Comportement de pieux d'ancrage en interaction avec le sol sous chargement transversal multidirectionnel cyclique // Anchor pile behaviour in interaction with the soil mass under transverse multi-directional cyclic loading

Ce projet de thèse porte sur l'analyse du comportement de pieux soumis à des chargements latéraux cycliques dont la direction de chargement varie (chargement multidirectionnel). Il s'agit de développer une modélisation numérique et de la valider à partir d'une étude expérimentale à l'échelle réduite.
Le contexte est celui des pieux d'ancrages d'éoliennes flottantes, en particulier des ancres mutualisées. Le comportement du pieu, lui-même plus ou moins flexible, dépend également des caractéristiques du massif de sol dans lequel il est installé et des conditions d'interface sol-pieu. Le problème d'interaction sol-structure est d'autant plus complexe que le chargement est cyclique et multidirectionnel. La prédiction des déplacements en tête du pieu, de leur accumulation au cours des cycles et des sollicitations induites dans celui-ci est alors difficile et dépend de nombreux facteurs.
Des approches par modélisation numérique sont en cours de développement, mais celles-ci nécessitent impérativement une validation par des résultats physiques, de par la nature particulièrement complexe des chemins de chargement. Ainsi, au cours de cette thèse, des expérimentations réalisées en laboratoire à l'échelle réduite (facteur d'échelle d'environ 1/5) sont analysées et sont la base du développement d'un modèle numérique tridimensionnel. Lors de la campagne expérimentale de 2024, réalisée à la TU de Darmstadt en Allemagne dans le cadre d'un projet collaboratif européen piloté par le 3SR (projet GEOLAB SAM-WT), un pieu de diamètre 324 mm et encastré de 2 m dans un massif de sable dense, a été chargé latéralement en tête par un système de vérins, spécialement développé pour appliquer un chargement latéral multidirectionnel. La campagne a consisté en un essai sous chargement latéral monotone et monodirectionnel, un essai sous chargement latéral cyclique monodirectionnel et un essai sous chargement latéral cyclique multidirectionnel. Le pieu était instrumenté de jauges de déformations sur plusieurs profils et équipé d'un système de mesure de la cinématique de la tête du pieu (déplacements et rotations). Des informations sur le champ de déplacements dans le massif de sol ont été obtenues par une instrumentation par fibre optique continue (technologie Rayleigh). Ces données forment un complément de mesures peu habituelles pour ce type d'essais et intéressantes pour la confrontation à des approches de modélisation. Après la réalisation des essais, un travail d'analyse des données d'instrumentation est encore nécessaire, en particulier pour le cas du chargement multidirectionnel qui est particulièrement complexe.
Des tests complémentaires ont consisté en des essais de caractérisation du massif de sol en place par pénétromètre statique, des essais de caractérisation du comportement du sol par des essais triaxiaux monotones et cycliques équipés de bender elements, dont l'exploitation doit permettre de calibrer les paramètres des lois de comportement de la modélisation numérique. En complément, des essais de caractérisation du comportement de l'interface sol-pieu par des essais de cisaillement d'interface sont également envisagés au cours de la thèse, toujours avec un objectif d'alimenter la modélisation numérique.
Sur la base de cette campagne expérimentale, le travail de thèse prévoit une analyse par modélisation numérique tridimensionnelle en milieu continu, par le déploiement d'un modèle préexistant. Afin de prendre en compte le chargement complexe appliqué au pieu, des lois de comportement avancées des sols doivent être utilisées. Ce complément numérique aidera à l'extrapolation à l'échelle prototype des résultats obtenus à l'échelle du modèle, en plus d'une analyse dimensionnelle (application des règles de similitudes).
Enfin, au cours de cette thèse, il est prévu la conception d'une campagne d'essais dans la chambre de calibration du laboratoire 3SR, similaire à celle menée à Darmstadt, mais à une échelle plus petite.
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This thesis work relates to the analysis of anchor pile behaviour when submitted to lateral cyclic loading, and with changing loading direction (multi-directional loading). The aim is to develop a numerical model and validate it using a reduced-scale experimental study.
The framework concerns anchor piles for floating offshore wind turbines, an in particular shared anchor piles. The behaviour of the pile, itself more or less flexible, also highly depends on the behaviour of the ground. The soil-structure interaction issue is even more complex as the loading is cyclic and multidirectional. The prediction of the pile head displacements and pile solicitations is therefore a difficult task and depends on numerous factors.
Numerical models are currently under development, but they necessitate the validation using physical results, in particular due to the complex nature of the loading paths. Hence, this thesis work focuses on the analysis of laboratory reduced-scale experiments (scale factor equal to 1/5) and their numerical back analysis. The experimental campaign took place at the TU Darmstadt in Germany, in the frame of a collaborative European project (GEOLAB SAM-WT), led by the 3SR laboratory. A 324-mm-diameter pile with 2m-embedment in a dense sand mass was laterally loaded using an actuator system, specially developed to apply a multidirectional lateral loading. The experimental program comprised a test under lateral monotonic loading, a test under monodirectional lateral cyclic loading and a test under multidirectional lateral cyclic loading. The pile was instrumented with strain gauges in several profiles and equipped with a system to measure the pile head movements (displacement and rotation). Information on the displacement field within the ground mass were obtained using fibre optic sensing (Rayleigh technology). These data form a complement of measurements that are unusual for this type of test and interesting for comparison with modelling approaches. Thus, after the completion of the tests, significant work on analysing the instrumentation data is still necessary, in particular for the case of the multidirectional loading, which is especially complex.
Additional tests consisted of penetrometer tests to characterize the soil mass in place, tests to characterize the behaviour of the soil by monotonic and cyclic triaxial tests and by bender elements, in order to subsequently calibrate the parameters of the constitutive models of the numerical modelling. Complementary tests to characterize the behaviour of the soil-pile interface by interface shear tests are also planned during the thesis, always with the aim of feeding into numerical modelling.
Based on the experimental campaign, the thesis work provides for a three-dimensional numerical analysis in a continuum, by developing a pre-existing model. In order to account for the complex loading applied to the pile, advanced soil constitutive models must be used. This numerical complement will help in the extrapolation to the prototype scale of the results obtained at the model scale, in addition to a dimensional analysis (application of similarity rules).
Finally, during this thesis, it is planned to design a test campaign in the calibration chamber of the 3SR laboratory, similar to that carried out in Darmstadt, but on a smaller scale.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Formation initiale en géotechnique/géomécanique et génie civil ; bonne compréhension de problèmes d'interaction sol-structure relatifs aux ouvrages géotechniques ; appétence pour le traitement et l'analyse de données expérimentales ; capacités pour l'utilisation d'outils de calcul numérique et leur développement.
Formal education in geotechnics/geomechanics and civil engineering, good understanding of soil-structure interaction issues; taste for instrumentation data processing and analysis;. aptitude for the use and development of software/numerical codes