Thèse Comportement de Pieux d'Ancrage en Interaction avec le Sol Sous Chargement Transversal Multidirectionnel Cyclique H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques
Direction de la thèse : Orianne JENCK ORCID 0000000226231830
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-24T23:59:59

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.

Les éoliennes offshores flottantes sont une solution intéressante pour réponde au besoin sociétal et environnemental de décarbonation de l'énergie. En France, l'essor de ces technologies est encore restreint par des problématiques de coûts importants (Energie Plus, 2022). Les éoliennes offshores flottantes rendent possible l'exploitation de l'énergie éolienne plus loin des côtes, mais où les profondeurs plus importantes ne permettent pas d'ancrage traditionnel au fond marin par structure fixe, ce qui rend les solutions d'ancrage ou d'amarrage plus difficiles. Les flotteurs qui supportent la superstructure de l'éolienne sont fixés au fond marin par des lignes caténaires et des fondations, qui peuvent être des ancres, des caissons à succion ou des pieux (CFMS, 2024). Ces fondations sont soumises à des chargements complexes, dues à l'action combinée du vent et de la houle. Les travaux envisagés dans cette thèse se placent plus précisément dans le contexte émergent des systèmes de fondations par ancrages mutualisés pour les fermes d'éoliennes flottantes (France Energies Marines, 2019 ; Abadie, 2025). Dans ce cas, les pieux d'ancrage sont soumis à différentes sources de chargement, déphasées, générées par les différentes turbines adjacentes dont ils assurent l'amarrage via des câbles. La prédiction du comportement des ouvrages nécessite ainsi la prise en compte du comportement de ces pieux, en interaction avec le sol environnant, sous sollicitation cyclique et dont la direction et l'amplitude de chargement varient au cours des cycles, principalement dans la direction horizontale, et éventuellement verticale (pour le cas des ancrages semi-tendus). A ce jour, des méthodes de prédiction et des modèles existent concernant le comportement des pieux (prédiction du déplacement en tête du pieu) lorsque soumis à des charges cycliques latérales ou axiales monodirectionnelles (recommandations SOLCYP, Puech et Garnier, 2017), mais le comportement sous sollicitations latérales et axiales reste traité de manière découplée. Il s'agit à présent de mettre en évidence et quantifier l'effet de la variation de direction du chargement au cours des cycles.
Une thèse est actuellement en cours au laboratoire 3SR (thèse de R. Chalhoub démarrée à l'automne 2021, soutenance prévue en 2026) dont l'objectif est d'aborder la problématique d'un point de vue numérique. Cependant, malgré l'emploi de modèles de comportement avancés visant à représenter le comportement du sol sous chargement cyclique (Chalhoub et al., 2023), la modélisation numérique nécessite une validation par confrontation à des résultats de modélisation physique, d'autant plus que les chargements appliqués suivent un chemin complexe : multidirectionnel et cyclique. La synthèse bibliographique montre que l'état de l'art est encore très pauvre concernant ce type d'essais (Rudolph et al., 2014 ; Richards et al., 2020), même si la thématique est actuellement en pleine effervescence (Abadie, 2025 ; Zabatta, 2025), mettant en évidence les challenges scientifiques et opérationnels que présentent les ancres partagées pour les éoliennes flottantes.
Aussi, un projet intitulé SAM-WT pour « Shared Anchor under Multidirectional cyclic loading for floating Wind Turbines » a été déposé dans le cadre d'un appel à projets GEOLAB 2023 (Jenck et al., 2022), qui ouvre l'accès à des installations expérimentales géotechniques à travers l'Europe pour les projets retenus. L'Institut de Géotechnique de la Technische Universität de Darmstadt (TUDa) possède des fosses et cuves d'expérimentation particulièrement adaptées à l'étude du comportement des pieux en interaction avec le sol, à une échelle intermédiaire, ce qui a guidé notre choix pour cet organisme d'accueil pour notre programme expérimental. La campagne expérimentale a permis d'acquérir des données physiques fiables et en conditions contrôlées, pour analyser le comportement d'un pieu (tube métallique ouvert) sous chargement cyclique et dont la direction change au cours des cycles, suivant un chemin de chargement proche de ce qui a été identifié pour les pieux d'ancrages mutualisés (France Energies Marines, 2019), ramené à l'échelle du modèle. L'objectif est ensuite de confronter les observations et données expérimentales à la (aux) modélisation(s) numérique(s), afin de les développer, les calibrer, les valider, pour ainsi étendre numériquement le champ de l'étude. Le projet SAM-WT a été accepté en 2023, l'année 2023 a été consacrée à la finalisation du design des essais et des équipements nécessaires, la campagne des essais de chargement de pieu a eu lieu entre avril et juin 2024 (Chalhoub et al., 2024 GEOLAB 2024). Le dépouillement et l'analyse des résultats d'instrumentation est en cours (Chalhoub et al., 2025a et b) et doivent encore faire l'objet d'une analyse approfondie, en particulier concernant les essais sous chargement multidirectionnel, préalablement au développement de la modélisation numérique.

