Contribution à la modélisation micro-mécanique de l’endommagement et du comportement plastique des géomatériaux

par Lunyang Zhao

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Jianfu Shao et de Jean-Baptiste Colliat.

Soutenue le 19-03-2019

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique de Lille, multiphysique multiéchelle (laboratoire) .


  • Résumé

    L’endommagement induit par micro-fissuration et la déformation plastique sont deux principaux mécanismes de dissipation des matériaux rocheux. Ils sont liés à la modification de micro-structure et influencés par les compositions minéralogiques. Dans cette étude, nous présentons quelques nouvelles contributions à la modélisation micro-mécanique de l’endommagement et du comportement plastique. La première partie est consacrée à la détermination du comportement élastique-plastique d’une classe de matériaux quasi-ductiles, composés d’une matrice plastique dépendant de la contrainte moyenne dans laquelle sont distribués des inclusions et des pores. Nous proposons un nouveau modèle micro-mécanique basé sur une approche variationnelle incrémentale. Comme différence majeure par rapport à la plupart des modèles en champs moyens, le champ local de déformation plastique non-uniforme est pris en compte. Par ailleurs, une loi d’écoulement plastique non-associée est utilisée pour la matrice solide afin de mieux décrire la transition de la compressibilité à la dilatance volumique de ces matériaux. Le modèle variationnel incrémental est formulé à l’aide de la théorie de bi-potentiel. La performance du modèle est vérifiée à travers des comparaisons avec des solutions numériques de références issues des calculs directs par éléments finis. Le modèle proposé est ensuite utilisé à des matériaux argileux et poreux pour illustrer son efficacité. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation micro-mécanique de l’endommagement induit des matériaux fragiles caractérisés par une matrice solide élastique contenant une distribution aléatoire de micro-fissures. L’accent est mis sur des micro-fissures avec frottement fermées sous contraintes de compression. Le modèle est formulé à l’aide d’une technique d’homogénéisation linéaire et en proposant une loi de glissement frottant à l’échelle locale. Le modèle proposé est d’abord validé par rapport à des essais en laboratoire en supposant une distribution diffuse de micro-fissures. Ensuite, nous proposons une extension du modèle en considérant la transition de l’endommagement diffus à la fissuration localisée. Celle-ci est décrite comme une conséquence de la coalescence de micro-fissures. Après la localisation, la dissipation est entièrement pilotée par la fissure localisée. Un modèle de glissement avec frottement est alors développé pour la fissure localisée d’une manière consistante avec le modèle d’endommagement diffus. Le modèle complet décrivant la transition de l’endommagement diffus à la fissuration localisée est validé par rapport à des données expérimentales.

  • Titre traduit

    Contribution to micro-mechanical modeling of damage and plastic behavior of geomaterials


  • Résumé

    Damage due to micro-cracking and plastic deformation are two main dissipation processes in most rock-like materials. They are related to the evolution of micro-structure and influenced by mineralogical compositions. In this study, we present some new contributions on the micro-mechanical modeling of damage and plastic behavior of rock-like materials based on linear and non-linear homogenization techniques. The first part is devoted to the estimation of macroscopic plastic behavior of a class of quasi-ductile materials, composed of a pressure-dependent plastic solid matrix in which various inclusions and (or) pores are embedded. We propose a new incremental variational model. Unlike most mean-field methods previously developed, the non-uniform local strain field in the solid matrix is taken into account. Moreover, in order to take into account the transition from volumetric compressibility to dilatancy of those materials, a non-associated plastic flow rule is adopted. The incremental variational model is formulated by using a bi-potential theory for the determination of the incremental potential of plastic matrix. The accuracy of the proposed model is assessed by a series of comparisons with reference solutions obtained from full-field finite element simulations. The proposed model is then applied to several rock-like materials with rigid inclusions or pores. In the second part, we focus on the modeling of induced damage in brittle materials which are represented by an elastic solid matrix weakened by randomly distributed microcracks. The emphasis is put on the case of closed cracks under a large range of compressive stress. The damage evolution is due to the initiation and propagation of micro-cracks while the plastic deformation is directly related to the frictional sliding along micro-cracks. The two dissipation processes are physically coupled. A specific friction model is formulated. The efficiency of the proposed model is verified against experimental data on typical granites. Furthermore, the model is extended to study the transition from diffuse damage to localized cracking. The localized cracking is considered as a consequence of coalescence of diffuse micro-cracks. After the onset of a localized crack, the energy dissipation of material is entirely driven by the frictional sliding and propagation of the localized crack. And a specific frictional damage model is developed for the localized crack in consistence with the diffuse damage model. The proposed model is also verified against laboratory tests.


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