Micromechanical experimental investigation and modelling of strain and damage of argillaceous rocks under combined hydric and mechanical loads
Analyse expérimentale et modélisation micromécanique de la déformation et de l'endommagement des argilites sous chargement hydrique et mécanique combinés
Résumé
The hydromechanical behavior of argillaceous rocks, which are possible host rocks for underground radioactive nuclear waste storage, is investigated by means of micromechanical experimental investigations and modellings. Strain fields at the micrometric scale of the composite structure of this rock, are measured by the combination of environmental scanning electron microscopy, in situ testing and digital image correlation technique. The evolution of argillaceous rocks under pure hydric loading is first investigated. The strain field is strongly heterogeneous and manifests anisotropy. The observed nonlinear deformation at high relative humidity (RH) is related not only to damage, but also to the nonlinear swelling of the clay mineral itself, controlled by different local mechanisms depending on RH. Irreversible deformations are observed during hydric cycles, as well as a network of microcracks located in the bulk of the clay matrix and/or at the inclusion-matrix interface. Second, the local deformation field of the material under combined hydric and mechanical loadings is quantified. Three types of deformation bands are evidenced under mechanical loading, either normal to stress direction (compaction), parallel (microcracking) or inclined (shear). Moreover, they are strongly controlled by the water content of the material: shear bands are in particular prone to appear at high RH states. In view of understanding the mechanical interactions a local scale, the material is modeled as a composite made of non-swelling elastic inclusions embedded in an elastic swelling clay matrix. The internal stress field induced by swelling strain incompatibilities between inclusions and matrix, as well as the overall deformation, is numerically computed at equilibrium but also during the transient stage associated with a moisture gradient. An analytical micromechanical model based on Eshelby's solution is proposed. In addition, 2D finite element computations are performed. Results are discussed in relation with experimental observations.
Ce mémoire présente l'étude expérimentale et la modélisation à l'échelle microscopique du comportement hydromécanique des argilites, roche hôte potentielle pour le stockage souterrain des déchets radioactifs. Le champ de déformation est mesuré par microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. En premier lieu, on étudie le cas du chargement hydrique pur. Le champ de déformation obtenu est très hétérogène, et montre une anisotropie. La non-linéarité de déformation pour HR élevée est le résultat combiné d'une fissuration et d'un gonflement non-linéaire de la phase argileuse dû à des mécanismes différents selon humidité relative (HR). On constate une déformation irréversible lors d'un cycle hydrique, ainsi qu'un réseau de microfissures localisées dans la phase argileuse ou aux interfaces grain-matrice. Ensuite, on étudie le cas du chargement combiné hydrique et mécanique dans le MEBE. Trois types de bandes de déformation apparaissent au cours du chargement mécanique : horizontales (compaction), verticales (fissuration), et inclinées (cisaillement). Les bandes de cisaillement apparaissent plus tôt à HR plus élevée. Finalement, le matériau sous chargement hydrique est modélisé comme un composite constitué par de inclusions non gonflantes au sein d'une matrice gonflante. On calcule d'abord le champ de contrainte interne dû aux interactions inclusion-matrice ainsi qu'au gradient d'humidité, et ensuite la déformation globale. On en dérive un modèle micromécanique du type du problème d'Eshelby. De plus, des modélisations 2D aux éléments finis sont effectuées.
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