La finalité du travail est de contribuer à l'élaboration d'une méthode de prédiction du comportement des pieux d'ancrages mutualisés (solution en cours de développement pour les fondations de fermes d'éoliennes offshore flottantes), prenant en compte les divers facteurs identifiés comme influents : caractéristiques du pieu et du massif de sol, rigidité relative sol-pieu ; nature du chargement cyclique en termes de nombre de cycles, niveau de chargement moyen et amplitude des cycles, historique du chargement ; variation de direction de la charge horizontale lors des cycles (variation d'intensité et de l'amplitude de l'angle de variation). A plus long terme, devront être aussi intégrés les effets combinés avec la charge verticale (cas des ancrages semi-tendus), les effets cycliques rapides (rotation des pales). Ce travail permettra également d'évaluer la pertinence des facteurs de sécurité des méthodes de dimensionnement actuelles qui ne prennent pas en compte le caractère plus agressif des chargements multidirectionnels.

Les essais de laboratoire 1g (gravité normale) à l'échelle intermédiaire sont un bon compromis aux essais in situ et/ou en centrifugeuse (car complexes à la mise en oeuvre et chers) pour bien comprendre les paramètres clés de la réponse d'un ouvrage géotechnique et collecter des données expérimentales pertinentes pour développer des modèles numériques ou analytiques.
Ce travail de thèse s'insère dans la continuité d'un projet qui a consisté en la réalisation d'une campagne d'essais dans une fosse indoor (5,4 m × 5,0 m de section) de chargement d'un pieu métallique ouvert, à une échelle intermédiaire (facteur d'échelle de 1/5) afin d'obtenir des données réalistes et fiables dans un délai raisonnable. Un pieu (tube en acier) de 324 mm de diamètre et de 3 m de longueur, encastré de 2 m dans un massif de sol (sable de Darmstadt) dense et sec, a été chargé latéralement en tête par un système de vérins, spécialement développé à l'occasion de ce projet pour appliquer un chargement latéral multidirectionnel pour l'un des essais.

1)Tâche 1 : Analyse de la campagne d'essai à la TUDa

La campagne expérimentale réalisée à la TU de Darmstadt (TUDa) dans le cadre du projet GEOLAB SAM-WT a comporté principalement trois essais :
-Un essai sous chargement latéral monotone et monodirectionnel, afin d'obtenir la capacité portante latérale du pieu (notée Hf), avoir un premier aperçu du comportement du système et de la réponse de l'instrumentation (Test 0).
-Un essai sous chargement latéral cyclique monodirectionnel (Test 1). Un premier paquet de quelques milliers de cycles de faible amplitude a été suivi d'une décharge puis d'un second paquet de cycles d'amplitude plus importante, de 3000 cycles ou jusqu'à un critère limite fixé de déplacement en tête du pieu (si atteinte du domaine instable). Le critère limite n'a pas été atteint, 3000 cycles ont été appliqués.
-Un essai sous chargement latéral cyclique multidirectionnel (Test 2). La même séquence de chargement que pour le Test 1 a été appliquée (paquets de cycles 1 et 2), mais avec une direction de la charge horizontale qui change au sein de chaque cycle, suivant un angle maximum de 30° dans le plan horizontal. Cet essai a nécessité un développement technique important afin de connecter le pieu à deux vérins perpendiculaires et pilotés indépendamment

L'application d'un paquet 1 puis d'un paquet 2 vise à observer dans un premier temps le comportement du pieu dans un domaine supposé stable (paquet 1), suivi d'un chargement cyclique dans un domaine potentiellement instable (paquet 2). Même sous chargement latéral monodirectionnel, ce type d'information n'existe pas pour des pieux dans du sable, nous nous basons donc sur le comportement observé et documenté dans l'argile (projet SOLCYP, Puech et Garnier, 2017). La comparaison des essais Test 1 et Test 2 vise à mettre en évidence l'influence du changement de direction du chargement lors des cycles. Cela a également permis la réalisation d'essais successifs de complexité croissante.
Les cycles ont été appliqués à une fréquence de 0,125 Hz, reproduisant une fréquence de chargement de type houle (pas d'effets dynamiques, ce qui n'est pas prépondérant pour un amarrage via des lignes caténaire) et permettant l'acquisition de données d'instrumentation au cours de chaque cycle. En milieu marin, le comportement du sol sableux autour du pieu est ainsi supposé drainé, permettant la réalisation d'essais dans un massif de sable sec. La modélisation numérique pourra elle aussi alors être réalisée en conditions drainées.

