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Active deformation in the Earth's crust manifests as various geological extreme phenomena that include slow and fast earthquakes, volcanic eruptions and landslides. During these events, strain may be accumulated along localized faults that extend over hundreds of kilometers. In faults, slip may occur as slow aseismic creep or unstable sliding causing rapid earthquakes. In some cases, seismic activity called foreshocks, precedes the largest event or mainshock. Detection of foreshock activity may vary from minutes to days and months before the mainshock. However, the relationships between foreshocks and nucleation of mainshock remain unresolved. Majority of large earthquakes nucleate in the upper crust, which is essentially brittle. Strain localization also results in features that extend at depth below crustal faults and known as shear zones. Shear zones control deformation along plate boundaries and strength of the lithosphere and lack a constitutive description of mechanisms of their formation. Active fault systems in the upper crust show statistical self-similarity (fractal structure) for a range of scales from kilometer down to centimeter, which further extends down to micro fracturing in laboratory specimen. Thus, the macroscopic brittle deformations in crust are intimately related to the micro scale mechanisms of deformation in rocks. Unraveling the mechanisms of brittle compressive failure at micro scale can further assist in understanding the geological phenomena. In crustal rocks, nucleation and localization of damage is guided by the microscale heterogeneities, which correspond to grains and grain boundaries in non-porous rocks, and complex pore space in porous rocks. Using the novel experimental technique of in-situ triaxial deformation coupled with dynamic X-ray micro tomography, the evolution of microstructures of rock types with porosities varying from less than 1% to 23% are explored. The experimental technique allows for real time imaging and quantification of damage that accumulates through both dynamic crack propagation (seismic) and slow crack propagation (aseismic). Results allow identifying properties of brittle failure in rocks of varying porosities subjected to deformation under crustal conditions. In the first study, precursors to brittle compressive failure are explored in non-porous rocks. At microscale, precursory events correspond to microfractures originating from microscale heterogeneities. Dynamics of these precursors show an evolution towards macroscopic failure following power-laws. Using a progressive damage model developed to explain fracture in heterogeneous solids, brittle compressive failure in non-porous rock is argued to be a critical phenomenon. However, breaking of scaling observed very close to failure is linked to localization of a shear fault and can be proposed as a new precursory signal for macroscopic failure. Therefore, failure can be predicted to some extent. In the second study, micro-scale mechanisms of strain localization in reservoir rocks were explored. Digital volume correlation calculations were used to compute components of accumulated strain. Dominant strain localization mechanisms contain contributions from the three components of strain: dilation, compaction and shear. Porosity evolutions are strongly linked to the dominant mechanisms of strain localization. Confining pressure is a guiding parameter for defining dominant strain localization mechanisms. Presence of pore fluid facilitates strain localization much earlier to macroscopic failure. Pore emanating cracks, pore space dilation, pore collapse and grain crushing constitute the microstructural mechanisms of strain localization in porous reservoir rocks., Les déformations de la croûte terrestre se manifestent par divers phénomènes géologiques extrêmes, notamment les tremblements de terre, les éruptions volcaniques et les glissements de terrain. Lors de ces événements, des déformations s'accumulent le long des failles actives qui s'étendent sur des centaines de kilomètres. Dans les failles, le glissement peut se produire soit sous forme de fluage asismique soit par des glissements instables lors de tremblements de terre. Une activité sismique précédant les séismes est souvent, mais pas toujours, observée et appelée signal précurseur. Ces précurseurs sont détectés de quelques minutes à quelques mois avant le séisme principal. Cependant, les relations entre les précurseurs et la nucléation du séisme principal restent globalement inconnues. La majorité des grands tremblements de terre nucléent dans la croûte supérieure qui est essentiellement fragile. La localisation de la déformation s'étend aussi en profondeur dans les zones de cisaillement. Ces zones de cisaillement contrôlent la déformation le long des limites des plaques et la résistance de la lithosphère. Les systèmes de failles actives dans la croûte supérieure montrent des lois d'échelle (structure fractale) pour une gamme d'échelles allant de kilomètres à quelques centimètres, et qui s'étend jusqu'à la micro-fracturation dans les échantillons de laboratoire. Ainsi, la déformation fragile macroscopique dans la croûte est intimement liée aux mécanismes micro-échelle de déformation