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. 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)
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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 :
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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
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5. Introduction
1 Modélisation
2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique
3 Conclusions
4/17

6. Modélisation
1 Modélisation
2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique
3 Conclusions
4/17

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
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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
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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
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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~
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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
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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.
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13. Applications
1 Modélisation
2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique
3 Conclusions
10/17

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. 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
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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
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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
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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. 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
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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
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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
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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
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23. Applications Chargement hydrique
Humidication
Endommagement due à l'humidication
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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
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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
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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|
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27. Conclusions
1 Modélisation
2 Application à des problèmes hydro-mécaniques couplés en géomécanique
3 Conclusions
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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
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