[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le Cemagref ETNA

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
Année

2000

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.

Programme plus vaste
*
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
 


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.

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
 
Production scientifique
- Production de connaissances théoriques
Produits délivrables
*
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...

Pages Web
 Rapport disponible : http://www.grenoble.cemagref.fr/etna/resultats/program_region/NAAIMBOUVETPGRN.pdf

 

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