Le cloquage des films minces est un enjeu scientifique et industriel de premier plan, dans la mesure où il correspond au premier stade du délaminage a grande échelle du film, aboutissant généralement à la perte des propriétés fonctionnelles initialement conférées au matériau revêtu.L'influence de la souplesse du substrat sur ce phénomène est peu comprise à ce jour, alors que les systèmes industriels composés de films rigides sur substrats souples se multiplient. Cette étude se focalisera ainsi principalement sur l’influence de l’élasticité du substrat sur la genèse, propagation et coalescence des structures de cloquage, . L’approche expérimentale sera de générer des structures de cloquage élémentaires, de type ride droite, bulle ou « cordon de téléphone », et d’en contrôler la propagation, de manière à les faire interagir, se croiser, voire coalescer. La caractérisation morphologique de ces structures de cloquage se fera par microscopie à force atomique. Ces résultats expérimentaux seront confrontés à des simulations numériques par éléments finis réalisées en parallèle, permettant de tenir compte du couplage entre flambage du revêtement et délaminage de l’interface film/substrat. Les résultats obtenus permettront de mieux appréhender le phénomène de cloquage des revêtements et films minces. Cette étude répond ainsi principalement à trois questions : quelle est l’influence de l’élasticité du substrat sur la dynamique de propagation des cloques ? Comment se produisent leurs croisements aboutissant à des structures parfois singulières ? Cette élasticité favorise-t-elle la coalescence des cloques en cours de propagation, même si celles-ci ne se rencontreraient pas d’un point de vue purement balistique ?Enfin, l’intérêt technologique s’inscrit dans une démarche environnementale qui consiste à identifier les paramètres pertinents permettant d’inhiber le processus de cloquage, de le limiter, voire de le contrôler pour améliorer la durabilité des systèmes industriels. / Thin films buckling is a scientific and industrial challenge of primary importance, since it correspond to the first stage of the buckling of the film at a large scale, leading to the loss of the mechanical property initially conferred to the coated material.The influence of the substrate elasticity on this phenomenon is not well understood today, whereas the proportion of industrial systems made of rigid films on soft substrates increase. This study focus principally on the influence of the substrate elasticity on the genesis, propagation and coalescence of the buckled structures. The experimental approach consist in the controlled generation of elementary buckling structures, such as straight-sided buckles, blisters or “telephone cords” buckles, to make them interact and even meet and merge each other. The morphological characterization of such buckling structures will be performed by the atomic force microscopy technique. These experimental results will be then compared to finite elements simulations performed together, allowing to take into account the coupling between the buckling of the film and the film/substrate interface delamination. The obtained results will allow a better understanding of the coating and thin film buckling phenomenon. Thus, this study answer in particular to three questions : how the substrate elasticity impact the propagation dynamic of the buckles ? How their crossing occur, leading sometimes to complex structures ? Is this elasticity helps the coalescence of the buckles, even if they does not match each other in a “ballistic” way ?Finally, the technological goal is part of an environmental approach that consist in identifying the parameters that can suppress, limit or control the buckling phenomenon for specific applications.

Afin d'anticiper les effets du vieillissement des enceintes de confinement des centrales électronucléaires, l'IRSN effectue des recherches avancées sur le vieillissement du béton. Les problématiques de fissuration liées au vieillissement sont abordées à l'aide d'une méthode micromécanique basée sur des Modèles de Zones Cohésives Frottantes et à l'aide de la méthode d'<<Eigen-Erosion >> basée sur des considérations énergétiques. L'objectif de la thèse est de réduire les temps de calcul liés à ces deux approches, tout en conservant une bonne précision dans les zones d'intérêt, en adaptant la discrétisation en espace à l'aide de techniques de raffinement local adaptatif. La méthode de raffinement retenue est la méthode CHARMS (Conforming Hierarchical Adaptive Refinement Methods). Cette méthode, basée sur le raffinement des fonctions de base, permet un raffinement sans dégradation de la qualité des mailles initiales. En particulier, les non conformités géométriques sont naturellement prises en compte. Initialement appliquée à la Mécanique des Fluides, cette méthode est d'abord étendue à la Mécanique des Milieux Dé-formables en proposant un critère de raffinement général, puis elle est appliquée à la méthode d'<< Eigen-Erosion >> et aux Modèles de Zones Cohésives. Enfin, l'influence de la morphologie des inclusions d'un Volume Elémentaire Représentatif de béton numérique sur le comportement apparent et sur la fissuration est étudiée. / In order to anticipate effects of ageing in confinement structures of nuclear power plant, the IRSN develops research programs to study the ageing of concrete. A micromechanical approach, based on Cohesive Zone Models, and the "Eigen-Erosion" method, based on energetics consideration, are used. The aim of this study is to reduce the computational cost while keeping simulations with good accuracy in the areas of interest. The strategy is to adapt the spatialdiscretization in the areas of interest using local adaptive refinement technics. The selected refinement method is called CHARMS (Conforming Hierarchical Adaptive Refinement Methods). CHARMS is based on the refinement of basis functions and enables refinement without any loss of the inital mesh quality. The geometrical non conformities are implicitly handled. Initialyapplied to Fluid Mechanics, the method is first extended to Solid Mechanics with a specific refinement criterion. It is then applied to "Eigen-Erosion" and to Cohesive Zone Models. The inclusion's shape of a Representative Elementary Volume of numerical concrete is studied in order to determine the influence over the apparent behaviour and the crack propagation.

