Faisabilité de la définition d'une loi de comportement pour les matériaux granulaires par changement d'échelle mésoscopique-macroscopique

par Sinh Khoa Nguyen

Thèse de doctorat en Mécanique, Energétique, Génie Civil et Acoustique

Le président du jury était Olivier Millet.

Le jury était composé de Ngoc Son Nguyen.

Les rapporteurs étaient François Nicot, Moulay Saïd El Youssoufi.


  • Résumé

    Les modèles de comportement phénoménologiques développés pour les sols peinent à traduire la complexité du comportement des matériaux granulaires, essentiellement du fait de leur nature discrète. Il est usuel d’avoir recours aux analyses multi-échelle, afin de proposer des comportements macroscopiques prenant finement en compte les propriétés locales du milieu. La question de l’échelle locale a été largement étudiée et il ressort qu’une méso-échelle, définie au niveau d’arrangements locaux de particules, semble plus appropriée que l’échelle du contact entre particules pour comprendre la texture et le comportement de ce type de milieux. Dans ce cadre, ce travail de thèse se propose d’étudier la faisabilité de la définition d’une loi de comportement pour les matériaux granulaires par changement d’échelle mésoscopique-macroscopique. Un échantillon granulaire est analysé par simulation DEM (Méthode aux Eléments Discrets) d’un essai biaxial de charge et de décharge. A l’échelle mésoscopique, le milieu granulaire est subdivisé en méso-domaines dont la texture est caractérisée par deux variables : degré d’allongement et orientation par rapport à la direction de compression. Les méso-domaines ayant des caractéristiques de texture communes sont regroupés en six phases, afin de mieux discriminer leur comportement. Les variables locales sont définies : méso-texture, méso-contrainte et méso-déformation, et leurs évolutions sont analysées. Les simulations montrent que le matériau s’appuie sur les phases orientées dans la direction de compression, d’autant plus qu’elles sont allongées, pour supporter la sollicitation. Ces dernières sont capables de développer une forte dilatance et une forte anisotropie, leur permettant de récupérer une forte valeur de rapport de contraintes. A contrario les phases allongées et perpendiculaires à la direction de compression constituent des maillons faibles pour le système. Sur la base des résultats DEM, un processus de changement d’échelles -dont l’ingrédient est l’évolution des pourcentages volumiques des phases au cours de l’essai- a permis de retrouver le comportement macroscopique. Un modèle élasto-plastique à élasticité linéaire, mécanisme plastique déviatoire et écrouissage cinématique a été proposé pour modéliser le comportement de chaque phase à l’échelle mésoscopique. L’essai de charge a permis d’identifier les 8 paramètres du modèle. L’essai de décharge a permis la validation du modèle proposé. Similairement, un modèle à un paramètre est proposé, et validé, pour l’évolution du pourcentage volumique de chaque phase. Sur la base de ces modélisations, le comportement macroscopique de l’échantillon a pu être retrouvé par changement d’échelle mésoscopique-macroscopique. Cette étude ouvre la voie à la définition d’un nouveau type de modèle de comportement des matériaux granulaires basé sur l’existence de phases à l’échelle mésoscopique.


  • Résumé

    Most of the developed constitutive models for granular materials cannot capture the complexity of their behavior, due to the discrete nature of the material. The use of a multi-scale approach may help to address this issue by taking account local properties in a more precise way. It seems that the so-called meso-scale defined at the level of a cluster of particles is the relevant scale to have a better insight into the influence of the texture on the behavior of the material. In this framework, the work involved herein studies the feasibility of the definition of a constitutive law for granular materials by means of a meso-macro change of scale. A sample made of particles has been analysed using the Discrete Element Method (DEM). At the mesoscopic scale, the material is divided into meso-domains characterized by two variables: their elongation ratio and their orientation with respect to the compression direction. The meso-domains who share the same characteristics of texture define a phase. Then, six phases were defined. Some local variables such as the meso-texture, the meso-stress and the meso-strain were defined and their evolution analyzed. The simulations show that the material relies all the more on the phases oriented in the direction of compression to bear the loading as the phase holds very elongated domains. Indeed, these latter are able to develop a strong dilatancy and a strong anisotropy to withstand high stress ratios. Conversely, the phases oriented perpendicular to the direction of compression play a minor role in the global behavior of the material. On the basis of the DEM results, a change of scale process (whose key element is the volumetric percentage of a phase in the material) allowed to retrieve the global behavior of the material. An elastic-plastic model with a linear elasticity, a plastic deviatoric mechanism with a kinematic hardening was proposed to model the behavior of each phase at the mesoscopic scale. The eight parameters of the model are identified based on numerical results obtained for a loading path. The unloading path of the numerical test allowed to validate the proposed constitutive model. Similarly, a model is proposed and validated for the evolution of the volumetric percentage of each phase at the mesoscopic scale. Based on these models, the macroscopic behavior of the sample could have been derived with a mesoscopic-macroscopic change of scale technique. This study paves the way to the definition of a new class of constitutive models for granular materials, based on the existence of phases at the mesoscopic scale.


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