Numerical study of mechanical wave propagation in a porous medium induced by an impulsional load
Etude numérique de la propagation des ondes mécaniques dans un milieu poreux en régime impulsionnel
Résumé
The aim of this research consists in studying numerically the mechanical wave propagation in a two-phase porous continuum in the time domain. A finite element code allowing the simulation and the analysis of the mechanical behaviour is developed for this purpose.
A preliminary study presents some general characters of the poroviscoelastic concept of medium, in the Biot theory as in mechanical wave propagation. An outcome, encountered in the literature, shows the necessity of complementary investigation using the whole two-phase porous continuum in the time domain.
A finite element approach within the framework of the complete Biot theory is proposed. The characteristics of the numerical tool developed are specified. Particularly, the C++ objet oriented programming gives a low-sized solver organised in three interchangeable classes. Moreover, a previous semi-analytical work
provides the dispersion and attenuation relationships, as well as the exact determination of the wave celerities.
Applications deal with porous soils: the time domain displacements of the solid and the fluid phases over and within the porous semi-infinite ground are obtained for two-dimensional problems.
Parametric studies of the mechanical couplings are carried out. The compressional wave of the second kind is highlighted. A first approach of heterogeneous or partially saturated soils is also proposed.
The study of three-dimensional cases is then considered. The important numerical size of this kind of problems requires the parallelization of the code. Tests on various supercomputers are carried out in order to measure the performance of parallel computing and lead to three-dimensional results.
A preliminary study presents some general characters of the poroviscoelastic concept of medium, in the Biot theory as in mechanical wave propagation. An outcome, encountered in the literature, shows the necessity of complementary investigation using the whole two-phase porous continuum in the time domain.
A finite element approach within the framework of the complete Biot theory is proposed. The characteristics of the numerical tool developed are specified. Particularly, the C++ objet oriented programming gives a low-sized solver organised in three interchangeable classes. Moreover, a previous semi-analytical work
provides the dispersion and attenuation relationships, as well as the exact determination of the wave celerities.
Applications deal with porous soils: the time domain displacements of the solid and the fluid phases over and within the porous semi-infinite ground are obtained for two-dimensional problems.
Parametric studies of the mechanical couplings are carried out. The compressional wave of the second kind is highlighted. A first approach of heterogeneous or partially saturated soils is also proposed.
The study of three-dimensional cases is then considered. The important numerical size of this kind of problems requires the parallelization of the code. Tests on various supercomputers are carried out in order to measure the performance of parallel computing and lead to three-dimensional results.
L'objectif de ce travail consiste à étudier numériquement la propagation des ondes mécaniques dans un milieu poreux continubiphasique en régime impulsionnel. Un code de calcul permettant la simulation et l'analyse du comportement mécanique est mis au point à cet effet. Une analyse préliminaire présente des généralités sur la notion de milieu poroviscoélastique, sur la théorie de Biot ainsi que sur la propagation des ondes mécaniques. Un bilan des résultats rencontrés dans la bibliographie montre la nécessité de mener une étude complémentaire sur le modèle complet du milieu poreux continu biphasique dans le domaine temporel.
Une approche par éléments finis est proposée dans le cadre de la théorie générale de Biot. Les caractéristiques de l'outil numérique développé sont précisées. En particulier, la structure orientée objet donne un code compact et souple. Un travail
semi-analytique, préalablement effectué, s'intéresse aux phénomènes de dispersion, d'atténuation et à la détermination des vitesses de propagation des différentes ondes.
Une modélisation bidimensionnelle permet d'obtenir les déplacements temporels des phases solide et fluide en surface et en profondeur d'un sol poreux semi-infini. Une étude paramétrique des couplages mécaniques est effectuée. La seconde onde de compression est mise en évidence. Une première approche de sols hétérogènes ou partiellement saturés est en outre proposée.
L'étude de problèmes tridimensionnels est ensuite envisagée. La taille numérique importante de cette problématique nécessite alors la parallélisation du code de calcul. Des essais sur différents supercalculateurs sont réalisés pour mesurer la performance du
calcul parallèle et conduisent à des résultats tridimensionnels.
Une approche par éléments finis est proposée dans le cadre de la théorie générale de Biot. Les caractéristiques de l'outil numérique développé sont précisées. En particulier, la structure orientée objet donne un code compact et souple. Un travail
semi-analytique, préalablement effectué, s'intéresse aux phénomènes de dispersion, d'atténuation et à la détermination des vitesses de propagation des différentes ondes.
Une modélisation bidimensionnelle permet d'obtenir les déplacements temporels des phases solide et fluide en surface et en profondeur d'un sol poreux semi-infini. Une étude paramétrique des couplages mécaniques est effectuée. La seconde onde de compression est mise en évidence. Une première approche de sols hétérogènes ou partiellement saturés est en outre proposée.
L'étude de problèmes tridimensionnels est ensuite envisagée. La taille numérique importante de cette problématique nécessite alors la parallélisation du code de calcul. Des essais sur différents supercalculateurs sont réalisés pour mesurer la performance du
calcul parallèle et conduisent à des résultats tridimensionnels.
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