Thèse Caractérisation et Modélisation Mécanique du Manteau Neigeux sur Pente et Interaction avec un Obstacle H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Institut des Géosciences de l'Environnement (IGE)
Direction de la thèse : Stéphane LAMBERT ORCID 0000000322210589
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-11T23:59:59

Le projet de thèse a pour objectif d'améliorer la modélisation du comportement mécanique du manteau neigeux sur pente en conditions pseudo-statiques, ce en intégrant l'évolution des caractéristiques de la neige qui résulte du changement climatique. Le comportement mécanique sous fluage de la neige sera caractérisé lors de campagnes expérimentales en chambre froide, dans différentes conditions expérimentales et pour différentes neiges. Les mesures permettront de calibrer un modèle numérique du manteau neigeux (approche MPM - material point model). Les résultats de simulation seront confrontés à des mesures sur claies instrumentées en contexte réel. Un des objectifs est de mieux caractériser les efforts de poussée du manteau neigeux sur tout obstacle sur pente, et en particulier les ouvrages de stabilisation du manteau neigeux.

Le réchauffement climatique et l'élévation de l'isotherme 0° qui en résulte se traduisent par une évolution très marquée des conditions de précipitation de la neige et de sa transformation au cours de l'hiver. Il en résulte une forte évolution des caractéristiques mécaniques du manteau neigeux, avec pour conséquence la réduction de sa stabilité sur pente et l'augmentation du niveau de chargement des ouvrages de stabilisation de ce manteau, jusqu'à leur ruine. Dans les faits, le réchauffement climatique se traduit ainsi par une augmentation de l'exposition à l'aléa avalancheux pour tous les enjeux en pied de versant tels que routes, bâtiments ou pistes de ski. Ce contexte appliqué impose de renforcer les connaissances relatives à la mécanique de la neige et de proposer des modèles appropriés, en s'attachant à des neiges moins froides que celles jusque-là étudiées.

Ce projet de thèse s'inscrit dans une dynamique plus large, initiée en 2019 et qui s'est traduite par différents initiatives. Le projet CPER MECASNOW, piloté par INRAE, vise une meilleure connaissance du manteau neigeux et des risques associés. Une collaboration entre l'IGE et l'ONF-RTM et l'entreprise NGE Fondations concerne spécifiquement les claies paravalanches. Ces deux projets ont permis le développement et l'acquisition de dispositifs expérimentaux au laboratoire et sur site. Le projet REGLISS, financé par la DGPR (MTECT), traite des claies paravalanches dans une perspective opérationnelle de dimensionnement. Enfin, cette dynamique est à l'origine d'une thèse sous financement Inrae et PEPR IRIMA, qui vise à proposer un modèle numérique du manteau neigeux permettant de reproduire son comportement mécanique en régime ductile, i.e. pour des taux de déformation d'au plus 10-6 s-1. Ce modèle est calibré et est en cours de validation à partir de données expérimentales issues de la littérature, lesquelles concernent des neiges dites froides'. Il est développé par la méthode MPM (material point method), une méthode hybride Eulérienne-Lagrangienne qui permet de s'affranchir des problèmes de distorsion de maillage, permettant la simulation de grandes déformations tout en conservant une bonne efficacité computationnelle. Les simulations sont menées à partir du code open source Matter [1]. Le modèle mécanique retenu est élastique-viscoplastique avec une loi d'écoulement associée à une limite élastique elliptique, suivant le modèle de Cam-Clay Cohesif Modifié (Cohesive Modified Cam-Clay) [2]. Un tel modèle permet de rendre compte du phénomène de fluage de la neige, marqué par une déformation lente et fortement visqueuse ( 108 Pa.s) du manteau neigeux en écoulement et en tassement [3].

La thèse proposée s'inscrit dans la continuité de la thèse en cours, avec pour objectif de faire évoluer le modèle de comportement en considérant des gammes de température et de densité de neige plus en accord avec celles désormais observées. La littérature scientifique est encore sommaire pour ce qui concerne le comportement et la modélisation mécanique de la neige pour des températures au-dessus de -10°C et des déformations lentes [4, 5, 6 , 7], alors même qu'une expérimentation très récente de fluage en chambre froide suggère une modification significative du comportement de la neige pour une température supérieure à -4°C. D'autre part, une majorité des expériences de tassement/compression et de cisaillement de la neige existantes portent sur des régimes fragiles (déformation > 10-4 s-1) car appliquées au déclenchement ou à l'écoulement des avalanches. Enfin, très peu d'expériences de fluage sous poids propre sont disponibles dans la littérature [5,6]. La thèse vise également à étendre le modèle numérique à la 3D tout en permettant des simulations à l'échelle du manteau neigeux, dans toute son épaisseur.

