Models for the Behavior of Offshore Structure Foundations. Part One: Methodologies and Rheological Models for Soils

Modèles pour le comportement des fondations d'ouvrages types marins. Première partie : Méthodologies et modèles rhéologiques de sols

Institut Français du Pétrole

Abstract

Designing the foundations of offshore structures is a complex task, requiring both expert experience and the use of numerical models for safety insurance and design cost optimization. In fact, forecasting foundation behavior demands a correct evaluation of the combined effects of construction phasing, spatial variability of the soil mechanical properties, uncertainties on the applied loadings and due to the geomaterial mechanical modeling techniques. For offshore platforms, this is compounded by the hazardous nature of environmental loadings. These loadings, which are often very severe, could have disastrous effects on structure behavior. This dissertation presents the synthesis of a ten-year research program, developed by a team of Institut Français du Pétrole, with the cooperation of university teams, technical centers and industrial companies. The objective was to set up methodologies and numerical tools for the behavior of typical offshore structure foundations, spanning their entire life. It is presented in two distinct parts. The first part presents specific methodologies for the soil/structure interaction analysis of offshore platforms, and discusses the development of rheological models for soil behavior under non-monotonous loading. The second part considers the use of these sophisticated models for analyzing offshore structure foundations. It shows how these models are integrated in the FONDOF/IFP software, by using the finite element method coupled with algorithms specific to the problems posed by offshore foundations. Several applications are presented, demonstrating the ability of these methods to describe observed phenomena. A special place is reserved for the description of a quality assurance process developed by the French GRECO CNRS 'Geomaterials' Group of university teams, technical centers and industrial companies. The steps of a process for validating constitutive models are applied to a typical shallow foundation structure. Prospects opened up by the research are discussed.

