v7.30.100 WTNL100 - Consolidation d’une colonne de sol poro-élastique saturé (Terzaghi)#

Résumé:

Ce cas-test porte sur la consolidation d’une colonne de sol poro-élastique saturé, étanche latéralement et à la base, soumise à un échelon de force en tête. L’objectif est de tester les déplacements (de tassement du sol), les pressions et comparer l’ensemble des résultats avec une solution analytique, dont les grandes lignes sont présentées.

Solution de référence#

Les contraintes totales poro-élastiques sont : \(\sigma ={E}_{0}\varepsilon (u)-{\mathrm{bP}}_{\mathrm{lq}}\) . Seule la composante verticale est présente : \({\sigma}_{yy}(y,t)={E}_{0}{u}_{y,y}(y,t)-{\mathrm{bP}}_{\mathrm{lq}}(y,t)\) .

L’équilibre hydro-mécanique poro-élastique \(\mathrm{1D}\) s’écrit donc, en l’absence de force de pesanteur, pour \(t\ge 0\) :

\(\lbrace \begin{array}{c}{E}_{0}{u}_{y,yy}(y,t)-{\mathrm{bP}}_{\mathrm{lq},y}(y,t)=0,\mathrm{équilibre}\mathrm{mécanique}\\ {\lambda}_{\mathrm{lq}}^{H}{P}_{\mathrm{lq},yy}(y,t)-b{\dot{u}}_{y,y}(y,t)=0,\mathrm{équilibre}\mathrm{hydraulique}\end{array}\)

avec les conditions initiales: \({u}_{y}(y,0)=0\) , \({P}_{\mathrm{lq}}(y,0)=0\) et les conditions aux limites pour \(t>0\) : \({u}_{y}(0,t)=0\) , \({P}_{\mathrm{lq}}(0,t)=0\) , \({\sigma}_{yy}(H,t)={F}_{0}\eta (t)={E}_{0}{u}_{y,y}(H,t)-{\mathrm{bP}}_{\mathrm{lq}}(H,t)\)\(\eta (t)\) est la fonction échelon en \(t=0\) (Heaviside).

L’équilibre mécanique donne directement l’uniformité des contraintes totales pour \(t>0\) sur \(∣0,H∣\) , d’où: \({\sigma}_{yy}(y,t)={F}_{0}={E}_{0}{u}_{y,y}(y,t)-{\mathrm{bP}}_{\mathrm{lq}}(y,t)\) , soit \({u}_{y,y}(y,t)=\frac{1}{{E}_{0}}({F}_{0}+{\mathrm{bP}}_{\mathrm{lq}}(y,t))\) , pour \(t>0\) sur \(∣0,H∣\) .

L’équilibre hydraulique conduit alors à:

\(\frac{{b}^{2}}{{E}_{0}}{\dot{P}}_{\mathrm{lq}}(y,t)-{\lambda}_{\mathrm{lq}}^{H}{P}_{\mathrm{lq},yy}(y,t)=0\) , pour \(t>0\) sur \(∣0,H∣\)

avec comme conditions initiales \({P}_{\mathrm{lq}}(y,0)=-\frac{{F}_{0}}{b}\) sur \(∣0,H∣\) , et deux conditions aux limites \({P}_{\mathrm{lq}}(H,t)=0\) et \({P}_{\mathrm{lq},y}(0,t)=0\) pour \(t>0\) , c’est-à-dire un problème du type choc thermique sur \(∣0,H∣\) .

Le coefficient de consolidation \({c}_{\nu}={\lambda}_{\mathrm{lq}}^{H}{E}_{0}/{b}^{2}\) vaut ici : \({c}_{\nu}=0,1{m}^{2}/s\) . Il pilote la durée du processus de consolidation.

Il en découle ainsi un temps caractéristique \({\tau}_{c}={H}^{2}/{c}_{\nu}\) (\(=\mathrm{1000s}\) ici) servant à identifier le pas de la discrétisation temporelle pour la méthode numérique d’intégration. A cette valeur \({\tau}_{c}\) , il a été atteint un peu plus de 90% de la consolidation.

