IBTS-77-RP-1000
Modélisation du comportement au fluage des géomatériaux
Les études du comportement au fluage des argiles peuvent être classées en deux familles : celles fondées sur une approche macroscopique de la loi de comportement du sol et celles fondées sur une approche microscopique.
La première approche est couramment utilisée dans la quasi-totalité des applications pratiques. Elle consiste à assimiler les matériaux à des milieux continus, en leur attribuant des paramètres dont les valeurs peuvent être déterminées à partir des essais de laboratoire. La modélisation mathématique repose soit sur des corps idéaux (corps de Maxwell, de Kelvin-Voigt ou combinaisons entre ces deux) construits par assemblage de ressorts, amortisseurs et patins de plasticité, soit sur la simulation des résultats d’essais par des fonctions obtenues au moyen des théories de viscoélasticité ou de viscoplasticité.
L’approche microscopique traite la déformation de fluage à partir des modifications élémentaires des particules du squelette intergranulaire. Parmi les paramètres non exhaustifs qu’on peut considérer dans ces modèles :
L’orientation des particules et le développement des défauts (cavités, pores, microfissures, fissures) sur une coupe de l’échantillon (Cao et al. 2018).
Les forces de contact intergranulaire (Mchirgui 2012) . L’énergie d’activation liée aux défauts et aux réarrangements des particules, ce paramètre est utilisé lors d’une description analytique du comportement de l’argile analogue à celui des molécules d’un liquide ou d’un gaz, au moyen d’une théorie cinétique moléculaire (Ichikawa et al. 2004).
Eprouvettes compactées au voisinage de l’Optimum Proctor
Les échantillons testés sont préparés selon la taille ciblée tenant en compte la densité sèche et la teneur en eau liés aux caractéristiques Proctor normales. L’argile bentonite commerciale (BC) sous forme de poudre est séchée à 40°C pendant plusieurs jours (+ de 7 jours). Le matériau est pesé et placé dans un sac plastique. La quantité d’eau nécessaire à la confection est ajoutée ensuite (teneur en eau et compacité correspondant à l’optimum Proctor). L’homogénéisation du mélange se fait par malaxage manuel du sac. Après 24h la quantité de la bentonite homogénéisée est versée à l’intérieur de la cellule du dispositif œdométrique. Ce dernier sert à comprimer l’échantillon jusqu’à ce que le volume visé soit atteint. Cette procédure est répétée pour l’argile bentonite tout venant (BTV), qui est dans un premier temps tamisée à 2 mm, séchée à 40°C pendant plusieurs jours et sous échantillonnée avec un diviseur d’échantillon rotatif (sous-échantillonnage successif jusqu’à l’obtention des quantités de 100g environ). Le compactage est effectué sous une valeur de pression fixé à 0,6 MPa contrôlée par la pompe GILSON 305 du banc d’essai. Les déplacements du piston sont indiqués par le comparateur de déplacement vertical. Dès que la densité ciblée est atteinte, la pression appliquée est maintenue pendant 1h pour l’homogénéisation de l’échantillon. Après cela, le programme de chargement et le test de fluage commence.
Caractérisation microstructurale des matériaux
Les études expérimentales microstructurales sont récemment ressorties comme un outil important pour améliorer la compréhension des caractéristiques comportementales et phénoménologiques des sols compactes (Romero 2013). Les informations issues d’une caractérisation microstructurale approfondi ont été souvent utilisés pour établir des hypothèses d’interactions micro-macro et construire une variété de modèles d’homogénéisation reliant le comportement macroscopique aux caractéristiques mécaniques de sa microstructure et de sa composition minéralogique (Wetzel et al. 2017).
