[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le CEN / CNRM Météo-France

Ce projet porte sur l’étude de zones de rupture dans le manteau neigeux, à travers une double approche : la modélisation physique et la simulation numérique. En fait, ce projet n’est qu’une étape d’un programme de recherche plus général sur l’analyse 3D de l’instabilité et rupture du manteau neigeux ; sujet qui intéresse tout autant le CEN que le Cemagref, bien que leur domaine d’application ou objectif final soit différent : la prévision du risque avalanche à une échelle plus fine pour le CEN, et la prévention ou plutôt l’évaluation des quantités de neige potentiellement mobilisables pour pouvoir déterminer la dynamique des avalanches, pour le Cemagref.

Les méthodes d’évaluation de l’instabilité du manteau neigeux et des zones de rupture potentielles reposent actuellement sur des mesures ponctuelles, des analyses déterministes unidimensionnelles relatives à des pentes types (Crocus-Mepra), des analyses (à l’échelle du massif ou locales) statistiques et/ou expertes. Mais la complexité des mécanismes de rupture, la localisation précise des zones de rupture et leur propagation restent encore des phénomènes mal connus ; d’autant que ces phénomènes dépendent de propriétés mécaniques difficiles à mesurer, de la variabilité spatiale du manteau neigeux et d’une nécessaire prise en compte de la topographie.

Les développements de logiciels 3D, qu’ils soient de type éléments finis ou de type différences finies (Flac 3D) offrent de nouvelles perspectives d’études pour mieux appréhender ces mécanismes de rupture et de propagation des fractures dans le manteau neigeux. A terme, ils devraient permettre d’effectuer des analyses du manteau neigeux en trois dimensions et ainsi d’aider à étudier les instabilités à une échelle plus fine.

Ce domaine d’études pluriannuelles, vaste et complexe, dépasse largement le cadre de ce projet et implique tout à la fois :

• le développement ou/et l’utilisation d’outils de simulation numérique, avec des lois rhéologiques adaptées à la neige et aux comportements ou phénomènes que l’on veut simuler ;

• l’acquisition de données plus précises sur les propriétés mécaniques entrant dans ces logiciels, relatifs aux différents types de neige et « zones interstrates » ;

• mais aussi de pouvoir valider et recouper les résultats de simulation ou d’analyses par des mesures physiques et par des observations in situ.

1) Modélisation physique de la topographie d’un couloir simple pour tester l’influence sur la stabilité de différents paramètres physiques de base :

Le manteau neigeux a été représenté par une superposition de différentes couches de matériaux dont les propriétés physiques sont mesurées par essais rhéométriques. La maquette permet, grâce à sa géométrie variable, d’augmenter graduellement la pente et d’augmenter l’angle de rupture de pente. Le dispositif est équipé d’une caméra qui permet d’étudier la chronologie de la rupture dans la zone de départ. La réalisation de différents essais a permis d’étudier l’influence de chacun des paramètres contrôlés (pente, épaisseur…) sur la stabilité.

2.a) Caractérisation du comportement mécanique de la neige avant rupture, en essayant de reproduire des essais physiques en chambre froide de déformations lentes (réalisés dans les années 1985 en collaboration avec le laboratoire 3S) :

- Analyse des résultats des essais physiques (non destructifs) de compressions d’échantillons cylindriques de neige sèche (densité 180 à 300 kg/m3), soumis à des sollicitations triaxiales à vitesse constante ou variable ou oedométrique.

- Choix d’un modèle capable d’approcher au mieux les comportements mécaniques constatés.

- Définition des valeurs des paramètres mécaniques relatifs au modèle choisi (viscoplastique).

- Vérification de la cohérence des simulations avec les résultats des essais physiques en évaluant l’influence ou sensibilité de certains paramètres.

2.b) Simulations des états de contraintes et d’instabilité (rupture) d’un manteau neigeux multicouches déposé sur une pente irrégulière :

- Développement d’un maillage d’un manteau neigeux multicouches utilisable dans Flac 3D, qui permet de reproduire une géométrie 3D type, avec des caractéristiques variables et aisément programmables (pentes variables, formes de combe et/ou de croupes, etc.) et des répartitions de neige localement irrégulière. Ceci devait permettre des comparaisons ultérieures entre les résultats de simulation par Flac 3D, des sorties de la chaîne Safran/Crocus/Mepra et des mesures in situ.

- Réalisation de simulations préliminaires, avec différentes lois de comportement élastiques et/ou élasto-plastiques (critère de Mohr-Coulomb) et pour différents cas de figure (plaque sur couche fragile, surcharge par dépôt de neige ou skieur, existence d’une zone de faiblesse localisée, représentation d’une couche fragile mince par une interface reflétant la discontinuité des couches…). L’état de stabilité - instabilité est défini en chaque maille par le calcul de 2 indices de stabilité Fs (en cisaillement) et Ft (en traction), calculés à partir du rayon du cercle de Mohr (défini par les contraintes principales) et des résistances limites ; F>> 1 si stable.

1) Informations sur les conditions de rupture (travail inclus dans la thèse de Lionel Vidal). Ces résultats expérimentaux devaient par la suite être comparés avec ceux obtenus par simulation numérique.

2.a) Les résultats des simulations reflètent bien les comportements notés lors des essais physiques antérieurs, et conduisent à des valeurs de contraintes / déformations cohérentes avec celles de ces essais, malgré quelques différences, essentiellement pour des neiges de densité plus faible, s’expliquant par le fait que cette loi ne permet pas encore la prise en compte des ponts et formations des ponts intergrains (frittage).

2.b) Evaluation de certaines modalités de fonctionnement du logiciel Flac 3D et des impacts de certains paramètres sur les résultats.