Experimental study of flow rules of cross-anisotropic materials
Étude expérimentale de la loi d'écoulement de matériaux anisotropes transverses
Résumé
Anisotropy is a mechanical characteristic of soil behaviour; this characteristic is widely admitted in case of overconsolidated or layer deposited soils. This feature is generally overlooked in projects and ignored in laboratory studies. The assumption of isotropic behavior of soils is widely used in practice in order to simplify calculations and ease of design of geotechnical structures. Use of isotropic behavior laws for anisotropic material or not taking account of anisotropy in the calculations result in poor assessment of structures stability. An approach for observe and underscore the anisotropy has been implemented during this work to identify the influence of this phenomenon. We studied for this purpose two main types of soil anisotropy:
- induced anisotropy, case of "homogeneous" soil with anisotropic behavior due to historical loads,
- inherent anisotropy, case of soil with structural anisotropy. We followed an experimental program based on a laboratory study of soil samples that were not reconstituted to simulate a natural soil accurately but to have a marked anisotropy so that we can observe unequivocal. We just wanted to create a behavior of reference for anisotropic soil and study their anisotropic behavior. The works of this thesis consist of studying in laboratory the behaviour of two types of anisotropy (inherent and induced) of soils under various loads in order to characterize:
- the variation of the elasticity parameters of soils according to type of load at small strains,
- the evolution of elastic domain from small to high strains level,
- the apparition of plastic deformations and the yield surface,
- the experimental flow rules. Obtained results showed that the transverse anisotropy influence significantly on the behaviour of soil near the civil engineering works such as diaphragm wall, deep foundations or tunnels. The perspective of this experimental work is to improve constitutive models for soils in numerical modelling tools such as finite element method used for design of civil engineering works.
- induced anisotropy, case of "homogeneous" soil with anisotropic behavior due to historical loads,
- inherent anisotropy, case of soil with structural anisotropy. We followed an experimental program based on a laboratory study of soil samples that were not reconstituted to simulate a natural soil accurately but to have a marked anisotropy so that we can observe unequivocal. We just wanted to create a behavior of reference for anisotropic soil and study their anisotropic behavior. The works of this thesis consist of studying in laboratory the behaviour of two types of anisotropy (inherent and induced) of soils under various loads in order to characterize:
- the variation of the elasticity parameters of soils according to type of load at small strains,
- the evolution of elastic domain from small to high strains level,
- the apparition of plastic deformations and the yield surface,
- the experimental flow rules. Obtained results showed that the transverse anisotropy influence significantly on the behaviour of soil near the civil engineering works such as diaphragm wall, deep foundations or tunnels. The perspective of this experimental work is to improve constitutive models for soils in numerical modelling tools such as finite element method used for design of civil engineering works.
L'anisotropie est une caractéristique du comportement mécanique des sols dont l'existence est bien connue dans le cas des sols surconsolidés ou déposés par couches au cours de leur formation. Généralement cette caractéristique est négligée dans les projets et ignorée lors des études en laboratoire. L'hypothèse du comportement isotrope des sols est ainsi très largement utilisée en pratique pour des raisons de simplification des calculs et de facilité de dimensionnement des ouvrages. L'emploi des lois de comportement isotrope pour un matériau anisotrope ou la non prise en compte de l'anisotropie dans les calculs des massif de sols entraîne une mauvaise appréciation de la stabilité des ouvrages en service. Une démarche d'observation et de mise en évidence de l'anisotropie a donc été mise en oeuvre durant ce travail afin de cerner l'influence de ce phénomène. Nous avons étudié à ces fins deux types principaux d'anisotropie des sols :
-l'anisotropie induite, cas des sols « homogènes » ayant un comportement anisotrope, due à des surcharges historiques,
-l'anisotropie inhérente, cas de l'anisotropie structurelle des sols. Nous avons suivi un programme expérimental s'appuyant sur une étude en laboratoire d'éprouvettes de sol reconstitué qui n'étaient pas destinées à simuler un sol naturel précis mais à présenter une forte anisotropie afin que l'on puisse l'observer sans équivoque. Nous avons voulu simplement créer un comportement de référence pour les sols anisotropes et étudier leur comportement anisotrope. Le travail a consisté à étudier en laboratoire le comportement de sols à anisotropie matérielle ou de chargement sous chemins de sollicitation triaxiaux pour caractériser :
-l'évolution du domaine élastique des petites aux grandes déformations,
-l'apparition de la plasticité et lors de l'atteinte de la surface de charge,
-la loi d'écoulement expérimentale. La forme de la surface de charge et l'influence de l'anisotropie transverse sur la loi d'écoulement sont en effet des éléments importants du comportement du sol à proximité des ouvrages de génie civil tels que les parois de soutènement, les fondations ou les tunnels. Une des retombées du travail expérimental a été de tester des modèles de comportement utilisés classiquement pour ces types de sollicitations, dans les outils de calcul comme la modélisation des ouvrages par éléments finis.
-l'anisotropie induite, cas des sols « homogènes » ayant un comportement anisotrope, due à des surcharges historiques,
-l'anisotropie inhérente, cas de l'anisotropie structurelle des sols. Nous avons suivi un programme expérimental s'appuyant sur une étude en laboratoire d'éprouvettes de sol reconstitué qui n'étaient pas destinées à simuler un sol naturel précis mais à présenter une forte anisotropie afin que l'on puisse l'observer sans équivoque. Nous avons voulu simplement créer un comportement de référence pour les sols anisotropes et étudier leur comportement anisotrope. Le travail a consisté à étudier en laboratoire le comportement de sols à anisotropie matérielle ou de chargement sous chemins de sollicitation triaxiaux pour caractériser :
-l'évolution du domaine élastique des petites aux grandes déformations,
-l'apparition de la plasticité et lors de l'atteinte de la surface de charge,
-la loi d'écoulement expérimentale. La forme de la surface de charge et l'influence de l'anisotropie transverse sur la loi d'écoulement sont en effet des éléments importants du comportement du sol à proximité des ouvrages de génie civil tels que les parois de soutènement, les fondations ou les tunnels. Une des retombées du travail expérimental a été de tester des modèles de comportement utilisés classiquement pour ces types de sollicitations, dans les outils de calcul comme la modélisation des ouvrages par éléments finis.
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