des roches. Identifier les mécanismes de rupture lors de la compression fragile à micro-échelle peut aider à mieux comprendre les phénomènes géologiques à plus grande échelle. Dans les roches crustales, la nucléation et la localisation de l'endommagement sont guidées par les hétérogénéités microscopiques telles que les grains, joints de grains et pores. En utilisant une nouvelle technique expérimentale de déformation triaxiale in situ couplée à la microtomographie dynamique par rayons X, l'évolution des microstructures de diverses roches avec des porosités variant entre 1% et 23% est explorée. Cette technique expérimentale permet d'imager et quantifier en temps réel l'endommagement accumulé à la fois par la propagation dynamique (sismique) et la propagation lente (asismique) des fissures. Les résultats permettent d'identifier les propriétés de rupture fragile dans des roches de porosités variables soumises à une déformation dans des conditions crustales. Dans une première étude, les précurseurs de la rupture cassante dans des roches à faible porosité sous compression sont explorés et des lois d'échelle sont mesurées. Les précurseurs correspondent à des microfractures et leur dynamique montre une évolution vers une rupture macroscopique. Cette évolution suit des lois de puissance, cohérentes avec les concepts décrivant la rupture fragile dans des solides hétérogènes comme un phénomène critique. Cependant, une déviation des lois d'échelle observée très proche de la rupture est liée à la localisation d'une faille et peut être proposée comme nouveau signal précurseur de rupture macroscopique. Par conséquent, la rupture finale peut être prédite dans une certaine mesure. Dans une seconde étude, les mécanismes de localisation des déformations à micro-échelle dans des roches réservoirs poreuses sont explorés. La corrélation numérique de volume est utilisée pour calculer les composants de la déformation. Les mécanismes de localisation contiennent des contributions des trois composantes de la déformation: dilatation, compaction et cisaillement. Les évolutions de porosité sont fortement liées aux mécanismes de localisation. La pression de confinement et la présence de fluide interstitiel sont des paramètres essentiels de contrôle de la localisation. Les fissures émanant des pores, la dilatation des espaces poreux, l'effondrement des pores et l'écrasement des grains constituent les mécanismes microstructuraux de localisation dans les roches réservoirs poreuses

La rupture des géomatériaux est souvent précédée par une localisation des déformations au sein de bandes minces. La localisation des déformations est donc un processus important, qui a été étudié à la fois expérimentalement et théoriquement. Cet article résume les principales observations sur les phénomènes localisés et propose des outils numériques pour caractériser les processus de localisation. Pour gérer les interactions se produisant entre les différentes phases des milieux poreux, une technique de régularisation basée sur le modèle second gradient a été étendue aux couplages multiphysiques.

To understand the behavior of the grouted rock anchors, the behavior of the grout-rebar interface has been studied for decades, by the mean of pull-out tests, in order to establish its constitutive model. However, these studies did not consider the influence of grout's thickness or rock's stiffness, while these parameters define the confinement conditions and thus influence the failure mechanisms of the grout-rebar interface. This paper presents a numerical approach to study the grout-rebar interface behavior. Pullout tests under different values of confinement pressure have been reproduced numerically. A particular attention has been paid to the behavior of the grout material, with consideration of sizeeffect on the simulation of the local plastic failure. The comparison between the numerical results with the experimental data showed a good agreement and allowed to validate the numerical model. The latter will be used to perform a parametric study of the tangential behavior of the grout-rebar interface for different confinement conditions., La compréhension du comportement des ancrages passifs scellés au rocher nécessite de définir celui de l'interface barre-scellement. Sollicitée en cisaillement, différents mécanismes de rupture interviennent suivant les conditions de confinement. Or les modèles issus des études expérimentales se limitent à un comportement tangentiel sans considérer l'influence de paramètres comme l'épaisseur de scellement ou la rigidité de la roche. Cette étude présente une approche numérique pour étudier le comportement tangentiel de l'interface barre-scellement en tenant compte du comportement radial. Pour cela, des essais d'arrachement sur de faibles longueurs de barres scellées ont été reproduits numériquement. Une attention particulière a été portée à la définition du comportement du matériau de scellement afin de reproduire les différents mécanismes de rupture possibles. Pour décrire le comportement en traction, ainsi que celui en compression, l'effet d'échelle a été pris en compte. La confrontation entre les résultats numériques et expérimentaux permet de valider ce modèle numérique. Ce dernier va être utilisé pour effectuer une étude paramétrique du comportement tangentiel de l'interface en faisant varier les conditions de confinement.