Résumé

La conception des fondations de grands ouvrages est une tâche complexe qui requiert à la fois l'expérience de l'expert et l'utilisation de modèles numériques adéquats pour assurer la sécurité et optimiser les coûts de dimensionnement. En fait, prévoir le comportement d'une fondation nécessite de bien évaluer les effets combinés de la technique de mise en place, de la variabilité spatiale des propriétés mécaniques, de l'incertitude sur les chargements et des techniques de modélisation du comportement mécanique des géomatériaux. Ceci est particulièrement vrai pour les plates-formes marines, qu'elles soient destinées à l'exploration ou à la production du pétrole, dans la mesure où les chargements non-monotones dus à l'environnement marin, souvent très sévère, peuvent avoir des effets très néfastes sur le comportement de ces structures. On présente, en deux parties, la synthèse d'une dizaine d'années d'activités de recherche, menées par une équipe de l'Institut Français du Pétrole (IFP), en collaboration avec plusieurs équipes universitaires et des centres techniques et industriels, pour la mise au point de méthodologies et d'outils adaptés au calcul du comportement des fondations d'ouvrages types marins durant toute la durée de vie de la plate-forme. Cet article concerne la première partie qui est dévolue à l'exposé des démarches développées et à la modélisation de l'état local des géomatériaux par des modèles rhéologiques. Démarches de modélisation du comportement des fondations d'ouvrages marins : On analyse d'abord la spécificité des fondations de plates-formes marines en insistant sur les différences avec les ouvrages à terre : dimension inusitée, chargement aléatoire par les éléments marins. On peut alors dégager plusieurs types de fondation (fig. 2. 1 et 2. 2) et les classes de problèmes qu'il est important d'étudier, qui recouvrent aussi bien le comportement sous chargement cyclique extrême (la houle centennale) que le comportement à la fatigue (la houle de faible amplitude mais de très longue durée). Deux démarches globales de modélisation sont ensuite proposées. La première concerne la prédiction du comportement de la fondation durant toute la vie de la structure. Après avoir constaté l'insuffisance des méthodes d'ingénierie, on propose de décrire à la fois le comportement sous chargement extrême et le comportement sous chargement de fatigue au moyen d'algorithmes de calcul spécifiques (par exemple l'homogénéisation des chargements périodiques dans le temps basée sur l'idée d'une analogie entre le phénomène de fluage et celui de cyclage) couplés à la méthode des éléments finis et de modèles rhéologiques décrivant finement le comportement des sols sous chargements complexes. La deuxième concerne l'étude de l'interaction sol-structure, avec, d'une part, le problème de la modélisation numérique du comportement de l'interface sol-structure (éléments joints, développement d'une méthode générale pour le comportement non-linéaire des structures axisymétriques chargées non-symétriquement), et, d'autre part, la modélisation de l'interaction sol-structure, laquelle apparaît de première importance pour l'analyse du comportement dynamique des structures souples que l'on peut imaginer pour les grandes profondeurs d'eau. Modèles rhéologiques de sols pour le comportement des fondations marines : Une approche phénoménologique est choisie. On indique le cadre de développement (fig. 3. 5) de modèles rhéologiques pour le comportement des sols sous chargement complexe en passant en revue différents aspects : le rôle de l'élasticité, la surface de rupture, les mécanismes de plastification, le rôle de l'écrouissage isotrope, le contrôle des variations de volume, la prise en compte des chargements cycliques, l'effet de la viscosité, l'effet de l'endommagement. Deux modèles élasto--plastiques et deux modèles élasto-visco-plastiques sont ensuite présentés. Le modèle CYCLADE (fig. 3. 9 à 3. 14) est un modèle élastoplastique à trois mécanismes de plasticité à écrouissage isotrope et cinématique. Il a été développé en collaboration avec l'École Centrale de Paris et a fait l'objet d'une thèse. L'élasticité est non-linéaire isotrope. Les trois mécanismes agissent dans des plans orthogonaux et sont couplés par la déformation volumique plastique. Les paramètres d'écrouissage sont la déformation volumique plastique et un taux de plastification basé sur une déformation déviatorique plastique relative à chaque mécanisme. La surface de charge de chaque mécanisme généralise l'équation de la surface du modèle Cam-Clay. La loi d'écoulement des mécanismes est non-associée et permet de reproduire des phénomènes essentiels tels que l'état critique (pas de variation de déformation volumique plastique à grande déformation); l'état caractéristique (état à vitesse de déformation volumique plastique nulle régissant le passage d'un comportement contractant à un comportement dilatant). Le modèle, qui nécessite la détermination de 11 paramètres, est ensuite évalué sur chemins homogènes de laboratoire. Les résultats de simulations théoriques et d'essais à l'appareil triaxial de révolution sont généralement corrects (fig. 3. 10 et 3. 11) particulièrement pour les essais à nombre important de cycles (fig. 3. 13 et 3. 14) avec toutefois une limitation lorsque l'échantillon est fortement endommagé par le chargement de fatigue (fig. 3. 14). On note aussi l'incapacité du modèle à prédire les chemins non-drainés avec un jeu de paramètres déterminé sur un chemin drainé (fig. 3. 12) et une tendance à exagérer la déformation volumique. Le modèle de Tan est un modèle élastoplastique pour la description du comportement des matériaux granulaires sous chargements complexes, développé à l'IFP pour améliorer CYCLADE. Il a fait l'objet d'une thèse à l'Université des Sciences et Techniques de Lille. La partie élastique ne subit pas de modification par rapport à CYCLADE. Il comprend deux mécanismes de plastification à écrouissage isotrope et anisotrope. Le premier est un mécanisme déviatorique dont l'équation de la surface reproduit la forme fournie par les essais de Lade (fig. 3. 15). Ce mécanisme est non-associé et sa loi d'écoulement est une généralisation de celle du modèle Cam-CLay. Le deuxième mécanisme est un mécanisme isotrope associé prenant en compte l'effet de la consolidation sous chargement hydrostatique. Pour ce modèle, plusieurs voies de modélisation ont été testées pour le comportement sous chargement non-monotone (fig. 3. 16). La méthode de la surface d'état limite a été rejetée finalement parce qu'elle pouvait conduire à des résultats aberrants sur des chemins simples. La méthode de l'écrouissage cinématique est celle qui fournit les meilleurs résultats. Le modèle, qui comprend 12 paramètres, a été soigneusement évalué, à l'aide du logiciel de validation automatique de lois de comportement VALOIS/ IFP : étude de sensibilité à une variation significative des paramètres (fig. 3. 17) montrant la stabilité du modèle, étude de la stabilité numérique de l'intégration du modèle, validation sur chemins théoriques proportionnels en déformation (fig. 3. 18), étude sur chemins types réalisés en laboratoire. Pour cette dernière étude, plus de 100 essais sophistiqués sur 4 sables ont été collectés et introduits dans une banque de données. La plupart ont été modélisés et permettent de conclure à une bonne performance globale du modèle (fig. 3. 19 à 3. 28), en particulier sur les chemins, complexes, à rotation continue des axes principaux de contrainte. Une comparaison avec CYCLADE est fournie. Le modèle VISPLA est un modèle élasto-viscoplastique pour le comportement des géomatériaux visqueux sous chargement monotone (fig. 3. 30), développé par l'École Centrale de Paris puis validé et utilisé par I'IFP pour des calculs de fondations. Il comprend un mécanisme de plastification isotrope basé sur le modèle Cam-Clay et deux variables d'écrouissage (comme les modèles précédents). Son originalité principale est la possibilité de décrire le fluage tertiaire grâce à une variable d'endommagement de la viscosité dont l'évolution est irréversible. Le modèle utilise 18 paramètres qui doivent être déterminés selon une procédure d'identification rigoureuse, à partir d'essais de laboratoire courants. Evalué sur chemins homogènes de compression à l'appareil triaxial et pour deux matériaux (fig. 3. 31), il donne globalement satisfaction. Il a aussi été utilisé avec succès pour analyser quelques aspects du comportements des sols gelés (fig. 3. 32). Le modèle VISCYC est une généralisation viscoplastique de CYCLADE qui a fourni de bons résultats sur des chemins cycliques non-drainés à l'appareil triaxial pour deux matériaux argileux (fi. 3. 33 à 3. 35). Ces modèles, une fois intégrés dans un programme utilisant la méthode des éléments finis, peuvent être utilisés pour le calcul du comportement des fondations marines sous chargement extrêmes ou de fatigue. Leur performance dans ce domaine est étudiée en détail dans la deuxième partie de cette synthèse qui fait l'objet d'un autre article.