Analyse micro-inertielle des instabilités mécaniques dans les milieux granulaires, application à l'érosion interne

par Antoine Wautier

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Stéphane Bonelli et de François Nicot.

Le président du jury était Félix Darve.

Le jury était composé de François Nicot, Elisabeth Bowman, Farhang Radjaï, Noël Lahellec.

Les rapporteurs étaient Richard Wan, Francesco Dell'Isola.


  • Résumé

    La plupart des digues sont constituées de matériaux granulaires compactés. Elles sont ainsi perméables et constamment soumises à des écoulements d’eau dans leur volume. Dans certaines conditions, ces écoulements peuvent altérer leur microstructure par érosion interne et générer des instabilités mécaniques responsables de ruptures inopinées lors de crues. Cette thèse s’intéresse à l’analyse multi-échelle des instabilités mécaniques dans les matériaux granulaires soumis à l'érosion interne. Dans ce travail, le comportement mécanique de ces matériaux est simulé en 3D à l’échelle de volumes élémentaires représentatifs, et ce, pour différents états de contraintes et gradients hydrauliques. Grâce à l’utilisation du critère du travail du second ordre et d’outils micromécaniques, leur stabilité est analysée avant et après l’application d’un écoulement interne. Il est établi que l’origine micro-inertielle des instabilités observées provient du déconfinement et de la flexion des chaînes de force ainsi que des déformations plastiques importantes résultant de leur effondrement. Par leur capacité à enrayer rapidement le développement de telles déformations plastiques, il est montré que les particules libres contribuent à assurer la stabilité mécanique des matériaux granulaires. Ce résultat est fondamental pour analyser les conséquences de l’érosion interne en termes de stabilité mécanique car les particules libres sont facilement transportables sous l’action d’un écoulement interne. Selon si elles sont colmatées ou érodées, un écoulement interne aura un effet stabilisateur ou déstabilisateur vis-à-vis du comportement mécanique des matériaux granulaires soumis à l’érosion interne

  • Titre traduit

    Micro-inertial analysis of mechanical instability in granular materials with application to internal erosion


  • Résumé

    Dikes are most of the time built of compacted granular materials that are permeable and continuously subjected to internal fluid flows. In some cases, microstructure modifications resulting from internal erosion generate mechanical instability that will lead to unexpected failures in case of serious flooding. This thesis focuses on multi-scale analysis of mechanical instability in granular materials subjected to internal erosion. In this work, the mechanical behavior of such materials is simulated in three dimensions at the scale of representative elementary volumes subjected to different stress states and hydraulic gradients. Thanks to the use of the second order work criterion and micromechanical tools, the mechanical stability of these materials is tested before and after internal erosion. It is established that the micro-inertial origin of the observed instabilities is linked to force chain deconfinement and bending as well as to the development of large plastic strains resulting from force chain collapse. By preventing the development of such plastic strains, it is shown that rattlers contribute to ensure the mechanical stability of granular materials. This key finding is of a particular significance in relation with internal erosion as rattlers can be easily transported under the action of an internal fluid flow. Depending on whether they get clogged or eroded, an internal fluid flow has thus either a stabilizing or a destabilizing effect on the mechanical behavior of granular materials subjected to internal erosion


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