La modélisation numérique est un processus qui consiste à représenter un système physique complexe sous forme de modèle mathématique à l’aide d’outils numériques afin d’étudier le rendement du système dans divers scénarios réels.
Ce processus est couramment utilisé dans les analyses géotechniques pour prédire et comprendre le comportement des barrages, des fondations, des tunnels, des glissements de terrain et plus encore. Il s’agit généralement de simuler le comportement du sol et de la roche en réponse à différentes charges et à différentes conditions aux limites. Au fur et à mesure que les méthodes et que les technologies de modélisation deviennent plus accessibles, il est de plus en plus important de déterminer l’approche appropriée pour assurer la réussite et la durabilité du projet.
Modèles numériques
Diverses approches numériques peuvent être utilisées pour analyser le comportement des types de sol et des structures, comme les murs de soutènement, les remblais et les ponts. Lors de la création de modèles numériques de géosystèmes, les points clés comprennent la détermination des comportements d’intérêt, l’élaboration d’un modèle de données robuste, la sélection et l’étalonnage d’un modèle constitutif et la détermination d’une procédure d’interprétation des résultats.
La modélisation numérique en géotechnique continue de nous apporter des avantages en améliorant la conception des projets et en réduisant les risques. Bien que la simulation numérique puisse être extrêmement utile pour prédire le comportement des systèmes et des structures, le fait de choisir et d’examiner les mauvais paramètres pourrait entraîner une représentation et une interprétation inappropriées du système. L’adoption d’hypothèses applicables concernant les propriétés du sol ou la modélisation appropriée de l’écoulement des eaux souterraines peut garantir des résultats qui représentent adéquatement la stabilité et le tassement des structures.
L’effondrement du pont Tacoma en 1940 est un exemple célèbre enseigné dans le monde de l’ingénierie, en partie en raison de la modélisation inadéquate des charges de vent. Maintenant, grâce aux nouvelles approches et aux nouvelles technologies de modélisation, les risques de tels effondrements peuvent être considérablement atténués ou éliminés.
Différentes approches
Compte tenu de la variété des outils qui sont actuellement à la disposition des ingénieurs en géotechnique pour évaluer les comportements des terrains et des structures, il est de plus en plus nécessaire de tenir compte des forces et des faiblesses des différentes approches à utiliser pour élaborer des modèles et pour analyser leurs résultats.
Diverses approches peuvent être adoptées pour la représentation du système, chacune comportant des avantages et des inconvénients :
- L’analyse par éléments finis est une approche utile pour les géométries complexes et les matériaux non linéaires, mais elle peut être intensive sur le plan informatique et nécessiter un haut niveau d’expertise.
- La méthode des différences finies est reconnue comme étant plus simple et plus rapide que l’analyse par éléments finis, mais elle se limite aux géométries régulières et aux matériaux linéaires.
- La méthode des éléments finis de frontière permet de régler efficacement les problèmes liés aux grandes surfaces, mais elle peut être moins précise que l’analyse par éléments finis et que la méthode des éléments finis de frontière.
- La méthode des éléments discrets (MED) est une approche utile pour modéliser le comportement des matériaux granulaires. Cependant, elle peut également être intensive sur le plan informatique et nécessite des logiciels spécialisés.
De nombreux éléments peuvent mener à des erreurs dans la modélisation numérique de l’ingénierie géotechnique; la négligence de tenir compte de la variabilité des sols, la sous-estimation de l’importance des conditions aux limites et l’utilisation de modèles constitutifs inadéquats ou incorrects pour analyser les conditions du sol.
Les résultats peuvent être qualifiés et vérifiés en examinant attentivement les hypothèses et les limites d’un modèle choisi, en validant le modèle à l’aide de données sur le terrain et en utilisant les logiciels et les techniques de modélisation appropriés.
Pourquoi la modélisation numérique est essentielle
Bien des projets géotechniques auraient obtenu de meilleurs résultats si des modèles numériques efficaces avaient été envisagés. Au lendemain de l’effondrement du bassin de retenue des résidus de la mine de Mount Polley en Colombie-Britannique en 2014, un groupe indépendant a conclu que la rupture du barrage était attribuable à une défaillance de la fondation du remblai et que sa conception ne tenait pas compte de la complexité de la fondation. À la suite de son enquête, le groupe a recommandé l’adoption de meilleures pratiques applicables, comme des outils de pointe d’analyse géotechnique, y compris la modélisation numérique, pour évaluer les bassins de retenue des résidus et leurs fondations afin de prévenir de tels incidents à l’avenir.
La modélisation numérique a également permis de réaliser avec succès de nombreux projets bien connus. Le pont de la Confédération, une structure de 12,9 km reliant l’Île-du-Prince-Édouard au Nouveau-Brunswick, au Canada, est admiré et considéré comme une merveille d’ingénierie. Des méthodes numériques ont été largement utilisées pendant les étapes de conception et de construction du pont pour simuler le comportement du sol et pour mesurer la stabilité de la structure dans plusieurs conditions différentes en matière de charge et d’environnement. La modélisation a permis à l’équipe d’optimiser la conception des piles et des culées du pont et d’évaluer la stabilité de la structure dans des scénarios où la circulation est habituelle ou extrême. La modélisation numérique a grandement contribué à assurer la sécurité et la fiabilité continues du pont. Le pont de la Confédération est en service depuis son ouverture à la circulation en 1997.
Au cours des cinq prochaines années, les progrès réalisés dans la modélisation de l’ingénierie géotechnique comprendront probablement l’amélioration des capacités logicielles et matérielles, l’intégration de données provenant de la télédétection et d’autres sources et l’utilisation d’algorithmes d’intelligence artificielle et d’apprentissage automatique pour améliorer l’exactitude et l’efficacité des modèles. De plus, l’importance croissante accordée à la durabilité et à la résilience dans les projets d’ingénierie géotechnique nécessitera sans aucun doute de nouvelles approches et de nouvelles techniques de modélisation.
L’équipe Sciences de la terre et ingénierie de Hatch raffine continuellement son expertise et son sens de la modélisation numérique en acquérant des connaissances sur les approches et sur les usages de modélisation les plus récents. Communiquez avec nous pour découvrir comment nous pouvons vous aider.
