Suivi acoustique de l'endommagement de matériaux granulaires cimentés : expériences et simulations

par Vincent Canel

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Michel Campillo, Xiaoping Jia et de Ioan Ionescu.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) .


  • Résumé

    L'endommagement et la cohésion des roches qui en résulte contrôlent le glissement et la nucléation des séismes. Ce phénomène n'étant pas bien compris, nous nous intéressons à l'interaction entre la friction au niveau de la faille et l'endommagement en volume environnant. Le principal objectif de cette thèse est d'analyser conjointement les données obtenues à l'échelle macroscopique lors d'expériences analogiques contrôlées en laboratoire et les résultats de modèles numériques donnant accès à des échelles inférieures. Les travaux réalisés lors de cette thèse s'articulent autour de trois expériences mécaniques menées sur deux types d'échantillon granulaire cimenté. Ces échantillons, initialement cohésifs, sont formés de billes de verres collées par un matériau ductile ou cassant. Les com- pressions oedométrique et uniaxiale sont complémentaires au test de cisaillement direct en boîte de Casagrande qui permet l'étude d'une interface frictionnelle dans un milieu endommagé. Les réponses des échantillons à ces différentes sollicitations mécaniques impliquent endommagement, glissement et friction et sont non seulement suivies mécaniquement mais aussi acoustiquement grâce à deux types de sondes ultrasonores. La première sonde, active, permet de surveiller les propriétés élastiques apparentes du milieu en étudiant la propagation d'ondes acoustiques et en particulier leur vitesse. L'évolution de cette dernière est en effet fortement corrélée à l'état du milieu. Sous chargement oedométrique, l'endommagement affecte la vitesse alors qu'en déchargement-rechargement une loi de milieu effectif purement granulaire et sec est retrouvée. La vitesse acoustique mesurée dans les échantillons cassants est aussi corrélée à des stick-slips qui ponctuent les contraintes macroscopiques. La seconde sonde, passive, consiste à enregistrer les émissions acoustiques produites dans le milieu et à analyser leurs lois statistiques proches de celles des séismes. Ainsi la valeur instantanée de b dans la loi de Gutenberg-Richter, le taux d'évènements à l'approche de la rupture, ou la correlation des évènements et la distribution des délais inter-évènements caractérisent différentes étapes du chargement du système. Pour mieux comprendre les aspects micro et mésoscopiques qui restent peu explorés expérimentalement, nous avons réalisé des simulations numériques quasi-statiques et dynamiques. Deux types de modélisations, par éléments finis et hybride (mêlant éléments finis pour les ponts de ciment et éléments discrets pour les billes), permettent de recourir à des lois élasto-plastiques avec endommagement pour les ponts plutôt qu'à des lois ad hoc générale- ment utilisées pour les décrire avec des éléments discrets seuls. Les géométries, mécanismes et protocoles expérimentaux ont guidé de près ces simulations qui mettent en évidence des phénomènes aux échelles des contacts inter-grains et des grains. Nous observons que la déformation plastique interne des ponts se localise en bandes de cisaillement et qu'elle est très hétérogène à l'échelle de l'échantillon. En réaction aux ruptures des ponts, des redistributions de contrainte et des réarrangements des contacts de Hertz guident l'évolution des chaînes de forces. Une chute de la vitesse des ondes acoustiques avec l'endommagement est observée à l'échelle macroscopique. Les évènements de rupture de ponts et de création ou de perte de contacts directs entre billes sont considérés équivalents à des sources d'émissions acoustiques, ce qui permet de les traiter similairement et de corréler leur comportement à l'évolution de l'échantillon.

  • Titre traduit

    Acoustic monitoring of damage in cemented granular materials: experiments and simulations


  • Résumé

    The damage and the resulting cohesion of the rocks control the slip and the earthquakes nucleation. This phenomenon is not well understood, that is why we are interested in the interplay between friction in the fault and damage of the surrounding volume. The main objective of this thesis is the coupled analysis of data obtained at the macroscopic scale in controlled laboratory experiments and of results of numerical models that allow to investigate smaller scales. The work produced during this thesis is based around three mechanical experiments performed on two kinds of cemented granular material samples. These samples, initially cohesive, are made of glass beads bonded with a ductile or brittle cement. The oedometric and uniaxial compressions are complementary to the direct shear test within a Casagrande box that allows to study a frictional interface in a surrounding damaged medium. The samples responses to these mechanical stresses involve damage, slip and friction and are not only monitored mechanically but also acoustically thanks to two kinds of ultrasounds probes. The first probe, said active, allows to monitor the apparent elastic properties of the sample by studying the acoustic waves propagation and especially their velocity. Its evolution is strongly correlated to the sample state. Under oedometric loading, the damage affects the velocity whereas under unloading-reloading an effective medium law for a dry and purely granular medium is recovered. The acoustic velocity measured in the brittle samples is also correlated to intermittent stick-slip events interspersing the macroscopic loading. The second probe, said passive, consists in recording the acoustic emissions emitted in the medium and in analyzing their statistical laws similar to the earthquakes ones. For instance, the instantaneous b- value in the Gutenberg-Richter law, the events rate as the rupture approaches, or the events clustering and inter-event distribution charactarize different stages of the system loading. To better understand the micro and mesoscopic aspects that remain not much explored experimentally, we developed quasistatic and dynamic numerical simulations. Two kinds of modeling, with finite elements and hybrid (coupling finite elements for the bonds and discrete elements for the beads), allow to employ elasto-plastic laws with damage for the bonds rather than ad hoc laws usually used to describe the bonds with discrete elements only. The experimental geometries, mechanisms and protocols have closely guided these simulations that highlight phenomena at the scales of the beads and their contacts. We observe that the intern bonds deformation is often localized in shear bands but that the macroscopic deformation is very heterogeneous at the sample scale. In reaction to the bonds ruptures, stress redistributions and contacts rearrangements guide the force chains evolution. An acoustic velocity drop with the damage is observed at the macroscopic scale. The events of bonds rupture and of creation or loss of direct contacts between the beads are considered as equivalents of acoustic emissions sources, what allows to treat them similarly and correlate their behavior to the sample evolution.