• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2021LILUN038
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 08/12/2021

Résumé en langue originale

La compréhension des caractéristiques mécaniques des matériaux à base d'argile est essentielle en sciences de la terre et dans diverses applications industrielles. L'argile, en tant que composant principal de ces matériaux hétérogènes, joue un rôle important dans le comportement mécanique de ces matériaux. A travers la simulation de la Dynamique Moléculaire (DM), la présente thèse est consacrée à l'étude des comportements mécaniques des minéraux argileux gonflants à l'échelle atomique en mettant l'accent sur les influences de la teneur en eau, du chemin de chargement, de l'anisotropie et de la contrainte moyenne. La thèse est composée de trois parties principales. La première partie se concentre essentiellement sur les propriétés mécaniques de la Na-montmorillonite sèche (MMT) qui est soumise à un chargement triaxial de compression et d'extension avec différentes contraintes moyennes constantes. Une série de simulations de dynamique moléculaire a été réalisée respectivement dans les directions parallèle et perpendiculaire aux couches cristallines. Les effets de la trajectoire de chargement, de la contrainte moyenne et de l'anisotropie sur les propriétés mécaniques de la MMT sèche à l'échelle atomique sont étudiés et analysées en détail.La deuxième partie étudie les influences de la teneur en eau sur les propriétés physiques et mécaniques sous compression triaxiale avec une contrainte moyenne constante. Dans un premier temps, la propriété de gonflement est caractérisée par la relation entre la distance inter-couches et le degré d'hydratation. Puis, la relation contrainte-déformation est obtenue. De plus, la microstructure et la connexion inter couche des systèmes MMT hydratés à une, deux ou trois couches entre l'état initial et l'état de défaillance ont été entièrement analysées. Enfin, les mécanismes essentiels déclenchant leur rupture à l'échelle atomique sont caractérisés et analysés. La troisième partie est consacrée à la description des déformations de fluage de la MMT. Grâce à la simulation MD, les trois phases caractéristiques de fluage ont été clairement identifiées. Les effets du niveau de contrainte appliqué, Tension de dérive, de la température et des orientations du chargement sur les réponses dépendantes du temps de la MMT ont été étudiés.

Résumé traduit

Understanding the mechanical characteristics of clay-based materials is critical in earth sciences and a variety of industrial applications. Clay, as the main component in these heterogeneous materials, plays a significant role in the mechanical behavior of such materials. Through the Molecular Dynamics (MD) simulation, the present thesis is devoted to investigating the mechanical behaviors of swelling clay minerals at atomic scale by putting the emphasis on the influences of water content, loading path, crystal structure anisotropy and mean stress. The thesis is composed of three parts. The first part mainly focuses on the mechanical properties of dry Na-montmorillonite (MMT) which is subjected to triaxial compression and extension loading with different constant mean stresses. A series of Molecular Dynamics (MD) simulations have been carried out respectively in the parallel and perpendicular directions to crystal layers. The effects of loading path, mean stress and anisotropy on mechanical properties of dry MMT at atomic scale are fully studied and discussed. The second part investigates the influences of water content on the physical and mechanical properties under triaxial compression with a constant mean stress. At first, the swelling property is characterized by the relationship between inter-layer distance and the extent of hydration. Secondly, the stress-strain relationships are obtained for different water contents. In addition, the micro-structure and inter-layer connection of the dry, one-, two-, three-layer hydrated MMT systems between initial and failure states have been analyzed in-depth. At last, the key mechanisms triggering their failure at the atomic scale are identified and analyzed. The third part is devoted to describing the creep deformation of MMT. Through the MD simulation, three representative creep stages have been clearly characterized. The effects of applied stress level, deviatoric stress, the temperature and microstructure orientation on the time dependent responses of MMT have been investigated.