Le pieu est instrumenté en jauges de déformations (32 au total) suivant 4 profils le long du pieu et d'un système de mesure de la cinématique de la tête du pieu afin d'obtenir ses déplacements et rotations dans les trois directions de l'espace (système de mesures non détaillé ici qui comprend 9 capteurs de déplacement LVDT). Les données analysées de cette instrumentation permettent d'obtenir la déformée du pieu et son évolution au cours des cycles. Pour un chargement latéral monodirectionnel, la déformée du pieu peut être obtenue par double intégration de la courbe de déformation, qui nécessite deux constantes d'intégration, que seront le déplacement et la rotation en tête du pieu. En revanche, cette analyse basée sur la théorie des poutres nécessite de faire des hypothèses sur le comportement du pieu, en particulier néglige sa probable ovalisation lors du chargement latéral. La modélisation numérique proposée pourra contribuer à clarifier le comportement du pieu et aider à l'exploitation des résultats. Le traitement des données expérimentales et leur analyse est plus élaborée pour un chargement multidirectionnel, car ce dernier entraîne une flexion composée dans le pieu. A nouveau, le recours au modèle numérique devrait apporter une aide dans l'analyse. Les déformations mesurées le long du pieu métallique permettent également d'obtenir les contraintes au sein de ce dernier (comportement de l'acier supposé élastique linéaire).
En complément de l'instrumentation « standard » pour ce type d'essai, des informations sur le champ de déplacements dans le massif de sol par une instrumentation par fibre optique continue (technologie Rayleigh) ont été obtenues. Ce type de mesure mis en oeuvre dans le massif de sol n'est pas courant dans les modèles réduits (Möller et al., 2023) et est une véritable valeur ajoutée à ce projet. En particulier, les résultats pourront être confrontés aux résultats de modélisation, afin de ne pas se limiter aux seules mesures sur le pieu. Une modélisation numérique simplifiée du système a permis d'optimiser la position des fibres. Elles ont été placées sur trois plans à différentes profondeurs, suivant des cercles concentriques à différentes distances du pieu. Les fibres optiques permettent d'obtenir des mesures continues de déformation suivant leur axe, qu'il sera nécessaire de traiter afin d'obtenir des informations complémentaires sur le champ de déplacements. A ce jour, seuls les résultats de l'essai sous chargement monotone ont été analysés (Chalhoub et al., 2025b), ouvrant la voie à l'analyse plus complexe à venir sur les chargement cycliques et multidirectionnels.

Ainsi, à l'issue de la réalisation des essais, un travail d'analyse des données d'instrumentation est encore nécessaire. Toutes ces informations en termes de champs de déplacement et de déformations dans le pieu et au sein du massif de sol, et de contraintes dans le pieux, seront précieuses pour la validation d'approches par modélisation numérique, prévues dans ce projet de thèse et/ou par la mise à disposition pour la communauté (les données ont été déposées sur la plateforme européenne Zenodo, Chalhoub et al. 2024, mais sont encore sous embargo), ou pour le développement de méthodes analytiques. De plus, cette analyse détaillée des résultats expérimentaux par le ou la doctorante lui sera indispensable afin de développer un modèle pour la rétro-analyse numérique pertinent, qui devra intégrer les aspects essentiels et les mécanismes clés de l'expérimentation.

2)Tâche 2 : exploitation des essais de caractérisation pour calibration des modèles de comportement

Des essais de caractérisation du massif et du comportement du sol ont consisté en :
-Des essais de caractérisation du comportement intrinsèque du sol par des essais triaxiaux monotones et cycliques (Liaudat et al., 2024) et par bender elements (non encore documentés).
-Des essais de caractérisation du massif de sol en place dans la fosse par pénétromètres CPT, réalisés préalablement au chargement du pieu du Test 0 (Chalhoub et al. 2024, Liaudat et al., 2024)
Au cours de la thèse, ces essais pourront être complétés par des essais de caractérisation du comportement de l'interface sol-pieu par des essais de cisaillement d'interface. Ces essais pourront être réalisées sur la machine BC2D du laboratoire 3SR (Pra-ai et Boulon, 2017), sous chargement cyclique monodirectionnel entre une plaque d'acier et du sable de Darmstadt, sous conditions de rigidité normale constante reproduisant les conditions autour du pieu dans la fosse d'expérimentation et in situ. Des essais sous chargement multidirectionnel peuvent être envisagés en utilisant une machine de cisaillement à deux axes, qui permettrait d'appliquer des chemins de chargement multidirectionnels dans le plan de l'interface entre le sable et une plaque d'acier.
Ces essais seront utilisés pour calibrer les paramètres de modèles de comportement avancés pour le sol, nécessaires pour la modélisation numérique sous chargement cyclique (Chalhoub et al., 2023), cf. tâche 3. Une procédure de calibration des (15) paramètres du modèle de comportement avancé des sols SANISAND (Dafalias et Manzari, 2004) a été proposée (Chalhoub et al., 2023). Elle pourra être systématisée et appliquée au sable de Darmstadt. L'utilisation d'un modèle de comportement de type hypoplastique (von Wolffersdorff, 1996) pourra également être explorée, pour lequel une procédure de calibration automatique des paramètres pourra être testée (Machacek et al., 2022).

