• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2020LILUI070
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 15/12/2020

Résumé en langue originale

La rupture macroscopique des matériaux cohésifs géologiques et cimentaires est généralement un processus progressif induit par la transition de la micro-fissuration diffuse à la fracturation macroscopique localisée. Malgré des avancées significatives réalisées à ce jour, une modélisation efficace de ce processus complexe est encore un sujet ouvert. Dans cette étude, nous présentons quelques nouvelles contributions à la modélisation des processus de rupture progressifs des matériaux fragiles cohésifs et des structures avec la méthode couplée de péridynamique et des éléments finis. La première partie est consacrée à la description de la fissuration de traction des matériaux fragiles cohérents. Nous proposons un nouveau modèle d’endommagement de liaisons internes, composé d’un terme de réduction exponentielle et d’un terme résiduel. Contrairement à des modèles de liaison classiques pour des matériaux élastiques fragiles, le nouveau modèle de liaison est capable de tenir compte de la rupture progressive et de la résistance résiduelle des matériaux cohésifs. Sur la base du concept de l’énergie de fracture, ce nouveau modèle d’endommagement de liaisons est implémenté dans le cadre de la théorie de péridynamique basée sur les liaisons. De plus, afin d’améliorer l’efficacité numérique de la méthode péridynamique en tant que théorie non locale, une procédure de couplage avec la méthode des éléments finis est proposé et mise en oeuvre. L’efficacité du modèle de liaisons et de la méthode de couplage proposés est évaluée à travers plusieurs tests de référence concernant les ruptures en mode I et en mode mixte dans des structures en béton.Dans la deuxième partie, le nouveau modèle d’endommagement de liaisons est intégré dans le cadre de la théorie de péridynamique basée sur l’état ordinaire pour surmonter les limitations de la théorie de péridynamique basée sur les liaisons. Dans le but d’améliorer encore l’efficacité de calcul numérique, une méthode de couplage adaptatif est proposée entre la théorie de péridynamique sur l’état ordinaire et la méthode classique des éléments finis. La frontière évolutive entre le domaine de fissuration et le domaine élastique est prise en compte. L'efficacité de cette nouvelle méthode est clairement démontrée pour la modélisation des processus de rupture progressive dans des matériaux fragiles cohésifs par l'étude d'une série d’essais en laboratoire sur des structures en béton. La dernière partie est consacrée à l’exploration de l’applicabilité de la théorie de péridynamique, ainsi que du nouveau modèle d’endommagement des liaisons, à la modélisation des problèmes de fissuration dans des ouvrages géotechniques. Deux galeries souterraines représentatifs, concernant des expérimentations in situ réalisés par l’Agence nationale de gestion des déchets radioactifs (ANDRA), sont étudiés à titre d’exemple pour évaluer la propagation de zones fissurées induites pendant l'excavation des cavités souterraines. Un autre exemple concerne l'étude d'instabilité d'une pente auto-établie induite par la charge empilée au sommet. Quelques remarques de conclusion et des perspectifs pour les travaux à venir sont enfin soulignés.

Résumé traduit

Macroscopic failure in cohesive geological and cement-based materials and structures is generally a progressive process induced by the transition from diffuse micro-cracks to localized macro-fracturing. In spite of significant advances obtained, efficient modeling of this complex process is still an open issue. In this study, some new contributions are presented on modeling of progressive processes in cohesive rock-like and concrete materials and strtcures with a coupled peridynamics and finite element method. The first part is devoted to the description of tensile cracking behavior of cohesive brittle materials. A new bond damage model, composed of an exponential reduction term and a residual strength term, is proposed. Unlike the original bond model for elastic brittle materials, the new bond model is able to account for the progressive failure and residual strength of bonds. Based on the fracture energy concept, this new bond damage model is introduced into the framework of bond-based peridynamics theory. Moreover, in order to improve the computational efficiency of peridynamics modeling as a non-local theory, the coupled procedure with the finite element method is further proposed. The effectiveness of the proposed bond damage model is assessed by several benchmark tests concerning mode-I and mixed-mode fractures in concrete structures. In the second part, the new bond damage model is introduced to the framework of ordinary state-based peridynamics theory to overcome the limitations of bond-based peridynamics theory. For the purpose of further enhancing the computational efficiency, an adaptive coupling method is proposed for the combination of the state-based peridynamics theory and classical finite element method. The evolving boundary between cracking domain and the elastic one is taken into account. The accuracy of the new bond damage model implemented in the adaptive coupling method for modeling the progressive failure process in cohesive materials is clearly validated through a series of representative laboratory tests on concrete structures. The last part is devoted to exploring the applicability of peridynamics theory, as well as the new bond damage model, for dealing with progressive cracking problems in geotechnical engineering structures. Two typical galleries, related to the in-situ experiments carried out by French national radioactive waste management agency (ANDRA), are studied as examples to estimate excavation damage zones around underground constructions. And a self-established slope is also considered to analyze its instability induced by stacked loads at the top. Some concluding remarks and perspectives for future works are finally outlined.