La première étape de modélisation par une procédure d’homogénéisation est la définition du volume élémentaire représentatif (V.E.R). Les analyses réalisées au laboratoire Sols, Roches et Ouvrages géotechniques (SRO) à l’Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR) ont pour objectif premier de détailler une description microstructurale des bentonites BTV et BC étudiées dans ce travail, et proposer par la suite un modèle simplifié pour la modélisation de ce type d’argile en utilisant une approche d’homogénéisation numérique. Ce type de modélisation nous permet de mettre en évidence l’influence des phases subsidiaires sur les résultats prédictifs de fluage unidimensionnel de la bentonite compacte.
Analyse par microscope électronique à balayage environnementale (MEBE)
Des analyses (MEBE) ont été effectuées pour mettre en évidence les différences structurelles entre les deux matériaux . Nous n’avons pas fait de tentative d’inclusion et découpe des sols pour observer une surface plane car leur porosité est trop faible pour obtenir une inclusion à cœur avec les techniques dont le laboratoire (SRO) dispose. Il faut donc trouver un contact chez les agronomes (INRA) ou pédologues pour l’inclusion des échantillons, puis la phase de coupe et polissage ‘sans eau’ est nécessaire. Ceci dit que les matériaux argileux étudiés sont très fin et on va avoir d’un côté la matrice argileuse et de l’autre des phases secondaires avec des tailles variables. Dans le cas de la bentonite commerciale, ces phases secondaires doivent avoir des tailles relativement faibles (de l’ordre de la taille des agrégats argileux). La quantification par EDX (Analyse dispersive en énergie) couplé au MEBE est parfaitement uniforme quelle que soit l’échelle d’observation. Cependant, il sera difficile de faire une observation sur une coupe de ces phases et sans doute nécessaire de faire de multiples observations à petite échelle pour pouvoir les observer, et avoir également une bonne représentation de la microstructure du point de vue statistique.
Revue de littérature sur le fluage de l’argilite Callovo-Oxfordian
La roche argileuse nommée l’argilite Callovo-Oxfordian, est considéré comme un géomatériaux principalement utilisée pour le stockage des déchets radioactifs grâce à ses qualités hydriques (de faible perméabilité (environ 10-20 m²)) et mécaniques (sa forte résistance au cisaillement (Belmokhtar et al. 2017). De nombreux programmes de recherche étaient dédiés à la compréhension du comportement de cette roche. Parmi lesquels figurent les études expérimentales comme celles de (Fabre & Pellet 2006) qui ont analysés le comportement différé de la roche en fonction de la proportion de particules d’argiles. (Zhang & Rothfuchs 2004) ont étudiés l’influence de l’anisotropie et l’effet d’échelle sur le comportement à long terme, et (Gasc-Barbier et al. 2004) à travers le programme d’essais axé sur le comportement différé dans des conditions de chargement et de température différentes . D’autres auteurs se sont intéressés à d’autres types de roches comme (Yang et al. 1999) et (Chen et al. 2014) .La modélisation du comportement à long terme est le plus souvent basée sur des approches macroscopiques, soit par des modèles rhéologiques (Gálos 1988) (Tomanovic 2009), ou des modèles constitutives (Shao et al. 2003) (Ma et al. 2015) et (Gens et al. 2017). La croissance des fissures et de l’endommagement de la roche pendant le processus visqueux ont été modélisées par (Li & Shao 2016) et (Wang et al. 2016) . En effet, les modélisations du comportement différé des géomatériaux sont très souvent des variantes de la théorie de Perzyna (Perzyna 1966) qui a servi de base au développement du modèle Laigle & Kleine (L&K). A l’aide de ce dernier, (Plassart et al. 2013) ont réussi de simuler l’essai de fluage triaxial sur deux paliers de contrainte successifs. Cependant, ces modèles ne peuvent prendre en compte l’hétérogénéité et l’effet de la composition minéralogique qui, d’après (Hu et al. 2014) , agissent de manière significative sur les propriétés mécaniques de la roche. Le fluage est causé par de nombreux et complexes mécanismes qui ne sont pas encore complétement compris (Nakov et al. 2018).
