Contribution à la modélisation de l'endommagement et de la fissuration des matériaux rocheux par la méthode de champ de phase considérant frottement et couplage hydromécanique

Contribution to modeling of damage and cracking in rock-like materials by phase-field method considering friction and hydromechanical coupling

• Auteur / Autrice : Meng Wang
• Direction : Jianfu Shao, Wanqing Shen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 20/02/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle
• Jury : Président / Présidente : Albert Giraud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xiaoying Zhuang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antonio Gens, Richard Giot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stabilité

Pentes et versants rocheux

Essais de compression

Cisaillement (mécanique)

Élastoplasticité

Viscoplasticité

Frottement

Dynamique des fluides

Matériaux poreux

Fissuration

Géomatériaux

Mots clés libres

Méthode des champs de phase

Couplage hydromécanique

Cracking

Phase-Field method

Frictional microcracks

Hydromechanical coupling

Viscoplastic deformation

Slope instability

Résumé

La fissuration est le principal mécanisme de rupture de la plupart des matériaux rocheux. Le processus principal contient l'initiation et la croissance de micro-fissures et l'apparition de fractures macroscopiques dues à la coalescence de micro-fissures. Dans cette thèse, la méthode du champ de phase a été utilisée pour décrire la transition entre les fissures diffuses (micro-fissures) et les fractures localisées. Un modèle du champ de phase simple est d'abord appliqué à la modélisation de l'apparition et de la propagation des fissures dans les matériaux rocheux avec une variabilité spatiale des propriétés mécaniques liée à l'héterogeneité micro-structurale des matériaux. Une série de spécimens numériques avec différentes distributions aléatoires d'inclusions minérales sont étudiés. Les réponses globales en contrainte-déformation prédites numériquement sont comparées aux données expérimentales.Ensuite, nous développerons un nouveau modèle de champ de phase en considérant le couplage entre les dommages dus à la croissance des fissures et le glissement par friction le long des surfaces de fissures fermées. Il prend en compte les conséquences des effets unilatéraux d'ouverture et de fermeture des fissures. Les conditions de continuité sont vérifiées pour toutes les fonctions énergétiques, les relations contrainte-déformation et les forces thermodynamiques conjuguées. La performance de ce modèle est évaluée à travers plusieurs exemples numériques et en comparant les résultats numériques avec les observations expérimentales.Ensuite, la déformation et la rupture en fonction du temps qui se manifestent dans la plupart des roches sont décrites par un modèle de champ de phase visqueux qui est couplé à une loi de comportement viscoplastique. Le champ de fissures est influencé par la déformation viscoplastique, tandis que le seuil de déformation viscoplastique est affaibli par la croissance des fissures. La comparaison entre les prédictions numériques et les données expérimentales dans des essais de compression triaxiale et de fluage vérifie l'efficacité de ce modèle de champ de phase.De plus, deux variables de champ de phase sont introduites pour capturer les fissures de traction, de cisaillement et mixtes dans les roches poreuses saturées et non saturées. Afin de considérer l'influence de la contrainte de cisaillement frictionnelle et de la contrainte normale sur l'évolution des fissures de cisaillement, un nouveau modèle de champ de phase hybride est proposé. Les exemples qui peuvent démontrer la capacité de ce modèle sont présentés, y compris la compression triaxiale pour les matériaux secs et les tests de dessiccation.Enfin, les modèles de champ de phase proposés sont appliqués pour analyser des problèmes d'ingénierie spécifiques tels que la stabilité des pentes et les glissements de terrain. Les principaux mécanismes de défaillance sont identifiés et comparés aux observations de terrain.

Cracking is the main failure mechanism of most rock-like materials. The principal process contains the initiation and growth of micro-cracks and the onset of macroscopic fractures due to the coalescence of micro-cracks. In this thesis, the phase-field method has been employed to describe the transition from diffuse cracks (micro-cracks) to localized fractures. A basic phase-field model is first applied to modeling the onset and propagation of cracks in rock-like materials with spatial variability of mechanical properties due to micro-structural heterogeneity. A series of numerical specimens with different random distributions of mineral inclusions are investigated. The numerical predicted overall stress-strain responses are compared with experimental data.Next, we shall develop a novel phase-field model considering coupling between damage due to crack growth and frictional sliding along closed crack surfaces. It rigorously takes into account the consequences of crack opening-closure unilateral effects. The continuity conditions are verified for all energy functions, stress-strain relations and conjugated thermodynamics forces. The performance of this model is assessed through several numerical examples and by comparing the results with experimental observations.Then, the time-dependent deformation and failure observed in most rocks are described by a viscous phase-field model which is coupled with a viscoplastic constitutive law. The crack field is driven by viscoplastic strain, while the threshold of viscoplastic deformation is weakened by the growth of cracks. The comparison between numerical predictions and experimental data in triaxial compression and creep tests verifies the efficiency of this phase-field model.Further, two phase-field variables are introduced to capture the tensile, shear and mixed cracks in saturated and unsaturated porous rocks. To consider the influence of frictional shear stress and normal stress on the evolution of shear cracks, a new hybrid phase field model is proposed. The examples which can demonstrate the ability of this model are presented including triaxial compression for dry material and desiccation tests.Finally, the proposed phase-field models are applied to analyze some specific engineering problems such as slope stability and landslide. The principal failure mechanisms are identified and compared with field observations.