Comportement élastique et visqueux des sables en petites et moyennes déformations : essais sur éprouvette cylindrique creuse et modélisation

= Elastic and viscous behaviour of sands at small and medium strain : tests on hollow-cylinder specimen and modelisation

• Auteur / Autrice : Hieu Doan Tran
• Direction : Hervé Di Benedetto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Lyon, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Anisotropie

Milieux granulaires

Sablières et gravières

Rhéologie

Résumé

Le comportement des sables est étudié à partir du montage expérimental « T4C StaDy », un appareil innovant de Torsion Compression Confinement sur Cylindre Creux développé au DGCB/ENTPE. Il permet d’étudier une large gamme de déformations pour des déformations allant de quelques 10-6 m/m jusqu’à la rupture (quelques 10-2m/m) avec un système de mesure locale. Des sollicitations statiques indépendantes de compression ou d’extension, de torsion et de confinement autorisent l’accès à un chemin de contraintes tridimensionnel et permettent l’analyse de l’anisotropie induite par l’état de contrainte et la rotation des axes principaux. En outre, des sollicitations dynamiques sont générées par un dispositif de propagation d’ondes ultrasonores comprenant des capteurs piézo-électriques. La campagne expérimentale menée durant ce travail a conforté l’hypothèse de l’existence d’un domaine de comportement quasi-élastique en petites déformations et a permis d’étudier la partie visqueuse du comportement des sables. Les essais menés sont des essais de consolidation isotrope et anisotrope, des essais de torsion avec ou sans changement de vitesse de déformation, au cours desquels des périodes de fluage, des sollicitations cycliques de faible amplitude et des sollicitations dynamiques ont été appliquées à différents états de contrainte. Concernant la partie non visqueuse, les termes du tenseur rhéologique reliant incrément de contrainte et incrément de déformation sont accessibles au travers des sollicitations cycliques de faible amplitude. Certains termes sont également déterminés à partir des sollicitations dynamiques. Les propriétés de ce tenseur sont également étudiés. Des hypothèses de comportement élastique isotrope et élastique isotrope transverse (orthotrope de révolution) sont considérées. Une bonne concordance entre les deux méthodes, statiques et dynamique, est observée. L’effet du temps sur les courbes contrainte-déformation a été étudié à travers les périodes de fluage appliquées, les changements de vitesse de déformation pour les différents trajets de chargement. Un formalisme à trois composantes a été proposé pour décrire à la fois la partie visqueuse et non visqueuse du comportement des sables. Le comportement quasi-élastique et le comportement visqueux sont traités respectivement par la première et la troisième composante. Les simulations prédisent correctement les résultats expérimentaux statiques, dynamiques et de fluage.

The behaviour of sands is investigated by the means of the prototype “T4C StaDy”, an innovative torsion/compression device developed at DGCB/ENTPE. The measurable strain range covers very small strains (several 10-6 m/m) to large strains (several 10-2 m/m) with an innovative local measurement system. Independent static and dynamic loadings can be applied to a hollow cylinder specimen and the effects of induced anisotropy, sudden or continuous rotation of stress principle axes, investigated under three dimensional stress paths. Dynamic loadings are carried out thanks to piezo-electric transducers. Series of consolidation tests and torsional shear tests (with/without variations of strain rates) were performed including creep, small cyclic and dynamics loadings at different stress states. These series confirmed the existence of a quasi-elastic domain at small strains and allowed studying the viscous properties of sand. About the non-viscous behaviour, eight terms of the compliance tensor linking strain and stress increments can be determined under small cyclic loadings. Several properties of this tensor are reported. Inverse analysis of dynamic measurements gives also several terms of the compliance tensor. Isotropic elasticity and transverse isotropic elasticity are considered. Static and dynamic measurements show a good agreement. The viscous behaviour of the materials can be characterized thanks to creep strains and overshoots/undershoots at the changes in strain rate for different loading paths. A three-component model is proposed to describe at the same time, the non-viscous and viscous properties of sand. Quasi-elastic behaviour and viscous behaviour are respectively simulated by the first and the third component. Experimental static, dynamic and creep results are correctly predicted by the model.