Study of grain distribution effects on mechanical behavior of granular materials

• Auteur / Autrice : Gang Li
• Direction : Pierre-Yves Hicher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes (1962-2021)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élastoplasticité

Granulométrie

Milieux granulaires

Mots clés libres

Essai triaxial

Dem

Résumé

Le comportement mécanique des matériaux granulairesdépend non seulement des caractéristiques de ses particules, mais aussi de leur arrangement. Cette thèse vise à étudier l'effet de la granulométrie sur le comportement des matériaux granulaires (assemblages de sphères idéales, sables naturels), en s’appuyant sur des campagnes expérimentales et sur des modélisations discrètes 3D et continues. Les résultats des essais triaxiaux conduits au laboratoire, sur des échantillons de billes de verre ou de sable d’Hostun, mettent en évidence l'effet de la granulométrie, représentée par le coefficient d’uniformité Cu, sur les courbes contrainte-déformation et plus particulièrement sur l'état critique des échantillons : (i) au même indice des vides initial, et pour une même pressionde confinement, l'échantillon avec une distribution granulométriqueétendue présente un comportement plus contractant, (ii) la ligne d'état critique (CSL) se trouve décalée vers le bas dans le plan e-p’ lorsque Cu augmente. Une relation entre la position de la CSL et Cu est établie. De plus, les échantillons constitués du même matériau mais avec des distributions granulométriques différentes atteignent un rapport de contraintes (q/p’) similaire à l’état critique, i. E. Un même angle de frottement à l’état critique. Nous avons également effectué des essais triaxiaux non drainés sur des échantillons de même densité relative et soumis à une même contrainte de confinement initiale. A partir d’analyses du signe du travail du second ordre, on montre que la granulométrie influence significativement l'instabilité en condition non drainée des matériaux granulaires : un coefficient d'uniformité plus grand augmente le potentiel de liquéfaction statique. Le couplage des modélisations et des expérimentations a permis de proposer un relation exponentielle entre les paramètres définissant la position et la pente de la droite d'état critique dans le plan e-p’ et la valeur de Cu. En outre, un modèle élasto-plastique simple représentant l'influence de la granulométrie sur le comportementmécanique des matériaux granulaires a été développé. Des essais triaxiaux de compression drainés et non drainés sur un matériau numérique, des billes de verre et du sable Hostun ont été utiliséspour calibrer et valider le modèle. Toutes les comparaisons entre les résultats expérimentaux (y compris les résultats DEM) et les simulations montrent la capacité du modèle à reproduire avec une bonne précision le comportement mécanique des matériaux granulairesavec différentes granulométries.

The mechanical behavior of granular materials is dependent not only on the characteristics of the particles, but also on their arrangement. The aim of this thesis is to study the grain size distribution effect on granular materials behavior both from idealized spheres to natural soils, using lab experiments and discrete or continuous simulations. Experimental data on glass beads or Hostun sand specimens, as well as 3D discrete simulations, highlight the significant effect of the grain size distribution, represented by the coefficient of uniformity Cu, upon the stress-strain behavior and more especially upon the critical state of the granular specimens: (i) for the same initial void ratio and the same initial confining pressure, the specimen with a wider particle distribution exhibits more contractive behavior in drained tests and (ii) the critical state line is shifted downward inthe e-p’ plane whereas the coefficient of uniformity is increased. A relationship between the location of the CSL and Cu was established. More, specimens with different grain size distributions reach almost the same stress ratio (q/p’) at critical state. In other words, the grain size distribution affects the void ratio at critical state but not the friction angle at critical state. In addition, we performed undrained triaxial tests on samples with similar relative density and under the same initialconfining pressure. Based on the analyses of the sign of the second-order work; the undrained instability of these granular materials was analyzed, demonstrating a significant influence of the GSD: increasing the coefficient of uniformity enhances the static liquefaction potential. Based on both DEM and laboratory testing, an exponential relationship between the parameters defining the position and the slope of the critical state line in the e-p’ plane and Cuvalue was established. A simple elasto-plastic model accounting for the influence of the grain size distribution on the mechanical behavior of granular materials was developed. Drained and undrained triaxial compression tests on DEM material, glass balls and Hostun sand were used to calibrate and validate the model. All comparisons between the experimental results (including DEM results) and the simulations demonstrate the capacity of the model to reproduce with good accuracy the mechanical behavior of granular materials with different grain size distribution.