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JNGG

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  1. 1. Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'Ingénieur Nancy, 6-8 Juillet 2016 Modélisation hydro-mécanique du couplage endommagement-plasticité dans les géomatériaux non saturés Prix Pierre Londe 2015 Solenn Le Pense Directeurs de thèse : Ahmad POUYA Behrouz GATMIRI
  2. 2. Introduction Stockage de déchets radioactifs à grande profondeur Excavation =⇒ décompression Redistribution des contraintes Création d'une zone endommagée par excavation (EDZ) Désaturation induite par la ventilation Modication de la perméabilité Front d'excavation dans l'argile de Boom - galerie de diamètre 2.5 m (Van Marcke and Bastiaens, 2010) 1/17
  3. 3. Introduction Mécanique des géomatériaux multiphasiques Modication des propriétés mécaniques en fonction de la teneur en eau : Fissuration induite par une modication de la teneur en eau : 2/17
  4. 4. Introduction Objectifs de la thèse Développement d'un cadre de modélisation pour le comportement méca- nique des géomatériaux non-saturés incorporant les phénomènes dissipatifs d'endommagement et de plasticité. Mécanique Hydraulique Perméabilité Rétention Endommagement Élasticité Plasticité Developpement d'algorithmes et implémentation dans un code aux éléments nis pour simulation de problèmes couplés 1D et 2D 3/17
  5. 5. Introduction 1 Modélisation 2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique 3 Conclusions 4/17
  6. 6. Modélisation 1 Modélisation 2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique 3 Conclusions 4/17
  7. 7. Modélisation Dénitions Géomatériaux non saturés Trois phases : solide liquide, gaz Grains solidesGaz eau Degré de saturation : Sl = Vw Vv Succion : s = pg − pl Phénomènes dissipatifs ε σ E0 E0Ed εp εe ε σ E0 E0Ed εp εe Plasticité : Déformations irréversibles Endommagement : Création de micro-ssures Dégradation des propriétés élastiques Modication des propriétés de transfert 4/17
  8. 8. Modélisation Contraintes eectives (non-saturé / endommagement) Concept de contrainte eective eets de la non-saturation σ∗ = σnet + sSlI Élasticité : ˙σ∗ = De(σ∗ )˙εe Propriétés de rétention : Sl = f(s) Endommagement (Kachanov, 1958) Section résistante diminue d = SD S =⇒ ˜σ = σ 1 − d Hypothèse d'isotropie : ˜σ = σ 1 − d 5/17
  9. 9. Modélisation Contrainte doublement eective Contrainte doublement eective (succion + endommagement) ˜σ∗ = σ∗ 1 − d = ˜σ − pgI + SlsI Matériau endommagé Matériau intact Essai de gonement libre 0 2 4 6 050100150200250 swelling(%) s (MPa) d=0 d=0.4 Volckaert et al. (1996) Essai de gonement oedométrique 6/17
  10. 10. Modélisation Stratégie pour la modélisation de l'endommagement Contrainte doublement eective ˜σ∗ = f(σ, s, d) + Principe d'équivalence des déformations (Lemaitre and Chaboche, 1978) Matériau endommagé Matériau intact Lois d'élasticité et de plasticité classiques =⇒ Élasticité : ˙˜σ∗ = De(˜σ∗ )˙εe Critères d'endommagement et de plasticité fonction de la contrainte doublement eective p~* q~ 7/17
  11. 11. Modélisation Contraintes eectives → contraintes totales Critère d'endommagement Contraintes eectives : fd(˜σ∗ ) p~* q~ -- C0 C2 p~* q~ -- C0 C2 Contraintes totales : fd(σ, s) p q -- C0+C2Sls s=0 s0 Eet de la succion Critère de plasticité Contraintes eectives : fp(˜σ∗ ) q~ p~* p0 M CSL Contraintes totales : fp(σ, d) q p fp(d=0)=0 fp(d0)=0 CSL Eet de l'endommagement 8/17
