Microstructure et effet d'échelle dans les essais de micro-indentation sur les roches

par Belkacem Ammiar

Thèse de doctorat en Sciences. Géotechnique

Sous la direction de Jean Sulem.

  • Titre traduit

    Microstructure and scale effect in micro indentation on rocks


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    L'essai de micro-indentation dans les roches consiste à faire pénétrer un outil dans une roche afin de mesurer sa dureté et d'évaluer ses paramètres de résistance (angle de frottement et cohésion ) à partir de la force d'indentation et de la profondeur de pénétration de l'outil. Pour des roches granulaires, l'interaction entre l'outil et la roche se produit à une échelle comparable à celle de la microstructure du matériau et rend nécessaire l'étude de l'effet de la taille de l'indenteur sur les caractéristiques mécaniques apparentes du matériau. L'objet de ce travail est d'étudier cet effet d'échelle afin de pouvoir le quantifier et de permettre une correction des caractéristiques mécaniques déterminées par cet essai. Inversement, l'étude de l'essai de micro-indentation doit permettre d'étalonner la longueur interne du matériau apparaissant dans les modèles continus avec microstructure utilisés pour sa description. La solution analytique de la modélisation de l'indentation d'un milieu classique semi-infini par un indenteur rigide faisant apparaître des singularités de contraintes au bord du contact, ce travail propose tout d'abord une solution à ce problème pour des milieux micromorphiques élastiques en découplant le problème de chargement du problème d'ouverture de la matière au bord. Un effet d'échelle est ainsi mis en évidence pour des milieux de Cosserat et de second gradient sur le déplacement du bord du milieu: il devient important dès que le rapport entre la taille de l'indenteur et la taille caractéristique du matériau est inférieur à cinq. L'ouverture de la matière sous l'action de l'indenteur est de plus modélisé par l'imposition de conditions limites d'ordre supérieur: deux moments ponctuels opposés pour le cas d'un milieu de Cosserat et des doubles contraintes ponctuelles pour le cas d'une théorie de second gradient. Une solution analytique régulière pour le champ de déplacement résultant est présentée. Un élargissement de l'étude à des milieux de Cosserat élasto-plastique est réalisé à l'aide d'un code de calcul par éléments finis. Une étude des effets de taille et de forme de l'indenteur sur les caractéristiques apparentes du matériau met en évidence d'importants effets d'échelle sur la force d'indentation pour un enfoncement fixé, jusque 60% pour un indenteur plat et supérieur à 90% pour des indenteurs sphérique et conique lorsque la taille de l'indenteur est comparable à la longueur interne du matériau. Une étude expérimentale utilisant des indenteurs plats de differentes tailles (0. 5mm à 2mm) sur un grès de Fontainebleau est également réalisée mettant en évidence un effet d'échelle de 12 % sur les modules d'Young et de 34% sur les pics d'indentation. Des observations au microscope électronique à balayage des traces laissées par les différents indenteurs utilisés permettent de suivre l'évolution de la microstructure du matériau au cours de l'essai et mettent en évidence l'effet de la taille de l'indenteur sur les modes de déformation et de rupture. Enfin, une comparaison des études numériques et expérimentales nous permet de valider l'évaluation de l'effet d'échelle obtenue par une modélisation de milieu de Cosserat et d'étalonner la longueur interne du matériau qui correspond pour le grès de Fontainebleau à la taille moyenne des grains.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (185 f.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. 59 réf.

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  • Bibliothèque : Ecole des Ponts ParisTech (Marne-la-Vallée, Seine-et-Marne). Bibliothèque Lesage.
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  • Cote : NS 27599

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  • Cote : 03 ENPC 0004
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