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Titre
du projet |
Analyse
de la rupture d'une couche cohésive reposant sur une
couche fragile
[ rapport pdf ] |
| Type
d'aléa |
Glace,
neige et avalanches |
| Mots-clés |
Risque
avalanche - Stabilité du manteau neigeux - Couche fragile
- Modélisation physique - Simulation numérique
aux éléments discrets - Expérimentation
in situ |
| Champs
disciplinaires |
Nivologie,
mécanique |
1) Organismes et auteurs
| Organisme
pilote |
Cemagref
ETNA |
| Organisme(s)
associé(s) |
Météo
France CEN / 3S / LTPCM |
| Coordonnateur |
Florence
NAAIM-BOUVET |
| Participants |
* |
2) Contexte du projet
| Site(s)
d'étude |
Campagne
expérimentale menée lors de la saison d’hiver
2000/2001 au col du lac Blanc à l’Alpe
d’Huez |
|
Contexte
de l'étude |
L’étude
de la stabilité du manteau neigeux fait l’objet,
depuis les années 1980, de recherches visant à
comprendre les mécanismes conduisant à sa rupture.
Le matériau neigeux en tant que tel a fait l’objet
d’études rhéologiques (CEN, laboratoire
3S) qui ont permis de mettre en évidence une large
gamme de comportement en fonction du type de neige étudié.
Des modèles mathématiques aux éléments
finis sont utilisés de manière à simuler
la stabilité d’une pente (CEN, laboratoire 3S,
Ifena entre autres).
C’est
dans le cadre de cette recherche que s’insère
le présent projet pour tenter d’apporter une
connaissance plus spécifique de certains mécanismes
de rupture du manteau neigeux. En particulier, l’approche
employée repose sur une étude aux échelles
microscopique et macroscopique du problème de la stabilité
ainsi que sur l’usage des tests en laboratoire. L’étude
de la stabilité du manteau neigeux a été
jusqu’à présent étudié indépendamment
des conditions de transport de neige par le vent en amont
du phénomène de rupture. Dans ce cadre, le mécanisme
de rupture impliquant des couches sous-jacentes dites «
fragiles » a été plus spécialement
étudié. Cette étude spécifique
a été intégrée dans le cadre d’un
programme plus vaste visant à étudier la stabilité
des plaques à vent par le biais de la modélisation
numérique et physique tant en laboratoire que sur le
terrain. |
| Initiation
du projet |
Projet
initié par le PGRN
Participation du PGRN |
| Montant
du financement
(k€) |
16,16
k€ (106 kF) |
Part
du CG38 - PGRN |
?
% |
| (Co)-Financements |
(Total
demandé : 228 kF) |
| Appréciation
du rôle du financement CG38 - PGRN |
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3)
Objectifs, méthodes et résultats
| Objectifs |
-
Mettre en évidence les différents types de mécanismes
de rupture de plaque à vent reposant sur une couche
fragile.
- Relier ces différents mécanismes de rupture
ainsi que les limites de stabilité correspondant aux
différentes formes de plaques générées
par le transport.
- Relier ces différentes formes d’accumulation
aux paramètres physiques du transport ainsi qu’à
la topographie de la pente teste (rupture de pente plus ou
moins marquée).
- Relier, par comparaison des deux points précédents,
la limite de stabilité aux paramètres physiques
du transport et à la topographie de la rupture de pente.
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| Méthodologie |
1)
Modélisation en soufflerie au laboratoire utilisant
des matériaux granulaires dont les comportements mécaniques
sont proches de ceux observés sur les différents
types de neige impliqués dans la rupture de plaque
à vent.
2) Modélisation numérique aux éléments
finis (logiciel Flac3D) permettant d’étudier
le camp de contrainte dans la plaque supérieure et
modélisation aux éléments distincts permettant
d’étudier l’instabilité de la couche
fragile sous-jacente. Validation de cette démarche
numérique par les essais en soufflerie, et application
in situ (3).
3) Etude in situ du phénomène, basée
sur l’instrumentation de couloirs permettant le suivi
des différents paramètres mécaniques
impliqués dans la stabilité du manteau neigeux
et dans le transport de la neige par le vent associé.
