Contribution à la modélisation multi-échelle du comportement mécanique des matériaux rocheux

Contribution to multi-scale modeling of mechanical behavior of rock materials

• Auteur / Autrice : Mingyao Li
• Direction : Jianfu Shao, Wanqing Shen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 29/06/2015
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Argilite

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Méthodes d'homogénéisation numérique

Analyse multiéchelle

Microstructure (physique)

Matériaux poreux

Milieux hétérogènes (physique)

Plasticité

Géomatériaux

Mots clés libres

Transformée de Fourier rapide

Résumé

L'objectif de ce travail est d'étudier les effets de microstructures sur les comportements mécaniques macroscopiques des géomatériaux hétérogènes. Profitant de la méthode numérique basée sur la Transformée de Fourier Rapide (TFR), les microstructures complexes de géomatériaux peuvent être simulées aussi proche que possible de la vraie microstructure. Avec des calculs en champ complet, les contraintes et les déformations locales sont fournies à l’échelle microscopique. Cette caractéristique permet de surmonter les hypothèses fortes sur la microstructure par des approches traditionnelles d'homogénéisation. Matrix-inclusion composites avec microstructures différentes sont d'abord étudiés. Les influences de la forme, la taille, la distribution et l'orientation des inclusions sur le comportement macroscopique sont prises en compte. Ensuite, ce modèle numérique basé sur TFR est appliqué à l'argilite du Callovo-Oxfordien qui est traitée comme une matrice élastoplastique renforcé par des grains élastiques de quartz et de calcite. Avec une règle d'écoulement non associé dans la matrice, les effets de grains sphériques de minéraux sont explicitement pris en compte. Ce modèle est en outre étendu par la considération du processus de détérioration progressive due à la croissance de microfissures. Après cela, les effets de pores (formes, tailles, orientations et distributions) sur le comportement effectif de matériaux poreux sont considérés. A titre d'exemple, un géomatériau poreux typique le grès a été étudié en détail. En outre, la détérioration autour des pores et des régions interagies sont simulées avec un critère simple d’endommagement pour l'évolution des pores et le phénomène de dégradation est entièrement exposé. Les comparaisons entre les résultats numériques et les données expérimentales vérifient l'efficacité et la précision de cette méthode numérique basée sur TFR pour les géomatériaux hétérogènes.

The objective of this work is to study the effects of microstructures on the macroscopic mechanical behaviors of heterogeneous geomaterials. Taking advantage of the Fast Fourier Transforms (FFT) based numerical method, the complex microstructures of geomaterials can be considered as close as possible to the real microstructure and a full field micromechanical analysis of strain and stress can be provided at the microscopic scale. This feature overcomes the strong assumptions on microstructure by traditional homogenization approaches. Matrix-inclusion type composites with different microstructure are firstly investigated. The influences of inclusion shape, size, distribution and orientation on the effective behavior are fully studied. Then it is applied to the Callovo-Oxfordian argillite which is modeled as an elastoplastic matrix reinforced by linear elastic quartz and calcite spherical grains. With a non-associated plastic flow rule in the matrix, the effects of mineral grains are explicitly taken into account. The model is further extended by introducing the progressive damage process due to the growth of microcracks. After that, the pore effects (shapes, sizes, orientations and distributions) on the effective behavior of porous materials are considered with a specific application to the typical porous geomaterial sandstone. Furthermore, the deterioration around the pores and the interacted regions are simulated with a simple damage criterion for pore evolution and the degradation phenomenon is fully exhibited. The comparisons between the numerical results and experimental data verify the efficiency and accuracy of the FFT based method for heterogeneous geomaterials.