Modélisation micromécanique de l'endommagement et du frottement dans des géomatériaux initialement anisotropes

Micromechanical modeling of damage and friction in initially anisotropic quasi brittle materials

• Auteur / Autrice : Mei Qi
• Direction : Jianfu Shao, Jean-Baptiste Colliat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 24/02/2016
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique hors équilibre

Méthodes d'homogénéisation numérique

Frottement

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Anisotropie

Modèles mathématiques

Micromécanique (physique du solide)

Fissuration

Plasticité

Géomatériaux

Mots clés libres

Fissures fermées frottantes

Résumé

L'objectif de cette thèse est de développer une approche micromécanique pour modéliser l'endommagement et le frottement dans des géomatériaux initialement anisotropes. Dans ce but, deux modèles d'endommagement micromécaniques en 3D ont été proposés. L'estimation du tenseur de Hill pour les microfissures sphéroïdales 3D dans une matrice isotrope transverse est le cœur de ces deux modèles. Les propriétés élastiques effectives du milieu fissuré sont déterminées par trois schémas d'homogénéisation (schéma Dilué, schéma MT, schéma PCW) et analysées par une série d'études de sensibilité. Le premier modèle d'endommagement formulé dans le cadre de la thermodynamique irréversible est proposé pour prendre en compte des interactions entre l'anisotropie initiale et la fissuration induite. Ensuite, le deuxième modèle micromécanique est développé pour modéliser l'endommagement et le glissement plastique par frottement dans des fissures fermées. Les évolutions des déformations inélastiques sont provoquées par deux phénomènes couplés: le glissement avec frottement et l'endommagement induit par la propagation des microfissures. Elles sont décrites par des critères spécifiques locaux de l'endommagement et du frottement en fonction des forces thermodynamiques conjuguées. Les principales caractéristiques du comportement mécanique des géomatériaux initialement anisotropes (la croissance des microfissures induites, les déformations irréversibles, boucles d'hystérésis causées par les effets du frottement qui apparaissent sur les lèvres des microfissures fermées, le couplage entre l'anisotropie inhérente et celle induite, les effets de la pression de confinement et de la dilatance volumétrique) sont prises en compte.

The objective of this thesis is to develop a micromechanical method for modeling induced damage and friction sliding for a class of initially anisotropic quasi-brittle materials. To this end, two three-dimensional micromechanical damage models have been developed respectively for open and closed microcracks. The key step of these two models is an efficient numerical method to estimate Hill's tensor for three dimensional spheroidal microcracks in a transversely isotropic solid matrix. Then, the effective elastic properties of cracked material are determined through a rigorous up-scaling procedure based on three homogenization methods (Dilute scheme, MT scheme, PCW scheme) and analyzed by a series of sensitivity studies. Further, a damage model based on the irreversible thermodynamics framework is proposed to account for interactions between initial anisotropy and induced growth of cracks. Furthermore, the second micromechanical model for frictional closed cracks is developed for the description of induced damage and frictional sliding in initially anisotropic materials. The evolutions of inelastic strains due to frictional sliding and induced damage by the propagation of microcracks are coupled and described by specific local friction and damage criteria as functions of conjugate thermodynamic forces. The main features of mechanical behaviors of initially anisotropic quasi-brittle materials are taken into account, such as induced growth of micro-cracks, irreversible deformation and hysteretic loops due to friction effects of crack surfaces, coupling between inherent anisotropy and induced anisotropy, effects of confining pressure and volumetric dilatancy.