Ce travail porte sur l'identification de modèles de zones cohésives. Ces modèles, proposés initialement dans les années 60 sont maintenant de intensivement utilisés dans les simulations numériques pour rendre compte de l'initiation et de la propagation de fissures pour différents matériaux et structures.L'identification de ces modèles reste encore aujourd'hui une problématique délicate. Les développements récents de techniques d'imagerie permettent d'accéder à des champs de mesures locales (e.g. déformation et température, …). On se propose dans ce travail d'utiliser la richesse des informations issues de ces techniques d'imagerie pour mettre en place une procédure d'identification qui prenne en compte à la fois le développement de la localisation (effet de structure) mais aussi la nature des différentes irréversibilités mises en jeu (comportement thermo-mécanique). On s'intéresse à des comportements élasto-plastiques endommageables de matériaux ductiles. L'endommagement est associé à un comportement cohésif de l'interface entre les éléments volumiques supposés purement élasto-plastiques.La procédure d'identification comporte deux étapes. La première consiste à caractériser la forme et les paramètres de la loi cohésive sur des essais de traction standard à partir d'une analyse des champs mécaniques localement développés. La seconde étape consiste à vérifier la cohérence thermo-mécanique du modèle identifié en confrontant les mesures calorimétriques déduites des champs de température avec les prévisions du modèle identifié.Cette méthode est appliquée avec succès sur différents matériaux (acier Dual Phase et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique qui est nécessairement introduite dans l'identification. On montre que cette longueur peut être estimée au regard des différents paramètres introduits dans les traitements d'images.Cette méthode est appliquée sur différents matériaux (acier et cuivre). Une attention particulière est portée sur la caractérisation de la longueur caractéristique qui est nécessairement introduite dans l'identification. On montre que cette longueur peut-être corrélée à l'échelle d'identification des processus d'endommagement sous-jacents. Ainsi les modèles cohésifs identifiés sont fournis au modélisateur avec l'échelle physique à laquelle ils résument l'endommagement volumique du matériau. / This work deals with the identification of cohesive zone models. These models were intially proposed in the 1960s. They are now more and more frequently used in numerical simulations to account for crack initiation and propagation in different materials and structures.The identification of these models still remains a delicate issue. The recent developments in imaging techniques now allow reaching local measurement fields (e.g. strain, temperature,…). We propose here to use the large amount of information given by these techniques to set up an identification procedure accounting for either the localization development (structural effect) and also the character of the different irreversibility sources encountered (thermo-mechanical behavior). We study damageable elasto-plastic ductile materials. Damage is associated to a cohesive behavior of the interface between volumic elements supposed to remain purely elasto-plastic.The identification procedure involves two steps. The first one consists in characterizing the shape and the parameters of the cohesive zone on tensile tests by analyzing the mechanical fields locally developed. The second one consists in checking the thermo-mechanical consistency of the identified model by confronting the calorimetric measurements deduced from temperature fields with the previsions of the identified model.This method is applied on different materials (Dual Phase steel and copper). A specific caution is conferred to the characterization of the characteristic length necessarily introduced by the identification. It is shown that this length can be estimated regarding the different parameters introduced in the image processing.