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Les bandes de compaction qui peuvent être présentes dans les réservoirs pétroliers jouent un rôle important dans le contrôle de la perméabilité et de la segmentation du réservoir. De plus, elles peuvent fournir des informations sur certains processus géologiques, comme par exemple la diagenèse des roches. Plusieurs mécanismes intervenant à différentes échelles peuvent être mis en jeu pour conduire à la formation de bandes de compaction. Des travaux récents ont exploré également le rôle des effets chimiques et hydromécaniques [1,2]. Du point de vue mathématique, les bandes de compaction peuvent être décrit comme une instabilité qui conduit à la localisation des déformations [3-5]. Dans ce travail on explore les conditions de création des bandes de compaction dans des roches contenant une proportion importante de quartz en considérant l’effet de dissolution/précipitation. Sous sollicitations mécaniques, les grains s’écrasent en affectant la résistance, la porosité et la perméabilité du matériau. L’écrasement des grains à l’échelle microscopique induit une augmentation de leur surface spécifique et par conséquent une accélération de leur dissolution [6]. Le modèle proposé prend en compte ces phénomènes. En particulier, la diffusion dans réseau poreux de la silice diluée est prise en compte à travers l’équation de conservation de masse du système (i.e. du fluide : eau et acide de silice, et du solide : quartz). La dégradation des propriétés mécaniques est décrite par un modèle macroscopique avec radoucissement chimique. La diminution de la taille des grains est liée à l’apport de l’énergie au système [7]. Ces mécanismes sont couplés avec l’avancement de la réaction chimique. Le modèle hydro-chemo-poro-mécanique proposé, est mis en œuvre pour explorer les conditions de création de bandes de compaction en lien avec la dégradation chimique. On montre qu’un tel phénomène est possible et que l’épaisseur de la bande de compaction est finie. Références 1]L.-B.Hu & T.Hueckel, Comp. & Geot.34 2007 2]R.Nova, R.Castellanza & C.Tamagnini, Int.J.Num.An.Met.Geom. 27,2003 3]J.W.Rudnicki & J.R.Rice, J.Mech.Ph.Sol.23,1975 4]I.Vardoulakis & J.Sulem, Blackie,1995 5]J.W.Rudnicki,Int.J.Sol.Str.39,2002 6]J.D.Rimstidt & H.L.Barnes, Geoch.Cosm.Acta 44,1980 7]P.V.Lade, J.A.Yamamuro and P.A.Bopp, J.Geot.Eng.122,1996

International audience; A block of polyurethane foam subject to cyclic compression exhibits a softening phenomenon as the number of cycles increases. In particular, one observes a stepping down of the loading curves while the unloading curves remain the same. In tests performed by the authors, it has been observed a partial recovery of the initial stiffness after a resting period. Indeed, this behaviour can be described as a long memory effect. We propose a viscoelastic model, coupling a non convex energy with a dissipation of viscous type. The model is in a good qualitative agreement with the experiments.

La mise en forme de tôles métalliques implique bien souvent de grandes déformations accompagnées de trajets de chargement complexes. Pour améliorer la prédiction via la simulation numérique de la forme finale des pièces, des modèles de comportement plus physiques doivent être considérés. On se propose ici d’étudier la localisation des déformations durant la mise en forme de tôles d’acier à haute résistance. Plus précisément, on aborde la prédiction des courbes limites de formage (CLF) de ces tôles en trajets directs et séquentiels. Généralement, une bonne prédiction de la localisation des déformations nécessite la prise en compte de l’endommagement dans le modèle de comportement. Ainsi, un modèle de comportement élasto-plastique couplé à un modèle d’endommagement a été considéré. Le couplage est réalisé dans le cadre de l’approche de la mécanique de l’endommagement continu (Lemaitre et Chaboche, 1986). L’écrouissage du matériau est pris en compte en introduisant le modèle microstructural de Teodosiu et Hu (1998). Ce modèle permet de tenir compte des phénomènes de changement de trajets de déformation induits lors de la mise en forme des tôles. Dans le but de définir des points limites associés à la localisation de la déformation et qui représenteront les points de la CLF, un critère de localisation est également introduit (critère de Rice, 1976). Le modèle de comportement résultant, combiné au critère de localisation, a été implanté dans le code de calcul par éléments finis Abaqus/Standard en utilisant la routine UMAT pour le comportement et la routine UVARM pour le critère.Comme application, des simulations de tests rhéologiques avec des chargements directs et séquentiels ont été réalisées afin de montrer simultanément les phénomènes de transition liés au changement de trajets de déformation et ceux relatifs à l’endommagement. Enfin, des CLF à localisation ont été tracées pour différents trajets de déformation.; National audience; La mise en forme de tôles métalliques implique bien souvent de grandes déformations accompagnées de trajets de chargement complexes. Pour améliorer la prédiction via la simulation numérique de la forme finale des pièces, des modèles