  12. 12. Modélisation Couplage endommagement-plasticité 0 1 2 3 4 5 −4 −2 0 2 4 6 8 10 q(MPa) Plasticité dominante Endommagement dominant a. εr (%) εa (%) Plasticité Endommagement Endommagement + Plasticité −4 −2 0 2 4 6 8 10 b. εr (%) εa (%) Plasticité Endommagement Endommagement + Plasticité 0 25 50 75 100 endommagement(%) c. d. 0 5 10 −4 −2 0 2 4 6 8 10 |εp |(%) εa (%) e. −4 −2 0 2 4 6 8 10 εa (%) f. 9/17
  13. 13. Applications 1 Modélisation 2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique 3 Conclusions 10/17
  14. 14. Applications Chargement hydrique 1 Modélisation 2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique Endommagement due à un chargement hydrique Excavation non drainée 3 Conclusions 10/17
  15. 15. Applications Chargement hydrique Micro-ssuration lors d'un chargement hydrique 1 m a Humidication de 65 à 90 % RH (Wang, 2012) Dessiccation de 65 à 20 % RH Initiation de la micro-ssuration lors du chargement Sensible à la vitesse de chargement 10/17
  16. 16. Applications Chargement hydrique Modélisation Problème axisymétrique A B CD 18 mm 36 mm Conditions initiales : σr = σθ = σz = 0 MPa succion initiale, s0 Chargement : Succion nale, s1 Vitesse de chargement pg = pg0 = 0 MPa Conductivité hydraulique : Kw0 11/17
  17. 17. Applications Chargement hydrique Dessiccation Kw0 = 1.10−15 m.s−1 , s0 = 2 MPa, s1 = 20 MPa, 0.2 MPa/min Pression d'eau t=45min Endommagement t=45min 12/17
  18. 18. Applications Chargement hydrique Dessiccation Kw0 = 1.10−15 m.s−1 , s0 = 2 MPa, s1 = 20 MPa, 0.2 MPa/min Pression d'eau t=1h30 Endommagement t=1h30 12/17
  19. 19. Applications Chargement hydrique Dessiccation Kw0 = 1.10−15 m.s−1 , s0 = 2 MPa, s1 = 20 MPa, 0.2 MPa/min Pression d'eau t=3h Endommagement t=3h 12/17
  20. 20. Applications Chargement hydrique Dessiccation Kw0 = 1.10−15 m.s−1 , s0 = 2 MPa, s1 = 20 MPa, 0.2 MPa/min Pression d'eau t=6h Endommagement t=6h 12/17
  21. 21. Applications Chargement hydrique Dessiccation Kw0 = 1.10−15 m.s−1 , s0 = 2 MPa, s1 = 20 MPa, 0.2 MPa/min Pression d'eau t=20h Endommagement t=20h 12/17
  22. 22. Applications Chargement hydrique Endommagement du à la dessiccation Eet de la perméabilité 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 1 2 3 4 damage(%) time(h) Kw0 =1.10-13 m/s Kw0 =1.10-14 m/s Kw0 =1.10 -15 m/s Eet de la vitesse de chargement 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 1 2 3 4 damage(%) time(h) 0.05 MPa/s 0.1 MPa/s 0.2 MPa/s 13/17
  23. 23. Applications Chargement hydrique Humidication Endommagement due à l'humidication 14/17
  24. 24. Applications Excavation 1 Modélisation 2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique Endommagement due à un chargement hydrique Excavation non drainée 3 Conclusions 15/17
  25. 25. Applications Excavation Excavation non drainée - argile de Boom Problème axisymétrique X r/R=1 r/R=20 A B C D Conditions initiales : σr = σθ = σz = 4.5 MPa Chargement : AB : ∆σr = −4.5 MPa Conductivité hydraulique : Kw0 = 1.10−13 m.s−1 15/17
  26. 26. Applications Excavation Évolution spatiale -1 0 1 2 3 4 5 6 0 2 4 6 8 10 Stressesandliquidpressure(MPa) r/R pw σθ σz σr 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 Plasticstrainsanddamage(%) r/R d|εp| 16/17
  27. 27. Conclusions 1 Modélisation 2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique 3 Conclusions 17/17
  28. 28. Conclusions Conclusions Mécanique Hydraulique Perméabilité Rétention Endommagement Élasticité Plasticité Stress path Développement d'un modèle constitutif couplant les phénomènes d'endom- magement et de plasticité pour les géomatériaux non-saturés Cadre de modélisation adaptable à diérents matériaux Implémentation dans un code Éléments nis pour simuler des problèmes hydromécaniques couplés Nombreuses applications en géomécanique 17/17

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