La solution est, cf. [2]:

\({P}_{\mathrm{lq}}(y,t)=\frac{-4{F}_{0}}{\pi b}\sum_{m=1,2,3\mathrm{..}}^{+\infty }\frac{{(-1)}^{m-1}}{\mathrm{2m}-1}{e}^{-{\lambda}_{\mathrm{lq}}^{H}{E}_{0}{\pi}^{2}{(\mathrm{2m}-1)}^{2}\frac{t}{({\mathrm{4b}}^{2}{H}^{2})}}.\cos(\frac{\pi y(\mathrm{2m}-1)}{\mathrm{2H}})\)

et : \({u}_{y}(y,t)=\frac{{F}_{0}y}{{E}_{0}}+\frac{b}{{E}_{0}}\underset{0}{\overset{y}{\int}}{P}_{\mathrm{lq}}(\xi ,t)d\xi\)

soit: \({u}_{y}(y,t)=\frac{{F}_{0}y}{{E}_{0}}-\frac{8H{F}_{0}}{{\pi}^{2}{E}_{0}}\sum_{m=1,2,3\mathrm{..}}^{+\infty }\frac{{(-1)}^{m-1}}{{(\mathrm{2m}-1)}^{2}}{e}^{-{\lambda}_{\mathrm{lq}}^{H}{E}_{0}{\pi}^{2}{(\mathrm{2m}-1)}^{2}\frac{t}{({\mathrm{4b}}^{2}{H}^{2})}}.\sin(\frac{\pi y(\mathrm{2m}-1)}{\mathrm{2H}})\)

Les contraintes effectives (agissant sur le squelette) sont: \({\sigma}_{yy}^{\mathrm{eff}}(y,t)={E}_{0}{u}_{y,y}(y,t)\) .Pour des instants \(t\to \infty\) , nous obtenons: \({P}_{\mathrm{lq}}(0,\infty )=0\) et \({u}_{y}(H,\infty )=\frac{{F}_{0}H}{{{\rm E}}_{0}}\) (soit ici \(-{10}^{-6}m\) ).

Incertitudes sur la solution#

La solution de référence est analytique.

Influence du choix de la modélisation#

Dans ce paragraphe, on souhaite attirer l’attention sur une difficulté de modélisation numérique liée à ce type de test (colonne de Terzaghi). Dans ce qui suit on discute donc de l’influence de la modélisation retenue et on s’appuie notamment sur des calculs réalisés avec le code Lagamine (Université de Liège) qui dispose d’éléments différents de ceux de Code_Aster. Pour cette raison, le test présenté dans ce paragraphe provient d’une étude externe et n’est pas quantitativement exactement le même que celui étudié dans le reste du document. Il ne donne donc pas les mêmes solutions de références. Ce paragraphe constitue donc un complément donné à titre informatif.

A l’instant \(t=0\) , la solution est discontinue à la surface libre \(y=H\) :

\(\lbrace \begin{array}{cc}\frac{{P}_{\mathit{lq}}(y,0)}{{F}_{0}}=1& \forall y<H\\ {P}_{\mathit{lq}}(H,0)=0& \end{array}\)

A cause de cette discontinuité, ce test est un cas d’école mettant en évidence les phénomènes d’oscillations numériques de la pression hydraulique liés à l’utilisation d’une formulation mixte par la méthode des éléments finis. Ces oscillations se produisent généralement au voisinage d’une paroi drainante, et sont dues à:

  • la violation de la condition inf-sup;

  • choix d’un pas de temps trop petit, violant le principe du maximum [:ref:` R3.06.07 < R3.06.07 >`];

Le choix du type d’éléments finis a une influence considérable sur la solution obtenue au voisinage de la surface libre, autour de \(t=0\) . Dans Code_Aster, la modélisation sélective (HMS) permet d’éliminer ces oscillations ( Figure 2.2-a ), contrairement à la modélisation classique (HM).

Cependant, l’obtention de la solution exacte pour la pression hydraulique \({P}_{\mathit{lq}}(y,0)\) par la modélisation HMS se traduit par une approximation plus grande (par rapport à la modélisation HM, voir le cas du maillage fin de la Figure 2.2-b ) pour la solution en déplacement vertical \({u}_{y}(y,0)\) . Cette approximation est d’autant plus grande que le maillage est plus grossier autour de la surface libre.

Enfin, on remarque que le déplacement calculé par le code Lagamine (Université de Liège) est parfaitement exacte et indépendant de la finesse du maillage, mais avec en contrepartie une solution en pression hydraulique très oscillante [:ref:` HT66-05-012-A < HT66-05-012-A >`]. Cela est du au type d’éléments finis utilisé par Lagamine qui sont différents des nôtres puisqu’il s’agit d’un P2P2 avec une quadrature 9PG/9PG. Cet élément ne vérifie pas la condition inf-sup et ne peut donc donner une solution correcte en pression hydraulique .

