Mechanical characterization of porous sandstones in true triaxial conditions : diffuse and localized deformation, effect of anisotropy

.Ce travail de thèse s'intéresse à la caractérisation de la déformation diffuse et localisée dans les grès isotropes et anisotropes sous contrainte de chargement monotone. En particulier, la cinématique de la localisation émergente et continue est étudiée dans une approche à la fois expérimentale, analytique et numérique, explorant l'effet de différentes sollicitations triaxial vrai dans le plan octaédrique.Plusieurs séries d'essais expérimentaux ont été réalisées en laboratoire, au sein d'une cellule de chargement en triaxial vrai (TTA), permettant la mesure de champs cinématiques à haute résolution spatiale et temporelle à la surface de l'échantillon. D'importants développements apportés au court de ce travail de thèse ont permis l'implémentation de modes de chargement par contrôle des invariants du tenseur de contrainte, tout en mesurant les déformations en temps réel par combinaison de jauges de déformation et mesures par corrélation d'images numériques (DIC). Utilisant cet appareil expérimental, deux campagnes d'essais ont été réalisées, mettant l'emphase sur la caractérisation du comportement mécanique d'un grès des Vosges isotrope largement étudié, ainsi que d'un grès des Vosges anisotrope nouvellement étudié. Ce dernier grès ayant été sélectionné pour sa composition matérielle en plans de litage orienté et organisé en couches de différentes porosités. Les séries d'essais mécaniques sur ces grès fournissent un apport important à la compréhension du caractère émergent et évolutif de la localisation, à différents stades du chargement déviatoire. Le caractère unique ce ces essais permet ainsi une analyse comparative approfondie entre la réponse macroscopique en contrainte-déformation et l'analyse des champs cinématiques par la DIC, et par tomographie à rayons X post-mortem. De plus, explorant des chemins de contrainte encore peu étudiés, l'analyse des essais expérimentaux sur le rôle indépendant de la contrainte moyenne, de l'angle de Lode et de l’orientation des plans de litage apporte une contribution novatrice à l'étude du comportement mécanique des roches poreuses. En particulier, la résistance à la rupture du grès, la manifestation de la localisation , ainsi que la transition du comportement ductile sont étudiées sous différentes conditions de chargement.En ce qui a trait au développement analytique, une analyse en bifurcation est proposée pour un modèle original à trois invariants, validé dans le cas des essais expérimentaux obtenus pour le grès isotrope. La pertinence de ce modèle théorique est démontrée pour la prédiction de l'orientation des bandes de cisaillement et de l'angle de dilatance à la rupture.Parallèlement, un modèle double-échelle basé sur l'homogénéisation numérique est présenté. Dans cette approche combinée, un modèle macroscopique en 2D des éléments finis (FEM) est couplé à un modèle microscopique en 3D des éléments discrets (DEM), sur la base d'un volume élémentaire représentative (VER) et dans la cadre d'un système hiérarchique (FEMxDEM) comportant une régularisation par second gradient. Ce modèle est étendu dans la portée des présents travaux pour l'étude des matériaux granulaire cimentés, par le développement d'une loi frictionnelle-cohésive endommageable au niveau de la DEM. Dans une vaste étude numérique de simulations en conditions de chargement triaxial vrai, ce modèle hiérarchique est utilisé afin d'explorer l'effet de différents arrangements granulaire (DEM), ainsi que différentes distributions hétérogènes à l'échelle macroscopique (FEM). En ce sens, deux types d'anisotropies résultant de l'hétérogénéité, définie à chacune des échelles, sont davantage étudiés. La réponse mécanique et la déformation localisée, émergeant du modèle constitutif à l'échelle du VER, démontrent une bonne concordance des comportements mécaniques complexes par rapport aux résultats de l'étude expérimentale.