Development and application of time-lapse ultrasonic tomography for laboratory characterisation of localized deformation in hard soils / soft rocks

par Erika Tudisco

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Stephen A. Hall et de Philippe Roux.

Soutenue le 26-03-2013

à Grenoble en cotutelle avec 127 Universita Roma Tor Vergata , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Sols, solides, structures - risques (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Guéguen.

Le jury était composé de Stephen A. Hall, Philippe Roux, Francesco Silvestri, Gioacchino Viggiani, Giulia Viggiani.

Les rapporteurs étaient Sebastiano Foti, Paul Johnson.

  • Titre traduit

    Caractérisation des mécanismes de déformation inélastique de sols durs / roches tendres par imagerie ultrasonore avancé


  • Résumé

    Les processus de localisation de la déformation sont la clé du comportement mécanique des roches et des sols car ils sont, par exemple, souvent précurseurs de la rupture des matériaux. Par conséquent, la compréhension des processus qui conduisent à la localisation de la déformation, et donc à la rupture, dans les géomatériaux est essentielle pour la réussite d'un grand nombre de projets d'ingénierie géotechnique. Ce travail est centré sur l’étude des sols durs, roches tendres et matériaux granulaires cimentés. Dans ce cas, la localisation de la déformation est souvent associée à des phénomènes de fracturation à différentes échelles. Les macrofractures sont généralement entourées de méso et micro fractures et leur propagation est précédée d’une zone de processus; la microfissuration, qui caractérise cette zone, peut être identifiée comme endommagement car cela affecte les propriétés mécaniques du matériau. Les bandes de cisaillement ou de compaction sont souvent associées à des microfissures et elles peuvent également être considérées comme de la localisation d’endommagement. Dans le cadre de la mécanique des roches, l’endommagement peut être causé par des phénomènes de détachement (rupture du ciment) et écrasement des grains. Pour étudier les phénomènes de localisation de la déformation et de l'endommagement, une sorte de mesure de champ non destructive doit être mis en place. Des techniques bien connues dans la géomécanique comprennent la tomographie par rayons X pour étudier la structure des matériels, et la corrélation d'image numérique (DIC) des images 2D ou 3D (volumes), pour étudier le champ de déformation. La DIC est un outil très puissant pour l’étude des phénomènes hétérogènes mais fournit uniquement des données sur la cinématique. Dans cette thèse, nous suggérons l’utilisation d’un autre outil, la tomographie ultrasonore, qui permet la mesure du champ de la vitesse ultrasonique dans un échantillon, ainsi que ses propriétés élastiques, en exploitant la théorie de la propagation des ondes. La tomographie ultrasonore, utilisée comme technique complémentaire de la DIC et d'autres mesures de champ, peut donc fournir de nouvelles informations pour comprendre les processus de déformation. Dans la mécanique des sols et des roches des méthodes acoustiques et ultrasoniques ont été largement utilisées pour mesurer les propriétés élastiques, y compris pendant les essais mécaniques. Cependant, ces mesures ont été limitées à un petit nombre limitant ainsi l'étude des hétérogénéités. La tomographie ultrasonore peut surmonter cette limitation en fournissant une carte des propriétés élastiques. La principale contribution de ce travail est le développement de la tomographie ultrasonore comme technique de mesure de champ pour tester les géomatériaux et son application dans une vaste campagne expérimentale. Des tests ont été effectués sur différents matériaux et dans différentes conditions, y compris pendant le chargement et la tomographie ultrasonore a été comparée avec les résultats obtenus par DIC ainsi que par tomographie à rayons X. Une comparaison entre DIC et tomographie ultrasonore indique que la vitesse de propagation subit des modifications importantes à un niveau de chargement pour lequel la DIC ne présente aucune déformation notable. Puisque la tomographie ultrasonore est sensible aux variations des propriétés élastiques, à savoir l’endommagement, il peut être conclu que le niveau de déformation nécessaire pour causer de l’endommagement dans ce matériau est inférieur à la résolution de la DIC. De plus, la tomographie ultrasonore semble être capable de détecter la zone de processus qui précède la fracture, et donc d’indiquer sa direction de propagation. Les différentes techniques utilisées dans ce travail fournissent des informations différentes et complémentaires. Grâce à leur combinaison, une meilleure compréhension du comportement mécanique des géomatériaux peut être acquise.


  • Résumé

    The processes of strain localisation are key to the deformation behaviour of rocks and soils, because, for example, localised deformation is often precursor to material failure. Therefore the understanding of the processes leading to localised deformation, and thus to failure, in geomaterials is critical to the success of many geotechnical engineering projects. This work is focused on the analysis of localised deformation in hard soils, soft rocks and, more generally, cemented granular materials. For such materials localized deformation, in the form of localized strain, i.e., shear and compaction bands, is often associated with damage, i.e., inter and intra-granular fractures and cracks, de–bonding and breakage of particles (grain crushing). Furthermore, macrofractures are commonly surrounded by meso and micro cracks and a process zone of microfracturing precedes their propagation. To study localised phenomena such as strain and damage localisation, some kind of non-destructive, full–field measurement has to be used. Well-known techniques in geomechanics include X-ray tomography, to study material structure, and Digital Image Correlation (DIC) of 2D or 3D (volume) images, to study material kinematics and strain fields. DIC has proven to be a very powerful tool in the study of heterogeneous phenomena, but provides only data on kinematics and strain and not on associated property changes (e.g., elastic properties). In this thesis another tool, ultrasonic tomography, is suggested as a full-field measurement of the elastic property variations in test specimens through mapping of ultrasonic wave propagation velocities. Ultrasonic tomography, as complementary technique to DIC and other full-filed measures, can thus provide new insight into the deformation processes. In rock and soil mechanics, acoustic and ultrasonic methods have long been used to measure the elastic properties of test materials, including during mechanical testing. However, such measures have generally been limited to only a few measurement paths (usually just one) for a whole sample, thus restricting the study of heterogeneity. Ultrasonic tomography can overcome this limitation to provide a full-field measure. The main contributions of this work are the development of ultrasonic tomography analysis for laboratory geomechanics (both in terms of the experimental method and subsequent data analysis) and its application to analyse material deformation and, in particular, material evolution during loading (time-lapse ultrasonic tomography). The developed ultrasonic tomography approach has been applied to investigate geomaterial behaviour in laboratory tests. In this context, experimental campaigns have been carried out on different materials, where the ultrasonic tomography has been complemented by comparisons with displacement and strain fields from 2D and 3D DIC plus structural analysis by X-ray tomography. A comparison between DIC and ultrasonic tomography results reveals that the latter shows important changes inside the sample in a stage of loading where the DIC may not. As ultrasonic tomography is sensitive to damage, it can be concluded that the degree of deformation needed to cause detectable damage is below the resolution of the DIC. Moreover, the ultrasonic tomography seems to be able to detect the damaged zone surrounding fracture tips and thus can indicate where the fractures will propagate. However, when deformation becomes too high or fractures propagate, ultrasonic signals cannot be acquired, so ultrasonic tomography is not possible; in such situations DIC can still provide important information on the deformation mechanisms. The different full-field techniques employed in this work have thus been found to provide different and complementary information. Furthermore, it is shown that better understanding of the mechanical behaviour of geomaterials can be gained through the combination of more than one technique.


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