Références bibliographiques#

  1. L.MEIROVITCH: Analytical methods in vibrations . McMillan Ed., 1967.

  2. J.J.MARIGO, E.PLANCHAIS: Introduction aux méthodes asymptotiques. Application à des problèmes thermiques linéaires . Note EDF/DER/IMA/MMN HI-70/7563, 31/08/1992.

../../../../_images/100002000000034E0000028F205921E847F318C3.png

Figure 2.2-a: Comparaison des solutions en contraintes effectives verticales (SIYY) et en pression hydraulique (SIP) obtenues au premier pas de calcul au voisinage de la surface libre (suivant une coupe verticale) pour différentes finesses de maillage et pour les modélisations sélective (HMS) et classique (HM) dans le cas du maillage «fin». Comparaison avec les solutions analytiques à \(t=0\) .

../../../../_images/100002000000033E0000026D65A028ED321F6406.png

Figure 2.2-b: Comparaison du déplacement vertical de la surface libre en fonction du temps obtenu pour 3 maillages différents et Lagamine pour le maillage «fin». Comparaison des modélisations classique (HM) et sélective (HMS) de Code_Aster pour le maillage «fin». La solution analytique du problème est également représentée.

Modélisation A#

Caractéristiques de la modélisation#

Les caractéristiques sont identiques à la solution de référence.

Grandeurs testées et résultats#

Valeur testée

Noeud

Instant (s)

Type

Référence

Déplacement PRE1

No29

ANALYTIQUE

1.0

Déplacement PRE1

No31

ANALYTIQUE

1.0

Déplacement PRE1

No1

ANALYTIQUE

0.68544576689

Déplacement PRE1

No3

ANALYTIQUE

0.682208147164

Déplacement PRE1

No5

ANALYTIQUE

0.67252104433

Déplacement PRE1

No7

ANALYTIQUE

0.656461946263

Déplacement PRE1

No9

ANALYTIQUE

0.634160686593

Déplacement PRE1

No11

ANALYTIQUE

0.605800331394

Déplacement PRE1

No13

ANALYTIQUE

0.571618145927

Déplacement PRE1

No15

ANALYTIQUE

0.531906397249

Déplacement PRE1

No17

ANALYTIQUE

0.487012719208

Déplacement PRE1

No19

ANALYTIQUE

0.437339762565

Déplacement PRE1

No21

ANALYTIQUE

0.38334387542

Déplacement PRE1

No23

ANALYTIQUE

0.32553260623

Déplacement PRE1

No25

ANALYTIQUE

0.264460889851

Déplacement PRE1

No27

ANALYTIQUE

0.200725860656

Déplacement PRE1

No29

ANALYTIQUE

0.134960328921

Déplacement PRE1

No31

ANALYTIQUE

0.0678250497631

Déplacement PRE1

No33

ANALYTIQUE

0.00

Contrainte SIYY

No48

0.00

ANALYTIQUE

0.00

Contrainte SIYY

No34

ANALYTIQUE

-0.31455423311

Contrainte SIYY

No35

ANALYTIQUE

-0.317791852836

Contrainte SIYY

No36

ANALYTIQUE

-0.32747895567

Contrainte SIYY

No37

ANALYTIQUE

-0.343538053737

Contrainte SIYY

No38

ANALYTIQUE

-0.365839313407

Contrainte SIYY

No39

ANALYTIQUE

-0.394199668606

Contrainte SIYY

No40

ANALYTIQUE

-0.428381854073

Contrainte SIYY

No41

ANALYTIQUE

-0.468093602751

Contrainte SIYY

No42

ANALYTIQUE

-0.512987280792

Contrainte SIYY

No43

ANALYTIQUE

-0.562660237435

Contrainte SIYY

No44

ANALYTIQUE

-0.61665612458

Contrainte SIYY

No45

ANALYTIQUE

-0.67446739377

Contrainte SIYY

No46

ANALYTIQUE

-0.735539110149

Contrainte SIYY

No47

ANALYTIQUE

-0.799274139344

Contrainte SIYY

No48

ANALYTIQUE

-0.865039671079

Contrainte SIYY

No49

ANALYTIQUE

-0.932174950237

Contrainte SIYY

No50

ANALYTIQUE

-1,0

Contrainte VMIS

No50

NON-REGRESSION

1.0

Contrainte VMIS_SG

No50

NON-REGRESSION

-1.0

Contrainte PRIN_1

No50

NON-REGRESSION

-1.0

Contrainte PRIN_2

No50

NON-REGRESSION

0,00

Contrainte PRIN_3

No50

NON-REGRESSION

0.00

Contrainte TRESCA

No50

NON-REGRESSION

1.0

Les valeurs de référence en NON_REGRESSION sont obtenue pour la version 10.01.21.

