Micromécanique des matériaux granulaires : Modélisation de l'anisotropie par un modèle hyperélastique-plastique

Micromechanics of granular materials : Modeling anisotropy by a hyperelastic-plastic model

• Auteur / Autrice : Lianxin Hu
• Direction : Ali Daouadji, Florent Prunier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique – Génie Mécanique – Génie Civil
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEOMAS - Géomécanique Matériaux Structure, EA 4126 (Lyon, INSA.) - Géomécanique- Matériaux et Structures / GEOMAS
• Jury : Président / Présidente : François Nicot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ali Daouadji, Florent Prunier, François Nicot, Farid Laouafa, Laurence Curtil, Christophe Dano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farid Laouafa
• DOI : 10.70675/48bbf241z35dbz4601za7a4zbf0b372c9858

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Milieux granulaires

Micromécanique (ingénierie)

Mécanique de la rupture

Mots clés libres

Matériaux

Matériau granulaire

Hyperélasticité

Modèle axisymmétrique

Pente

Modélisation élasto-Plastique

Modélisation élastique

Contrainte mécanique

Elasticité

Déformations plastiques

Materials

Granular material

Hyperelasticity

Axisymmetric model

Slope

Elastic-Plastic modelling

Elastic modelling

Mechanical stress

Elasticity

Plastic deformation

Résumé

Afin de modéliser le comportement des géométariaux sous des charges complexes, plusieurs études et travaux expérimentaux ont été réalisées afin d’établir des modèles constitutifs relatifs. Une caractéristique importante des matériaux granulaires est que la relation entre la contrainte et la déformation et ce même dans le domaine élastique n’est pas linéaire, contrairement aux réponses du métal. Il a également été constaté que la réponse contrainte-déformation des matériaux granulaires montre les caractéristiques de l’anisotropie induite, ainsi que les non-linéarités. En outre, l’anisotropie induite par la contrainte se produit pendant le processus de chargement sur les sols, par exemple, les charges ou les déplacements. Dans ce travail, un nouveau modèle qui est une combinaison de modèle hyperélastique Houlsby et modèle élastoplastique Plasol a été proposé. Ce nouveau modèle a pris en compte la réponse non linéaire de la contrainte dans le domaine élastique et plastique, et l’élasticité anisotrope a également été bien considérée. En outre, les problèmes de l’écoulement de la déformation plastique a été calibré par un algorithme d’intégration approprié. Plus tard, le nouveau modèle a été vérifié en utilisant la méthode numérique et comparé aux expériences de laboratoire dans des conditions triaxiales axisymmétriques. Les résultats de comparaison ont montré un bon effet de simulation du nouveau modèle qui a juste utilisé un seul ensemble de paramètres pour un sol spécifique dans différentes situations de contraintes. Ensuite, l’analyse de la nouvelle variable interne du modèle, c’est-à-dire l’exposant de pression, a montré que la valeur de l’exposant de pression qui correspond au degré d’anisotropie a eu un effet évident sur la réponse contrainte-déformation. De plus, ce type d’effet est également affecté par la densité et l’état de drainage des échantillons. En s’appuyant sur un nouveau modèle, un facteur de sécurité qui fait référence au critère de travail de deuxième ordre a été adopté et testé dans un modèle axisymétrique et un modèle de pente réel. Il a montré que la valeur négative ou la diminution spectaculaire du travail global normalisé de second ordre se produit lors d’une défaillance locale ou globale avec apparition d’énergie cinétique. Cette caractéristique du travail du second ordre peut également être affectée par l’exposant à pression variable. Enfin, un nouveau modèle a également été comparé à un modèle élastoplastique qui considère à la fois l’anisotropie élastique et la dilatation anisotrope, c’est-à-dire le modèle SANISAND modifié. Les avantages et les inconvénients ont été illustrés dans les résultats de comparaison.

In order to model the behavior of geometarials under complex loadings, several researches have done numerous experimental works and established relative constitutive models for decades. An important feature of granular materials is that the relationship between stress and strain especially in elastic domain is not linear, unlike the responses of typical metal or rubber. It has been also found that the stress-strain response of granular materials shows the characteristics of cross-anisotropy, as well as the non-linearities. Besides, the stress-induced anisotropy occurs expectedly during the process of disturbance on soils, for example, the loads or displacements. In this work, a new model which is a combination of Houlsby hyperelastic model and elastoplastic Plasol model was proposed. This new model took into account the non-linear response of stress and strain in both elastic and plastic domain, and the anisotropic elasticity was also well considered. Moreover, the overflow problem of plastic strain in plastic part was calibrated by a proper integration algorithm. Later, new model was verified by using numerical method and compared with laboratory experiments in axisymmetric triaxial conditions. The comparison results showed a good simulation effect of new model which just used one single set of parameters for a specific soil in different confining pressure situations. Then the analysis of new model internal variable, i.e., pressure exponent, illustrated that the value of pressure exponent which corresponds to the degree of anisotropy had an obvious effect on the stress-strain response. Moreover, this kind of effect is also affected by the density and drainage condition of samples. Basing on new model, a safety factor which refers to the second-order work criterion was adopted and tested in axisymmetric model and actual slope model. It showed that the negative value or dramatic decreasing of global normalized second-order work occurs accompanying with a local or global failure with a burst of kinetic energy. This feature of second-order work can also be affected by the variable pressure exponent. At last, new model was also compared with an elastoplastic model which considers both anisotropic elastic and anisotropic dilatancy, i.e., modified SANISAND model. Both advantages and disadvantages were illustrated in the comparison results.