Comportement microstructural de l'argile de Shanghai et modèle élastoplastique avec prise en compte de la microstructure

par Lingrong Kong

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Pierre-Yves Hicher et de Hongwei Huang.

Soutenue en 2007

à Nantes en cotutelle avec Shanghai .


  • Résumé

    Les modèles de comportement pour l’argile basés sur une approche macromécanique peuvent se révéler insuffisants pour décrire les courbes contraintes- déformations. Nous développons ici un modèle prenant en compte l’évolution de la microstructure et basé sur des expérimentations sur l’argile molle de Shanghai. Ce travail est découpé en quatre parties. Dans la première partie, on identifie la microstructure de l’argile de Shanghai d’un point de vue minéralogique, par microscopie électronique à balayage et analyse X. Ces analyses permettent de quantifier la forme, la taille moyenne et l’orientation des particules sur des plans de coupe horizontaux et verticaux. Ces analyses sont menées pour différents niveaux de contrainte au cours d’essais oedométriques sur l’argile naturelle puis l’argile remaniée. On peut conclure que le sol présente une évolution graduelle de la taille des particules et de leur orientation, créant une anisotropie matérielle pendant le chargement. Dans la deuxième partie, la relation entre la distribution des tailles de pores et la perméabilité, pour différents niveaux de contrainte, est établie par de 0,2 µm à 1,2 µm. Cette taille caractéristique diminue avec l’accroissement de la contrainte verticale appliquée. Parmi les différentes théories permettant de corréler la perméabilité et la distribution des tailles de pore, le modèle du rayon hydraulique a été adopté. L’équation quantitative a ensuite été dérivée. Dans la troisième partie, on étend le modèle élastoplastique considérant la microstructure des milieux granulaires (Chang & Hicher, 2005) aux matériaux fins argileux. On fait l’hypothèse que la microstructure de l'argile est faite d'agrégats qui ne peuvent pas être détruits pendant le chargement. La déformation est calculée en intégrant le déplacement aux contacts des particules dans toutes les orientations. Le comportement de contact des particules suit une loi élastoplastique basée sur le critère de Mohr-Coulomb. La loi élastique de Hertz-Mindlin est employée pour la partie élastique. Une double surface de charge est utilisée pour refléter le comportement plastique. Les prédictions du modèle sont comparées aux résultats expérimentaux pour les essais triaxiaux drainés et non-drainés sur l’argile normalement consolidée et surconsolidée. La comparaison montre que le modèle proposé reproduit les caractéristiques principales du comportement de l’argile. La quatrième partie concerne un modèle élastoplastique microstructural considérant l’anisotropie de l’argile. Un tenseur symétrique du second ordre est introduit pour rendre compte de l’évolution de la rigidité des plans de contact, des paramètres d’écrouissage, et du coefficient de contractance – dilatance en fonction de l’orientation des contacts, afin de décrire le comportement anisotrope du matériau. Des essais triaxiaux drainés et non-drainés avec chargement vertical et horizontal ont été effectués sur l'argile de Shanghai. Ces essais ont été simulés par le modèle proposé ainsi que des essais sur l’argile de San Francisco, et des essais triaxiaux non-drainés sur une kaolinite sous différentes conditions. La comparaison entre les simulations et les mesures montre que le modèle peut décrire le comportement de l’anisotropie inhérente et celle induite par un état de contrainte anisotrope sur l'argile.


  • Résumé

    The constitutive models of soft soils based on traditional macro-mechanics are sometimes not suitable to describe the stress – strain relations. Therefore, we developed a new constitutive model considering the microstructure of a marine soft clay on which physical and mechanical tests were carried out. In the first part, scanning electron microscope and X-scans aimed at identifying the microstructure of the clay and its evolution during one dimensional consolidation tests. Those methods also give some quantitative and useful information (particle shape, mean size and orientation) related to the applied vertical stress. We concluded that the soil exhibits a gradual damage and material anisotropy. These results were also compared to the results obtained on the same remolded clay. In the second part, mercury intrusion tests were carried out to investigate the relation between the pore size distribution and permeability. The main size distribution varied from 0. 2 µm to 1. 2 µm and decreased whereas the vertical stress increases. The hydraulic-radius model was then introduced to explain such an evolution. The third part concerns the description of the elasto-plastic model considering microstructure extended from the previous work of Chang and Hicher (2005) to the behavior of soft clays. The clay microstructure was assumed to be made of platelet aggregates which could not be destroyed during loading. The deformation was computed by integrating displacements at the particle contacts in all orientations. The behavior of contact planes was assumed to follow an elastic-plastic law based on a Mohr-Coulomb criterion. A Hertz-Mindlin’s elastic law was used for the elastic part and a double yield surface was used to reflect the plastic behavior. The predictions of the constitutive model were compared to experimental results for normally and over-consolidated clays under drained and undrained triaxial tests. They showed that the model was able to reproduce the main features of the clay behavior. Moreover, the model enables to describe the evolution of stresses between aggregates on the contact plane and therefore the failure of clays based on microstructural considerations. The fourth part was devoted to the analysis of anisotropic clays. A second-order symmetric fabric tensor was introduced to model the stiffness of contact planes, hardening, the dilation coefficient, to capture the inherent and stress-induced anisotropic behavior of clays. Drained and undrained triaxial tests with loading in vertical and horizontal directions were performed on Shanghai clay

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  • Détails : 1 vol. (151 p.)
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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2007NANT2047
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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.2201 bis
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