Modélisation numérique avancée de la réponse dynamique du système train–voie–sol pour les voies sans Ballast à grande vitesse // Advanced Numerical modeling of dynamic response of train-track ground system for high speed ballastless tracks

Au cours de la dernière décennie, l'expansion des lignes à grande vitesse a connu une croissance significative. Les voies conventionnelles à ballast sont largement utilisées en raison de leur faible coût d'investissement. Cependant, leur utilisation devient de plus en plus désavantageuse en raison de leur durée de vie limitée (15-20 ans), de leur entretien coûteux et des problèmes liés aux vitesses élevées. En tant qu'alternative efficace, les voies non ballastées deviennent de plus en plus populaires à l'échelle mondiale, notamment pour des vitesses supérieures à 300 km/h. Leur durée de vie est en effet deux à trois fois plus longue que celle des voies ballastées. Les voies non ballastées ont été introduites pour la première fois au Japon entre 1960 et 1970, puis en Allemagne en 1991. Plus récemment, plusieurs milliers de kilomètres de voies non ballastées ont été déployées en Chine, où les trains peuvent dépasser les 300 km/h.
Bien que représentant une innovation technologique majeure, les lignes à grande vitesse peuvent générer d'importantes nuisances environnementales (bruit et vibrations aéroportés et transmises au sol) pour les riverains et même endommager les structures adjacentes. Les vibrations générées au niveau de la roue/rail proviennent de la masse du train, des irrégularités des rails qui s'aggravent avec le temps, des défauts des roues et de la rigidité non uniforme due aux supports discrets des rails. À des vitesses élevées, ces vibrations peuvent être amplifiées de manière significative, entraînant des dommages tant sur les composants du véhicule que sur ceux de la voie.
Pour comprendre la dynamique de ces systèmes, il est essentiel de développer des méthodes théoriques et expérimentales avancées capables de reproduire correctement les interactions dynamiques mutuelles entre les composants du système (véhicule, voie, sous-sol, etc.). Plusieurs approches numériques ont été proposées dans le domaine fréquentiel, mais elles se limitent à un comportement linéaire. Certaines approches récentes en modélisation temporelle ont été proposées pour les voies ballastées classiques, dans des lignes droites et à vitesse constante.
L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles numériques fiables dans le domaine temporel, visant à simuler correctement les interactions dynamiques complexes entre le train, la voie et le sol sur des voies non ballastées à grande vitesse. Avec l'augmentation rapide de la puissance de calcul, les techniques de modélisation numérique deviennent particulièrement attractives pour une simulation efficace des problèmes d'interaction sol-structure dans le domaine temporel. Cependant, l'inclusion de comportements non linéaires exige un effort de calcul considérable, surtout lorsqu'il s'agit de vitesses et de plages de fréquence élevées. Des approches à 1D et 3D ont été récemment développées (2015-2021) dans des thèses précédentes au sein de notre équipe de recherche (voir les références, Mezeh et al.). Elles ont été appliquées avec succès à des expériences à l'échelle réelle sur des voies ballastées dans le cadre d'un projet de recherche national français (BPL, Bretagne-Pays), impliquant plusieurs partenaires académiques et industriels (SNCF, EIFFAGE Infrastructures, IFSTTAR, SETEC Ferroviaire et l'Université de Lille).
Dans cette thèse, les développements numériques se concentreront sur le cas des voies non ballastées dans les plages de vitesses sub-Rayleigh et super-Rayleigh. Le modèle développé constituera un outil efficace pour définir les stratégies (techniques de réduction) permettant de maintenir des niveaux de vibrations acceptables dans les zones urbaines. D'autre part, le modèle numérique, couplé à des algorithmes d'apprentissage automatique tels que l'algorithme génétique (GA), devrait permettre la détermination des impédances dynamiques, essentielles pour les applications de conception en génie civil.
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Over the past decade, the expansion of high-speed rail lines has grown significantly. Conventional ballasted tracks are widely used due to their low investment cost. However, their use has become increasingly disadvantageous due to their limited service life (15-20 years), expensive maintenance, and issues related to high-speed operation. As an efficient alternative, ballastless tracks have become more popular worldwide, particularly for speeds above 300 km/h. In fact, their service life is two to three times longer than that of ballasted tracks. Ballastless tracks were first introduced in Japan between 1960 and 1970, followed by Germany in 1991. More recently, several thousand kilometers of ballastless tracks have been deployed in China, where trains can exceed speeds of 300 km/h.

Although representing a major technological innovation, high-speed rail lines can generate significant environmental disturbances (airborne and ground-borne noise and vibrations) to nearby residents and even cause damage to adjacent structures. The vibrations generated at the wheel/rail interface arise from factors such as the train's mass, rail irregularities that worsen over time, wheel defects, and the non-uniform stiffness due to discrete rail supports. At high speeds, these vibrations can be significantly amplified, leading to damage to both vehicle and track components.

To understand the dynamics of these systems, it is crucial to develop advanced theoretical and experimental methods that can accurately reproduce the dynamic interactions between the system components (vehicle, track, subsoil, etc.). Several numerical approaches have been proposed in the frequency domain, but they are limited to linear behavior. Recent time-domain modeling approaches have been proposed for standard ballasted tracks on straight lines at constant speed.

The main objective of this thesis is to develop reliable numerical models in the time domain to accurately simulate the complex dynamic interactions of the train/track/ground system in ballastless tracks at high speeds. With the rapid increase in computing power, numerical modeling techniques have become particularly attractive for efficiently simulating soil-structure interaction problems in the time domain. However, including nonlinear behavior requires significant computational effort, especially when dealing with high-speed and high-frequency ranges. Both 1D and 3D approaches were recently developed (2015-2021) in previous dissertations within our research team (see references, Mezeh et al.). These models were successfully applied to real-scale experiments on ballasted tracks within the framework of a national French research project (BPL, Bretagne-Pays), involving several academic and industrial partners (SNCF, EIFFAGE Infrastructures, IFSTTAR, SETEC Ferroviaire, and the University of Lille).

In this thesis, numerical developments will focus on ballastless tracks within the sub-Rayleigh and super-Rayleigh velocity ranges. The developed model will serve as an effective tool to define strategies (mitigation techniques) to maintain acceptable vibration levels in urban areas. Furthermore, the numerical model, combined with machine learning algorithms such as the Genetic Algorithm (GA), should facilitate the determination of dynamic impedances, which are crucial for engineering design applications.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programmes gouvernementaux hors France et Union Européenne

Université de Lille

632 ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

Le candidat devrait avoir une bonne maitrise de la modélisation numérique et la dynamique des sols et des structures et un niveau correct en Anglais.
The candidate should have a strong background in numerical modeling and soil-structure dynamics, along with a good level of proficiency in English.