Hydro-mechanical modelling of damage-plasticity couplings in unsaturated geomaterials
Modélisation hydro-mécanique du couplage endommagement-plasticité dans les géomatériaux non saturés
Résumé
This thesis work objective is the development of a hydro-mechanical constitutive model which accounts for damage-plasticity couplings in unsaturated geomaterials. The coupling of this model with hydraulic transfers is made possible by its implementation into the Finite Element code Θ-Stock. In order to achieve this implementation, a specific stress-point algorithm has been developed. Fully coupled hydro-mechanical problems have been simulated, such as the creation of the Excavation Damaged Zone around a tunnel and the initiation of damage due to desiccation and humidification. A double effective stress incorporating both the effect of suction and damage (assumed isotropic) is defined based on thermodynamical considerations. The advantage of this approach is that it results in a unique stress variable being thermodynamically conjugated to elastic strains. A pressure-dependent hyperelastic formulation is used to describe the behaviour inside the elastic domain. The evolution of elastic rigidities with damage is then studied. Two hypotheses are compared, the principle of strain equivalence and the principle of equivalent energy. Coupling between damage and plasticity phenomena is achieved by following the principle of strain equivalence and incorporating the effective stress into plasticity equations. The plasticity framework is based on the Barcelona Basic Model (Alonso extit{et al.}, 1990), itself based on the Cam-Clay model. Two distinct criteria are defined for damage and plasticity, which can be activated either independently or simultaneously. Their formulation in terms of effective stress and suction allows them to evolve in the total stress space with suction and damage changes. This leads to a direct coupling between damage and plasticity and allows the model to capture the ductile/brittle behaviour transition occurring when clays are drying. A specific explicit algorithm has been developed to handle the association of the two dissipative phenomena. The implementation of the constitutive model into the Finite Element code Θ-Stock allowed for the simulation of fully coupled hydro-mechanical problems. The hydraulic transfer laws also consider the saturation state. This fully coupled model is first applied to simulate the development of micro-cracks during desiccation of a soil sample. Damage initiation is explained mainly by the important pressure gradient appearing at the boundary when applying a high suction change. Finally, a full-scale problem is simulated. The excavation of a tunnel, the desaturation of the surrounding soil and the creation of the excavation damaged zone are studied
Cette thèse a pour but le développement d'un modèle constitutif hydromécanique prenant en compte le couplage de l'endommagement et de la plasticité dans les géomatériaux non-saturés. Le couplage de ce modèle avec les transferts hydrauliques est rendu possible par son implémentation dans le code aux éléments finis Θ-Stock. Un algorithme local a été développé spécifiquement dans ce but. Des problèmes hydromécaniques complètement couplés, tels que la création de la zone endommagée par excavation autour d'un tunnel ou la création d'un endommagement de dessiccation et d'humidification ont été simulés. Une contrainte doublement effective incorporant les effets de la succion et de l'endommagement (considéré isotrope) a été définie en s'appuyant sur des bases thermodynamiques. Cette approche a l'avantage de considérer une unique variable de contrainte étant thermodynamiquement conjuguée aux déformations élastiques. Une formulation hyperélastique dépendante de la pression de confinement est utilisée pour décrire le comportement dans le domaine élastique. L'évolution des rigidités élastiques avec l'endommagement est comparée en considérant deux hypothèses : le principe des déformations équivalentes et le principe de l'énergie élastique équivalente. L'hypothèse d'équivalence des déformations permet d'introduire la contrainte doublement effective dans les équations de plasticité et ainsi de coupler plasticité et endommagement. Les équations de plasticité sont dérivées du modèle de Barcelone (Alonso extit{et al.}, 1990), lui même basé sur le modèle de Cam-Clay. Deux critères distincts d'endommagement et de plasticité sont définis qui peuvent être activés aussi bien indépendamment que simultanément. Les surfaces de charges étant exprimées en fonction de la contrainte effective et de la succion, elles évoluent automatiquement en fonction de la succion et de l'endommagement dans l'espace des contraintes totales. Cela permet de représenter la transition d'un comportement ductile vers un comportement fragile lorsque le matériau est asséché. Un algorithme local explicite a été développé pour gérer le couplage des deux phénomènes dissipatifs. L'implémentation du modèle constitutif dans le code aux éléments finis Θ-Stock permet l'étude de problèmes hydromécaniques complètement couplés, les lois de transfert dépendant elles aussi de l'état de saturation du matériau. Ce modèle a d'abord été appliqué à la simulation du développement de micro-fissures lors du séchage d'une éprouvette. L'apparition de l'endommagement est expliquée principalement par le gradient de pression très important créé à la surface de l'échantillon lorsqu'on applique une forte variation de succion. Enfin, un problème à échelle réelle est simulé. L'excavation d'un tunnel, la désaturation du sol environnant dû à la ventilation, ainsi que la création de la zone endommagée par excavation sont étudiés. L'étendue des zones l'endommagement et de déformations plastiques autour du tunnel est étudiée
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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