3)Tâche 3 : rétro-analyse numérique des essais de chargement latéral du pieu à échelle réduite

Le travail de thèse prévoit une rétro-analyse numérique de la campagne d'essai sur pieu, en utilisant le modèle actuellement développé dans la thèse de R. Chalhoub, suite aux travaux numériques préliminaires de Obaei (2020) et Jenck et al. (2021). Le modèle numérique tridimensionnel utilise le code commercial en différences finies FLAC3D (Itasca Consulting Group, 2019) et simule explicitement le pieu, le massif de sol et leur interface. Des procédures de chargement ont été élaborées et implémentées pour appliquer des chargements cycliques monodirectionnels et multidirectionnels, suivant des chemins variés.
Le modèle numérique pré-existant sera mis à l'échelle des essais de laboratoire (sur la base d'un modèle préliminaire existant), avec le(s) jeu(x) de paramètres déterminés au cours de la tâche 2, pour des modèles de comportement plus ou moins avancés. Concernant la modélisation sous chargement monotone, la modélisation sera également effectuée avec un modèle plus accessible que SANISAND ou un modèle de type hypoplastique, par exemple le modèle élastoplastique à écrouissage isotrope Plastic Hardening (Cheng et Detournay, 2016), équivalent du modèle élastoplastique Hardening Soil.
En pratique, et pour des raisons de coût de calcul (temps de calcul en particulier), ce type de modélisation numérique devrait être pertinent pour modéliser un nombre limité de cycles de chargement (on vise une centaine), en se focalisant sur les mécanismes clés s'y produisant, afin de clairement les caractériser, en particulier sous chargement multidirectionnel. Par ailleurs, d'autres types de modèle de comportement réputés plus efficaces pour des grands nombres de cycles de type « High Cycle Accumulation » HCA (Niemunis et al., 2005) pourraient être envisagés, mais ces modèles n'ont à ce jour pas été validés sur des chemins de chargement complexes tels qu'appliqués dans ce travail, ni même d'ailleurs sur le chemin de chargement cyclique unidirectionnel du Test 1 (Tantivangphaisal et al., 2025).
La confrontation des résultats de la modélisation numérique aux résultats expérimentaux permettra de discuter la pertinence des développement numériques proposés. L'objectif est de pouvoir valider une approche par modélisation numérique, afin de la mettre en oeuvre à l'échelle d'un ouvrage réel (cf. tâche 4) et d'étendre numérique le champ de l'étude.

4)Tâche 4 : étude à l'échelle prototype

Le complément numérique programmé lors la tâche 3 aidera à l'extrapolation à l'échelle prototype des résultats obtenus à l'échelle du modèle. Il s'agira en effet de simuler numériquement les essais à l'échelle prototype (facteur d'échelle de 5) et de comparer les résultats numériques à ceux obtenus à l'échelle modèle, afin de mettre en évidence le biais sur les facteurs d'échelle, inévitable en géotechnique pour des essais à échelle réduite sous gravité normale, Garnier et al. (2007), notamment en raison de la non-linéarité des propriétés mécaniques à de très faibles niveaux de déformations (par abus de langage « élastiques ») avec les niveaux de contraintes.
Une analyse dimensionnelle à partir des règles de similitude sera également menée, en particulier en tenant compte du paramètre de rigidité relative sol-pieu, qui est essentiel pour les problématiques d'interaction sol-structure (Muir Wood, 2004).
Cette étude à l'échelle prototype permettra également une évaluation de la pertinence ou de l'insuffisance des facteurs de sécurité des méthodes de dimensionnement actuelles vis-à-vis du caractère plus agressif des chargements multidirectionnels.

5)Tâche 5 : conception d'un modèle réduit en chambre de calibration

Enfin, au cours de cette thèse, il est prévu la conception d'une campagne d'essais dans la chambre de calibration du laboratoire 3SR (Silva Illanes, 2014), sur un élément de pieu (tube métallique) de 80 mm de diamètre. Cela permettra de mieux appréhender l'effet des chargements multi-directionnels, localement, à une certaine profondeur (représentée par un certain niveau de contraintes). Cette modélisation physique permettra de compléter l'étude paramétrique expérimentale (probablement lors d'une thèse ultérieure).