Cette
démarche devait permettre d’étudier les
paramètres mécaniques impliqués dans
la stabilité du manteau neigeux et les conditions qui
le conduisent à la rupture, ainsi que de relier ces
conditions d’occurrence aux conditions de production
par l’étude du transport de la neige par le vent
dans les zones de crête. Il s’agissait donc de
traiter le problème de la stabilité en le replaçant
dans son contexte, en intégrant la topographie des
zones de crête et le transport de la neige par le vent
qui les caractérisent.
|
| Résultats |
1)
Synthèse des connaissances sur la place de la modélisation
de la stabilité dans une chaîne de modèles
imbriqués allant de l’étude du transport
de la neige par le vent et de son influence sur la répartition
de la neige dans les zones de départ des avalanches,
au modèle d’écoulement permettant de déterminer
la zone d’influence d’une avalanche.
Détermination des typologies pour lesquelles une analyse
simple de paramètres accessibles peut apporter de l’information
quant au volume initial mis en jeu dans la zone de départ.
Mise en évidence, par analyse micro structurale de
la couche fragile, de deux types de mode de fonctionnement
du système plaque cohésive - couche fragile,
pouvant aider à mieux appréhender la complexité
du phénomène in situ.
2) Mise en évidence i) de la relative cohérence
des résultats des simulations avec ceux des expériences,
ii) d’une précision insuffisante dans la connaissance
des propriétés mécaniques des matériaux
utilisés et de la grande variabilité des résistances
du matériau cohésif (en fonction de sa mise
en place et des contraintes auxquelles il a été
soumis), et iii) de la grande sensibilité des résultats
à certaines propriétés mécaniques
de la neige, qu’il convient de mieux étudier
y compris à l’échelle microscopique.
Cette étude a surtout permis d’appréhender
et de quantifier un certain nombre de problèmes pratiques
de simulation avec Flac3D, par référence à
une expérience réelle et pour des conditions
similaires à ce que l’on peut rencontrer avec
certains manteaux neigeux.
3) Les résultats des mesures de ténacité
sont très encourageants, avec une excellente reproductibilité
(qui ne paraissait pas évidente à première
vue). Du point de vue expérimental, cette méthode
de mesure semble bien adaptée à des neiges de
type grain fin, mais très difficilement faisable sur
d’autres types de neige, qu’ils soient plus denses
(impossibilité de pénétrer l’appareillage
dans la neige) ou moins dense (rupture de l’échantillon,
avant le test).
Les simulations à l’aide du code éléments
discrets sont particulièrement encourageantes du point
de vue de la phénoménologie, car elles ont reproduit
assez fidèlement les schémas de rupture observés
sur le terrain ; il reste néanmoins toute une réflexion
théorique à mener pour le passage « mécanique
des milieux granulaires – mécanique de la rupture
». En effet, il est nécessaire de connaître
les propriétés de la neige au niveau du grain
(rupture des ponts) alors que les ténacités
critiques mesurées sont à l’échelle
macroscopique. |
4)
Débouchés du projet
| Utilisateurs
finaux potentiels |
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|
Production
scientifique |
-
Production de connaissances théoriques |
| Partenariats |
-
Préexistant
- Initié par ce projet (LTPCM)
- Qui se poursuit (?) |
|
Retombées
du projet |
Les
développements et études comparatives effectués
avec les simulations numériques devaient permettre
de poursuivre cette approche pour une analyse 3D du manteau
neigeux à l’échelle macroscopique, dans
l’optique de la Prévision du Risque d’Avalanche
(PRA). |
5)
Valorisation du projet
| Publications
et communications |
Communication
sans actes :
FAILLETTA J., DAUDON D., LANIER J. et BONJEAN D. (2001) :
In situ snow fracture toughness measurement and discrete modelling,
ALERT 2001 Aussois, 8 au 10 octobre 2001
Actes
avec review :
Louchet F., FAILLETTA J. et DAUDON D. (2001) : Possible deviations
from griffiths criterion in shallows slabs, and consequences
on slab avalanche release, XXVI general assembly Nice France,
25-30 mars 2001 , org. European geophysical society, in :
News letters.
+ 1 thèse...
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| Pages
Web |
Rapport
disponible : http://www.grenoble.cemagref.fr/etna/resultats/program_region/NAAIMBOUVETPGRN.pdf |
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