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE I ETAT DE CONNAISSANCES SUR LE FLUAGE DES SOLS ARGILEUX
1.1 Introduction
1.2 Généralités et définitions sur le fluage
1.3 Etude du fluage
1.3.1 Cas œdométrique
1.3.2 Cas triaxial
1.4 Modélisation du comportement au fluage des géomatériaux
1.4.1 Approches macroscopiques
1.4.2 Approches microscopiques
1.5 Conclusion
CHAPITRE II ETUDE EXPERIMENTALE DE FLUAGE : EFFET DE LA TEMPÉRATURE ET DE L’HUMIDITÉ RELATIVE
2.1 Introduction
2.2 Matériaux utilisés
2.2.1 Caractéristiques physiques
2.2.2 Caractéristiques hydriques : la perméabilité intrinsèque
2.2.3 Caractéristiques thermiques : essai de conductivité
2.3 Banc d’essai de fluage
2.3.1 Dispositif œdométrique sans température
2.3.2 Dispositif œdométrique avec température
2.3.3 Dispositif œdométrique à succion contrôlée
2.4 Préparation des éprouvettes
2.4.1 Eprouvettes compactées au voisinage de l’Optimum Proctor
2.4.2 Eprouvettes compactées à succion imposée
2.5 Résultats expérimentaux
2.5.1 Caractérisation de la consolidation secondaire
2.5.2 Effet de l’humidité relative
2.5.3 Effet de la température
2.6 Conclusion
CHAPITRE III ETUDE NUMERIQUE DU COMPORTEMENT AU FLUAGE PAR UNE MÉTHODE
D’HOMOGÉNÉISATION
3.1 Introduction
3.2 Caractérisation microstructurale des matériaux
3.2.1 Analyse minéralogique (diffraction par des rayons X)
3.2.2 Analyse de porosité avec porosimétrie par intrusion de mercure
3.2.3 Analyse par microscope électronique à balayage environnementale (MEBE)
3.3 Volume élémentaire représentatif des matériaux
3.4 Formulation du modèle et validation par des résultats expérimentaux
3.4.1 Homogénéisation et formulation numérique sans température
3.4.2 Homogénéisation et formulation du couplage T-M
3.5 Analyse numérique
3.5.1 Distributions des contraintes et déformations dans le VER
3.5.2 Influence de la porosité et des minéraux
3.6 Conclusion
CHAPITRE IV PRISE EN COMPTE DE LA NON SATURATION DANS LA MODÉLISATION DU
COMPORTEMENT AU FLUAGE
4.1 Introduction
4.2 Modèles de fluage d’une argile non saturée
4.2.1 Modèles améliorés par Lai et al. 2010 et 2014
4.2.2 Modèles améliorés par Zou et al. 2013
4.3 Comportement au fluage des sols non saturés : proposition d’un modèle
4.3.1 Modèles de fluage primaire « Modified Time Hardening »
4.3.2 Prise en compte de la succion
4.3.3 Validation avec les résultats d’essais expérimentaux
4.4 Courbes de fluage à différentes humidités
4.5 Conclusion
CHAPITRE V MODÉLISATION DU COMPORTEMENT AU FLUAGE D’UNE ROCHE ARGILEUSE
HÉTÉROGÉNE
5.1 Introduction
5.2 Revue de littérature sur le fluage de l’argilite Callovo-Oxfordian
5.3 Procédure de modélisation par homogénéisation numérique
5.3.1 Description du matériau, représentation du VER et conditions aux limites
5.3.2 Comportement local des constituants
5.3.3 Homogénéisation
5.4 Résultats et discussions
5.4.1 Validation de la modélisation avec les résultats expérimentaux
5.4.2 Comparaison avec d’autres modèles
5.4.3 Influence de la fraction volumique des constituants
3.4.4 Distributions des contraintes et déformations dans le VER
5.5 Conclusion
CONCLUSIONS
PERSPECTIVES
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