de comportement plus physiques doivent être considérés. On se propose ici d’étudier la localisation des déformations durant la mise en forme de tôles d’acier à haute résistance. Plus précisément, on aborde la prédiction des courbes limites de formage (CLF) de ces tôles en trajets directs et séquentiels. Généralement, une bonne prédiction de la localisation des déformations nécessite la prise en compte de l’endommagement dans le modèle de comportement. Ainsi, un modèle de comportement élasto-plastique couplé à un modèle d’endommagement a été considéré. Le couplage est réalisé dans le cadre de l’approche de la mécanique de l’endommagement continu (Lemaitre et Chaboche, 1986). L’écrouissage du matériau est pris en compte en introduisant le modèle microstructural de Teodosiu et Hu (1998). Ce modèle permet de tenir compte des phénomènes de changement de trajets de déformation induits lors de la mise en forme des tôles. Dans le but de définir des points limites associés à la localisation de la déformation et qui représenteront les points de la CLF, un critère de localisation est également introduit (critère de Rice, 1976). Le modèle de comportement résultant, combiné au critère de localisation, a été implanté dans le code de calcul par éléments finis Abaqus/Standard en utilisant la routine UMAT pour le comportement et la routine UVARM pour le critère.Comme application, des simulations de tests rhéologiques avec des chargements directs et séquentiels ont été réalisées afin de montrer simultanément les phénomènes de transition liés au changement de trajets de déformation et ceux relatifs à l’endommagement. Enfin, des CLF à localisation ont été tracées pour différents trajets de déformation.

Le comportement hydro-mécanique des roches argileuses indurées étudiées par l'ANDRA, pour la faisabilité de l'enfouissement des déchets radioactifs, est identifié expérimentalement à différentes échelles complémentaires dans le but de fournir des éléments pour l'élaboration future de modèles micromécaniques. La localisation spatiale et temporelle des déformations et de l'endommagement est analysée par des mesures de champs (corrélation d'images numériques) et par l'enregistrement d'émissions acoustiques. Les évolutions de la roche au cours des succions sont revisitées de par les apports des observations de la microstructure et des mesures locales de déformations associées aux évolutions de masse. Aux faibles humidités, la perte d'eau induit de la contraction avec refermeture des fissures existantes. Pour les fortes humidités, du gonflement est associé à de la prise d'eau. L'ouverture des fissures existantes et la création d'un nouveau réseau de fissures (de taille millimétrique et d'ouverture de la dizaine de micromètres) contribuent au gonflement apparent observé. Les caractéristiques mécaniques apparaissent dépendantes de la microstructure initiale de la roche (argilosité) et de la microstructure induite par les transferts hydriques (fissuration hydrique). Les états secs présentent des déformations réparties de façon homogène à l'échelle macroscopique et en lien avec la nature hétérogène des phases minérales à l'échelle locale. A cette échelle, la déformabilité est maximale pour les zones à prédominance argileuse. Pour les états humides, aussi bien globalement que localement, la distribution des déformations est hétérogène, dictée à la fois par la microstructure composite de la roche et par la présence du réseau de fissures hydriques.

L'objet de ce travail est l'analyse expérimentale et théorique du comportement mécanique anisotrope d'un grès des Vosges, dans les domaines des déformations élasto-plastiques, de la localisation des déformations et de la rupture. Un intérêt particulier porte sur l'influence de l'orthotropie de révolution initiale du matériau sur l'orientation des bandes de cisaillement apparaissant pour des états de compressions sous pressions de confinement. Un programme expérimental a été développé pour la caractérisation mécanique du comportement de la roche sous compressions isotropes, compressions orientées sous pressions de confinement et tractions simples orientées. Des méthodes expérimentales spécifiques pour les mesures de toutes les composantes du tenseur des déformations élasto-plastiques d'une roche poreuse sous pressions de confinement ont été conçues et développées dans le souci permanent d'obtenir des données expérimentales fiables. Les essais réalisés ont permis, d'une part, d'obtenir un ensemble de résultats réalistes et cohérents sur les caractéristiques élasto-plastiques orthotropes de révolution de la roche, et d'autre part, de mettre en évidence l'orientation privilégiée des bandes de cisaillement par rapport aux structures internes orientées du matériau. Une méthode de détection du seuil de localisation des déformations a également été développée, Parallèlement, l'orientation privilégiée des bandes de cisaillement apparaissant dans des roches orthotropes de révolution soumises à des compressions triaxiales de révolution a été modélisée. Cette modélisation a été réalisée par l'introduction des structures matérielles dans l'analyse de Rice de la localisation des déformations élasto-plastiques, grâce aux formes générales invariantes des lois de comportement anisotrope., pas de résumé