineaire. Une modelisation par Elements Finis dans le domaine temporel est choisie pour cadre general. Ainsi, un modele 2D en deformation plane avec epaisseur est propose dans cette these, l’epaisseur hors plan etant calibree a partir des calculs 3D en statique. Les avantages et inconvenients de cette methodologie sont discutes selon la representativite du champ de contraintes dans le plan et du temps de calcul associe, parametre important pour l’analyse probabiliste. Une methodologie pour la mise en charge est discutee et implementee afin de reduire la generation d’ondes parasites. La reponse dynamique de la voie ferree et l’influence croisee de la vitesse de la charge et de la rigidite de la plateforme sont evaluees sous hypothese de comportement elastique lineaire. L’influence de la variabilite des proprietes mecaniques de la voie ferree dans la mesure de la raideur de voie est discutee dans la deuxieme partie de cette these. Des variations spatiales du module d’Young des couches ferroviaires sont modelisees par des champs aleatoires invariants scalaires. La densite de probabilite de la loi marginale d’ordre 1 associee au champ est obtenue grâce a une analyse statistique des mesures in situ. L’influence croisee du support discret et de la distance de correlation des champs d’entree dans les variations de la raideur de voie est mise en evidence a partir de differentes structures de correlation. Afin de verifier l’importance de chaque parametre d’entree sur les variations de raideur de voie, une analyse de sensibilite globale est effectuee pour differentes configurations de voie. La raideur de voie est principalement affectee par des variations de rigidite de la plateforme et des semelles. L’importance du comportement non lineaire des geomateriaux est soulignee dans la derniere partie de la these. Le modele de comportement elastoplastique developpe a l’Ecole Centrale Paris fournit un cadre approprie pour l’etude du comportement des geomateriaux sous chargement cyclique. Cette approche est bien adaptee au comportement des materiaux pendant leur “conditionnement initial”, ou les premiers cycles de charge, quand les tassements permanents sont plus importants et les materiaux cumulent des deformations plastiques elevees. Les parametres du modele sont calibres pour les differents geomateriaux ferroviaires (ballast, couche intermediaire, sol de la plateforme) a partir d’essais triaxiaux disponibles dans la litterature. Les resultats obtenus illustrent les mecanismes preponderants dans cette phase : densification et augmentation de la rigidite des differents materiaux par accumulation des deformations plastiques. [...]