Study of polyphase system mechanical behaviours by a multi-scale approach. Application to unsaturated porous media
Approche multi-échelle pour l'étude du comportement des systèmes polyphasiques. Application aux milieux poreux non saturés
Résumé
In this thesis, the modeling of the behaviour of the unsaturated porous media is studied in the framework of micromechanics. In order to study the unsaturated case, it is necessary to know the distribution of the fluids in the porous space. The methods permitting to determine the equilibrium positions of a capillary interface inside of a porous medium and to study their stability are presented here, particularly in the case where there is no material exchange between the fluide phases. Then we used the "classical" linear homogenization approach to study the mechanic behaviour for a porous medium saturated by two fuid phases. The results obtained are applied to estimate the drying strains, in the case where the subjected stress and the temperature remain constant, with taking into account the influence of the morphology characters of the porous space and the domains occupied by the fluid phases. The modeling of the behaviour of a medium containing unsaturated mesocracks is studied by considering the coupling between the capillary forces and the geometric changes of the cracks. By an example of drying, we show that, in the case where the cracks are very flat, the macroscopic behaviour accounting for the non-linearity differs significantly from the results of the linear approach. The thesis is finished by an examination of a granular material behaviour. To this end, we use a numerical approach based on the periodic hypothesis of the materials studied. All results obtained in this thesis show clearly the importance to take into account the phenomena existing in the pore scale and the morphologic properties of the domains occupied by each phase in order to modelize the behaviour of the unsaturated porous media.
Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à l'application des méthodes de changement d'échelle pour la modélisation du comportement des milieux poreux non saturés dont la phase solide est constituée d'un matériau élastique linéaire. Pour aborder le cas non sturé, il est essentiel de connaître la répartition des phases fluides au sein de l'espace poreux. Les outils permettant de déterminer les positions d'équilibre d'une interface capillaire au sein de d'un milieu poreux et d'étudier leur stabilité sont présentés ici, en particulier dans le cas où il existe des échanges de matière entre les phases fluides. On utilise ensuite les outils de l'homogénéisation linéaire "classique" pour aborder le comportement mécanique d'un milieu poreux saturé par deux phases fluides. Les résultats obtenus sont appliqués pour estimer les déformations de séchage à contrainte imposée constante en condition isotherme en tenant compte de l'influence des caractéristiques morphologiques de l'espace poreux et des domaines occupés par les phases fluides. On propose également une modélisation du comportement d'un milieu mésofissuré non saturé prenant en compte le couplage entre les efforts capillaires et les changements de géométrie des fissures. On montre sur l'exemple du séchage que, dans le cas où les fissures sont très aplaties, la prise en compte de cette non-linéarité modifie radicalement le comportement par rapport à celui prévu par un modèle linéaire. Le mémoire s'achève avec l'examen du comportement d'un matériau granulaire non saturé. On utilise pour cela une approche numérique reposant sur l'hypothèse de périodicité du milieu étudié. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail démontre clairement l'intérêt qu'il y a à se référer aux phénomènes se déroulant à l'échelle des pores ainsi qu'aux propriétés morphologiques des domaines occupés par chacune des phases pour construire des modèles de comportement pertinents pour les milieux poreux non saturés.