Multiscale analysis of the energy approach to the study of grain crushing in granular materials
Analyse multi-échelle de l'approche énergétique de la rupture des grains au sein de matériaux granulaires
Résumé
In recent years, multiscale analyses in granular soil mechanics have become more prevalent. The beauty of these approaches is that they can establish a link between the behaviors from a continuum level to their origin at the particle level. In the micromechanical investigationof a granular medium, the particles are usually described as perfectly rigid bodies and their interactions as merely rolling, sliding and friction. Grain crushing however , the energy dissipating mechanism responsible for most of the plastic strains in granular soils and rockfill at higher stresses, is consequently neglected. The aim of this study is to improve our understanding of the process of grain crushing in soils through energy approaches. In order to do so, the problem was studied from both the continuum and the grain levels.The first part of this research work is a theoretical investigation into the energy dynamics of breakage in a granular packing. The results of this analysis allowed us to derive a constitutivelaw capable of predicting the breakage evolution. In order to extend the capabilities of the model to unsaturated conditions, the thermodynamic formulation was modified to include the coupling between the hydraulic effects and breakage.The second part consists of an experimental study of the micromechanics of single grain fracture, and is structured into three sections, that represent the three main aspects of grain fracture : the effect of the surrounding grains, the mechanics of the crack and the effect of water on the development of the crack. In all of these studies, new experimental devices were designed, and novel imaging techniques were used.
Les analyses multi-échelles en mécanique des sols granulaires deviennent de plus en plus répandues. L’avantage de ce type d’approches réside dans leur capacité d’établir un lien entre les comportements au niveau du continu et leurs origines au niveau de la particule. Pour la majorité des études micromécaniques,les particules sont généralement considérées comme des corps parfaitement rigides. La rupture des grains, qui représente le mécanisme dissipatif d’énergie qui génère le plus de déformations plastiques à hautes contraintes,est donc négligée. Le but de cette étude est d’améliorer notre connaissance du processus de rupture des grains à travers des approches énergétiques. Pour y parvenir, le problème est étudié du point de vue du continu et du grain. La première partie de ce travail de recherche est une étude théorique des mécanismes énergétiques qui régissent la rupture des grains dans un empilement granulaire. Les résultats de cette analyse nous ont permis de dériver une loi constitutive capable de prédire l’évolution de la rupture. Afin d’étendre les capacités du modèle aux conditions non saturées, la formulation thermodynamique est modifiée afin d’inclure le couplage entre les effets hydrauliques et ceux de la rupture des grains. La seconde partie consiste en une étude expérimentale de la micromécanique de la rupture du grain pris individuellement. Cette partie est structurée en trois sections : les effets des particules environnantes, la mécanique de la fissuration et l’ effet de l’eau sur le développement de la fissure. Dans toutes ces études, de nouveaux dispositifs expérimentaux ont été conçus, et des techniques d’imagerie innovantes ont été utilisées.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|