Modélisation B#

Caractéristiques de la modélisation#

La modélisation est généralisée dans le cas de la 3D.

Grandeurs testées et résultats#

Valeur testée

Noeud

Instant (s)

Type

Référence

Déplacement PRE1

No168

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No170

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No172

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No174

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No176

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No178

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No180

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No182

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No184

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No186

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No188

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No190

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No192

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No194

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No196

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No198

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No200

ANALYTIQUE

0,0

Contrainte VMIS

No83

NON-REGRESSION

1.64519502

Contrainte VMIS_SG

No83

NON-REGRESSION

1.8098495947

Contrainte PRIN_1

No83

NON-REGRESSION

-1,4049

Contrainte PRIN_2

No83

NON-REGRESSION

0,0

Contrainte PRIN_3

No83

NON-REGRESSION

0,4049

Contrainte TRESCA

No83

NON-REGRESSION

-0,1645

Les valeurs de référence en NON_REGRESSION sont obtenue pour la version 10.01.21.

Modélisation C#

Caractéristiques de la modélisation#

La modélisation est identique à la modélisation A.

Grandeurs testées et résultats#

Valeur testée

Noeud

Instant (s)

Type

Référence

Déplacement PRE1

No29

ANALYTIQUE

1.0

Déplacement PRE1

No31

ANALYTIQUE

1.0

Déplacement PRE1

No1

ANALYTIQUE

0.68544576689

Déplacement PRE1

No3

ANALYTIQUE

0.682208147164

Déplacement PRE1

No5

ANALYTIQUE

0.67252104433

Déplacement PRE1

No7

ANALYTIQUE

0.656461946263

Déplacement PRE1

No9

ANALYTIQUE

0.634160686593

Déplacement PRE1

No11

ANALYTIQUE

0.605800331394

Déplacement PRE1

No13

ANALYTIQUE

0.571618145927

Déplacement PRE1

No15

ANALYTIQUE

0.531906397249

Déplacement PRE1

No17

ANALYTIQUE

0.487012719208

Déplacement PRE1

No19

ANALYTIQUE

0.437339762565

Déplacement PRE1

No21

ANALYTIQUE

0.38334387542

Déplacement PRE1

No23

ANALYTIQUE

0.32553260623

Déplacement PRE1

No25

ANALYTIQUE

0.264460889851

Déplacement PRE1

No27

ANALYTIQUE

0.200725860656

Déplacement PRE1

No29

ANALYTIQUE

0.134960328921

Déplacement PRE1

No31

ANALYTIQUE

0.0678250497631

Déplacement PRE1

No33

ANALYTIQUE

0.00

Contrainte SIYY

No48

0.00

ANALYTIQUE

0.00

Contrainte SIYY

No34

ANALYTIQUE

-0.31455423311

Contrainte SIYY

No35

ANALYTIQUE

-0.317791852836

Contrainte SIYY

No36

ANALYTIQUE

-0.32747895567

Contrainte SIYY

No37

ANALYTIQUE

-0.343538053737

Contrainte SIYY

No38

ANALYTIQUE

-0.365839313407

Contrainte SIYY

No39

ANALYTIQUE

-0.394199668606

Contrainte SIYY

No40

ANALYTIQUE

-0.428381854073

Contrainte SIYY

No41

ANALYTIQUE

-0.468093602751

Contrainte SIYY

No42

ANALYTIQUE

-0.512987280792

Contrainte SIYY

No43

ANALYTIQUE

-0.562660237435

Contrainte SIYY

No44

ANALYTIQUE

-0.61665612458

Contrainte SIYY

No45

ANALYTIQUE

-0.67446739377

Contrainte SIYY

No46

ANALYTIQUE

-0.735539110149

Contrainte SIYY

No47

ANALYTIQUE

-0.799274139344

Contrainte SIYY

No48

ANALYTIQUE

-0.865039671079

Contrainte SIYY

No49

ANALYTIQUE

-0.932174950237

Contrainte SIYY

No50

ANALYTIQUE

-1,0

Contrainte VMIS

No50

NON-REGRESSION

0.4915089111

Contrainte VMIS_SG

No50

NON-REGRESSION

-0.4915089111

Contrainte PRIN_1

No50

NON-REGRESSION

-0.4915089111

Contrainte PRIN_2

No50

NON-REGRESSION

-1.826682526E-17

Contrainte PRIN_3

No50

NON-REGRESSION

1.60461944E-17

Contrainte TRESCA

No50

NON-REGRESSION

0.4915089111

Les valeurs de référence en NON_REGRESSION sont obtenue pour la version 10.01.21.

Modélisation D#

Caractéristiques de la modélisation#

La modélisation est identique à la modélisation B.

Grandeurs testées et résultats#

