CONTRIBUTION A L'ETUDE DE LA RUPTURE DES GRAINS DANS LES MATERIAUX GRANULAIRES
Résumé
In this work, we study the mechanical behaviour of crushable granular materials under quasi-static loading. It is well known that the higher the breakage ratio, the higher the material compressibility and the lower the peak shear strength. The source of this phenomenon is the brittle fracture of individual grains and their micro-mechanical loading conditions. Thus, recent works have focused on multiscale methods in order to predict the behaviour of the granular assembly. However, the subject is still open and therefore in this work we provide more empirical evidence, we validate existing models and we develop new predictive methods. Multiscale links are established here by describing, firstly, the mechanical properties of individual grains according to Weibull's theory. Secondly, assumptions about the inter-granular contact forces network allows for changing scale and predicting the grading after crushing and the shear strength decreasing due to size effects. We have also studied the influence of water and time (creep-relaxation) in crushable materials under various stress paths, showing that the relationship between the breakage ratio and the plastic work depends only on intrinsic parameters. Perspectives of this work are to couple the predictive methods developed here with constitutive models, in order to take into account the micro-mechanical properties in continuous models.
Ce travail est consacré à l'étude des effets de la rupture des grains dans les matériaux granulaires sous chargement quasi-statique. Les données expérimentales montrent que plus il y a de ruptures, plus le matériau est compressible et plus la résistance au cisaillement au pic diminue. La source de ce phénomène se trouve dans la mécanique de la fracture des particules individuelles, associée aux conditions de chargement sur ces particules. A partir de ces propriétés, des travaux récents ont cherché à modéliser les liens multi-échelle afin de prédire le comportement de l'assemblage. Pourtant, le sujet est encore ouvert et dans cette thèse, on se propose de fournir davantage de preuves empiriques, de tester la validité de certains modèles et de développer des nouvelles méthodes prédictives. Les liens multi-échelles se font ici en décrivant, premièrement, les propriétés mécaniques des grains par la théorie de la rupture fragile de Weibull. Deuxièmement, des hypothèses sur le réseau des forces de contact intergranulaires permettent de changer d'échelle et de prédire la granulométrie finale après ruptures et la diminution de la résistance au cisaillement à cause des effets d'échelle. On a aussi étudié l'influence de l'eau et du temps (fluage-relaxation) dans des matériaux avec des ruptures des grains sous divers chemins de contraintes, en montrant que la relation entre le taux de ruptures, ou granulométrie finale, et le travail plastique ne dépend que des propriétés intrinsèques du matériau. Des perspectives de ce travail sont le couplage des méthodes prédictives développées avec des modèles constitutifs, afin de prendre en compte les propriétés micromécaniques et les prédictions de la granulométrie dans des modèles continus.
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