Matériaux granulaires en compression quasi-statique : étude des petites déformations par microtomographie X et par simulation numérique discrète

Tracking and modelling small motions at grain scale in granular materials under compression by X-Ray microtomography and discrete simulations

• Auteur / Autrice : Mohamed Hassan Khalili
• Direction : Jean-Noël Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 03/11/2016
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Roux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Roux, Sébastien Brisard, Michel Bornert, Catherine O'Sullivan, Hervé Di Benedetto
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stephen A. Hall, Gaël Combe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais de compression

Microtomographie

Milieux granulaires

Mots clés libres

Corrélation d'Images Numériques

Simulations numériques discrètes

Micro-Tomographie X

Matériaux granulaires

Mesure de champs

Compression oedométrique

Digital Image Correlation

Discrete Element Method

X-Ray tomography

Granular materials

Full-Field measurement

Oedometric compression

Résumé

Le travail réalisé durant cette thèse a été motivé par l'étude des mécanismes microscopiques à l'origine du fluage dans les matériaux granulaires.%En particulier, on cherche à explorer des techniques expérimentales et numériques pour l'étude d'un tel phénomène.Dans une première partie, on cherche à mesurer les déplacements des grains dans un matériau granulaire par observations en micro-tomographie X. Une telle identification ne peut être efficacement réalisée pour des phénomènes rapides avec les méthodes classiques de corrélation d'images numériques. Une nouvelle méthode nommée emph{corrélation discrète des projections numériques} qui contourne cette difficulté est développée dans cette thèse. Cette méthode, basée sur la corrélation des projections de tomographie, permet de mesurer les déplacements avec un nombre réduit de projections (100 fois moins que les méthodes classiques), ce qui diminue énormément le temps d'acquisition nécessaire pour la mesure. La méthode, appliquée à des données expérimentales, donne une précision comparable à celles des méthodes classiques tandis que le temps d'acquisition nécessaire est réduit à quelques minutes. Une étude portant sur l'analyse des sources d'erreurs affectant la précision des résultats est également présentée.Le but de la deuxième partie est de réaliser des simulations numériques pour fournir une caractérisation de l'essai oedométrique. Différents assemblages de billes de verre légèrement poly-disperses interagissant à travers des contacts élastiques de Hertz-Mindlin et frottement de Coulomb ont été utilisés. Ces simulations ont permis d'étudier l'évolution de certains paramètres structuraux du matériau modèle, préparant ainsi le terrain pour de futures études sur le fluage. Il a été particulièrement souligné que les contacts élastiques utilisés dans ces simulations ne reproduisent pas l'irréversibilité des déformations observée dans les expériences sur des sables. Cependant, l'irréversibilité est bien visible sur le nombre de coordination et l'anisotropie. Alors que les paramètres élastiques peuvent exprimer la réponse pour des petits incréments de déformations, la compression oedometrique est belle et bien anélastique, principalement à cause de la mobilisation du frottement. Le rapport entre les contraintes horizontales et verticales (coefficient du sol au repos) n'est particulièrement constant que lorsque l'anisotropie de structure est instaurée dans l'état initial de l'assemblage. Il est par ailleurs relié à l'anisotropie interne de la structure par une formule simple. Finalement, les coefficients du tenseur élastique dépendent principalement du nombre de coordination et son anisotropie est plus liée à l'anisotropie des contacts qu'à celle des forces

The present work is motivated by the study of creep in granular materials at the microscopic scale.The first part of this thesis deals with displacement measurements by microtomography. Classical digital image correlation fails to catch time-dependent (possibly fast) phenomena such as short-term creep. A new method named emph{Discrete Digital Projection Correlation} is developed to overcome this limitation. This method requires very few projections (about 100 times less than classical methods) of the deformed state to perform the correlation and retrieve grain displacements. Therefore, the acquisition time is remarkably reduced, which allows to study time-dependent phenomena.The method is tested on experimental data. While its accuracy compares favorably to that of conventional methods, it only requires acquisition times of a few minutes. The origins of measurement errors are tracked by numerical means, on simulated grain displacements and rotations.The second part is a numerical simulation study, by the Discrete Element Method (DEM), of oedometric compression in model granular materials, carried out with a simple model material: assemblies of slightly polydisperse spherical beads interacting by Hertz-Mindlin contact elasticity and Coulomb friction. A wide variety of initial states are subject to compression, differing in density, coordination number and fabric anisotropy. Despite apparently almost reversible strains, oedometric compression proves an essentially anelastic and irreversible process,due to friction, with important internal state changes affecting coordination number and anisotropy. Elastic moduli only describe the response to very small stress increments about well equilibrated configurations. The ratio of horizontal stress to vertical stress (or coefficient of earth pressure at rest, commonly investigated in soil mechanics) only remains constant for initially anisotropic assemblies. A simple formula relates it to force and fabric anisotropy parameters, while elastic moduli are mainly sensitive to the latter. Further studies of contact network instabilities and rearrangements should pave the way to numerical investigations of creep behavior