Valeur testée

Noeud

Instant (s)

Type

Référence

Déplacement PRE1

No168

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No170

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No172

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No174

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No176

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No178

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No180

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No182

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No184

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No186

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No188

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No190

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No192

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No194

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No196

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No198

ANALYTIQUE

1,0

Déplacement PRE1

No200

ANALYTIQUE

0,0

Contrainte VMIS

No83

NON-REGRESSION

0.375001823900

Contrainte VMIS_SG

No83

NON-REGRESSION

-0.375001823900

Contrainte PRIN_1

No83

NON-REGRESSION

-0.375001823900

Contrainte PRIN_2

No83

NON-REGRESSION

0.O

Contrainte PRIN_3

No83

NON-REGRESSION

0.O

Contrainte TRESCA

No83

NON-REGRESSION

-0.375001823900

Les valeurs de référence en NON_REGRESSION sont obtenue pour la version 10.01.21.

Modélisation E#

Caractéristiques de la modélisation#

La modélisation est identique à la modélisation C mais avec une adaptation successive du maillage via MACR_ADAP_MAIL.

Grandeurs testées et résultats#

Valeur testée

Numéro d’ordre

Type

Référence 9.02.13

ESTERG1composante du champ ERRE_NOEU_ELEM

25

NON-REGRESSION

5.1838946544447E-03

ERRE_TPS_GLOB

25

NON-REGRESSION

0.0902526795091860

Modélisation F#

Caractéristiques de la modélisation#

La modélisation est identique à la modélisation E mais sans l’indicateur d’erreur en temps.

Grandeurs testées et résultats#

Valeur testée

Numéro d’ordre

Type

Référence 9.02.13

ESTERG1composante du champ ERRE_NOEU_ELEM

25

NON-REGRESSION

5.1838946544447E-03

Modélisation H#

Caractéristiques de la modélisation#

La modélisation est identique à la modélisation E mais avec la modélisation sous-intégrée D_PLAN_HM_SI.

Grandeurs testées et résultats#

Valeur testée

Numéro d’ordre

Type

Référence 11.3.7

ESTERG1composante du champ ERRE_NOEU_ELEM

25

NON-REGRESSION

5.2034169568591E-03

ERRE_TPS_GLOB

25

NON-REGRESSION

0.095460688688661

Modélisation I#

Caractéristiques de la modélisation#

Cette modélisation est similaire à la modélisation D. La modélisation choisie ici est 3D_HMS_DIL

Le module de second gradient est pris égal à \({a}_{1}={1.10}^{7}N\)

Grandeurs testées et résultats#

Il s’agit d’un test de non régression pour vérifier l’utilisation du second gradient avec une modélisation 3D_HMS.

Valeur testée

Noeud

Instant (s)

Type

Référence

Déplacement PRE1

No168

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No170

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No172

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No174

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No176

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No178

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No180

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No182

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No184

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No186

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No188

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No190

NON-REGRESSION

1,0

Déplacement PRE1

No192

NON-REGRESSION

0,98

Déplacement PRE1

No194

NON-REGRESSION

1,04

Déplacement PRE1

No196

NON-REGRESSION

0,83

Déplacement PRE1

No198

NON-REGRESSION

1,61

Contrainte VMIS

No83

NON-REGRESSION

0.0089

Contrainte VMIS_SG

No83

NON-REGRESSION

-0,0089

Contrainte PRIN_1

No83

NON-REGRESSION

-0.0089

Contrainte TRESCA

No83

NON-REGRESSION

0.0089

Synthèse des résultats#

En conclusion, les résultats Code_Aster sont en accord avec les solutions de référence analytiques.