Le premier objectif est d'améliorer la connaissance des caractéristiques mécaniques de la neige, en conditions pseudos-statiques et sur les plages de température et de densité actuellement observées en zone alpine. Le second objectif est de développer un modèle numérique rendant compte des déformations et transferts de charge au sein du matériau neige soumis à reptation sur pente (fluage et glissement), notamment au voisinage d'obstacles.

Cette thèse s'intéresse au comportement mécanique de la neige soumise à déformation lente pour une température allant de -10 à -2°C et une densité de neige allant de 150 à 600 kg/m3.

Le modèle MPM en cours de développement sera étendu à ces conditions avec pour objectif de rendre compte des déformations et du transfert des efforts au sein du matériau neige lorsque soumis à fluage et notamment en présence d'un obstacle. L'amélioration de ce modèle sera menée à partir de mesures faites lors d'expérimentations spécifiques.

D'une part, des essais de fluage de la neige seront réalisés en chambre froide en considérant les gammes de température et densité de neige susmentionnées et différentes conditions de chargement. Un prototype de dispositif expérimental permettant d'appliquer un chargement local sur la neige (ou indentation) est en cours de développement. L'approche en 2D retenue permet un suivi dans le temps du champ de déplacement de la neige, donc des déformations. L'amélioration de ce dispositif sur la base des premiers essais réalisés à ce jour, la réalisation de la campagne expérimentale et le dépouillement des données feront partie de cette thèse. Un deuxième essai en chambre froide, plus simple, devra être développé pour caractériser la réponse de la neige soumise à fluage sous poids propre. Celui-ci pourra consister à mesurer dans le temps les déformations d'un bloc de neige posé sur plan incliné, mobilisant les mêmes mécanismes que ceux mobilisés sur pente naturelle.

Ces expérimentations pourront par ailleurs bénéficier des développements dans le cadre du CDP Musitox, en termes d'imagerie.

D'autre part, les mesures collectées sur les trois claies paravalanches instrumentées développées et gérées dans le cadre de la collaboration avec l'ONF-RTM, permettront une confrontation avec les résultats de simulation à l'échelle du manteau neigeux. Des études paramétriques conduites avec le modèle numérique étendu permettront de vérifier sa robustesse et d'investiguer la réponse du matériau neige dans des conditions jusqu'à présent peu considérées, bien qu'observées in-situ. Le passage à l'échelle de l'ouvrage impliquera en particulier de prendre en compte la stratification naturelle du manteau neigeux dans la modélisation.

L'évolution du modèle MPM vers un modèle 3D, utilisable à l'échelle réelle et tenant compte des caractéristiques mécaniques de ces neiges spécifiques est non triviale et confrontera le.a doctorant.e à différents verrous scientifiques et difficultés techniques qui devront être levés. Ceux-ci pourront concerner, par exemple, la pertinence de la loi de comportement du modèle, la définition des paramètres du modèle pour les neiges considérées et également le temps de calcul. Le coût de calcul (en temps et espace) pour une simulation à échelle réelle en trois dimensions rendra nécessaire l'utilisation de ressources de Calcul Haute Performance (HPC). Ce coût pourra être réduit en utilisant la symétrie du problème pour réduire le domaine simulé. En dernier recours, les simulations pourront également être menées en deux étapes, grande échelle puis petite échelle, pour améliorer la précision tout en conservant un temps de calcul raisonnable.

Il est également envisagé de prolonger ce travail jusqu'à une modélisation thermomécanique en considérant, dans un premier temps, un couplage simple avec un modèle conductif (équation de la chaleur avec paramètres dépendant de la densité). Ceci constituera un premier pas vers le couplage avec un modèle d'évolution des propriétés internes du manteau neigeux et prenant en compte les transferts de vapeur et métamorphisme au cours de l'hiver, comme par exemple le modèle CROCUS [8].