abstract: Polymer matrix composites (PMCs) are attractive structural materials due to their high stiffness to low weight ratio. However, unidirectional PMCs have low shear strength and failure can occur along kink bands that develop on compression due to plastic microbuckling that carry strains large enough to induce nonlinear matrix deformation. Reviewing the literature, a large fraction of the existing work is for uniaxial compression, and the effects of stress gradients, such as those present during bending, have not been as well explored, and these effects are bound to make difference in terms of kink band nucleation and growth. Furthermore, reports on experimental measurements of strain fields leading to and developing inside these bands in the presence of stress gradients are also scarce and need to be addressed to gain a full understanding of their behavior when UDCs are used under bending and other spatially complex stress states. In a light to bridge the aforementioned gaps, the primary focus of this work is to understand mechanisms for kink band evolution under an influence of stress-gradients induced during bending. Digital image correlation (DIC) is used to measure strains inside and around the kink bands during 3-point bending of samples with 0°/90° stacking made of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Fibers. Measurements indicate bands nucleate at the compression side and propagate into the sample carrying a mixture of large shear and normal strains (~33%), while also decreasing its bending stiffness. Failure was produced by a combination of plastic microbuckling and axial splitting. The microstructure of the kink bands was studied and used in a microstructurally explicit finite element model (FEM) to analyze stresses and strains at ply level in the samples during kink band evolution, using cohesive zone elements to represent the interfaces between plies. Cohesive element properties were deduced by a combination of delamination, fracture and three-point bending tests used to calibrate the FEMs. Modeling results show that the band morphology is sensitive to the shear and opening properties of the interfaces between the plies. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Mechanical Engineering 2016

Dans la conception et la fabrication des structures, l'assemblage des composants est une étape cruciale en termes de durabilité et de fiabilité. Les techniques l'assemblage dites mécaniques telles que le boulonnage, le rivetage et le soudage entre autres, ont longtemps été celles traditionnelles. Toutefois, les avancées dans l'étude et l'analyse de la fissuration au sein des matériaux ont permis de mettre en évidence certains de leurs inconvénients en tant que cause de rupture de ces structures à travers les concentrations de contraintes localisées et/ou l'altération mécanique ou thermique des propriétés locales des pièces assemblées. Ainsi, des techniques alternatives tel que le collage structural ont été développées permettant de s'affranchir ou plutôt de réduire ces effets indésirables lors de l'assemblage, pour le peu que le processus soit bien maîtrisé. Parmi les avantages les plus connus, le collage permet d'une part une meilleure transmission et répartition des efforts à l'interface réduisant ainsi l'endommagement en fatigue et augmentant la durée de vie de l'assemblage, et d'autre part, de conserver l'intégrité des pièces à assembler. D'autres avantages proviennent également de la conception des adhésifs structuraux qui, après l'application de traitements physico-chimiques permettent d'ajouter des propriétés thermiques, acoustiques et d'étanchéité.Malgré ces avantages, le collage souffre d'une réputation de non fiabilité due aux manques d'outils de prédiction du comportement des joints collés. En effet, les paramètres qui influent sur le comportement de l'interface sont nombreux et sont souvent sources de variabilité sur la résistance du joint de colle. L'étude de cette ténacité des joints d'adhésif s'effectue grâce à des essais de fissuration selon différents modes de rupture qui cherchent à mesurer l'énergie de fissuration de l'assemblage. La connaissance de cette énergie permet d'être prédictif dans la plupart des cas sur la propagation des fissures pour le peu que nous soyons en mesure de décrire et de prédire le comportement de l'interface.D'un point de vue numérique, de nombreuses techniques et formulations de loi de comportement ont été proposées dans un souci de reproduire le comportement de l'interface au sein des assemblages. Parmi ces dernières, celle des lois de zone cohésive semble être une voie des plus prometteuses en terme de modélisation et de simulation des interfaces par son caractère local et discret. Parmi les avantages qu'elles procurent demeurent la prise en compte intrinsèque de l'endommagement et des phénoménologies du comportement du joint collé. En outre, de nombreuses études ont été entreprises pour identifier ces lois de zone cohésive en comparant des observations issues d'essais de fissuration et des sorties de modèle où elles sont utilisées. Cette identification se fait au moyen d'algorithmes itératifs de minimisation d'une fonction coût qui mesure la métrique entre observations et sorties de modèles. Toutefois, peu d'importance est attachée d'une part, aux sensibilités des techniques de mesure employées par rapport aux paramètres de loi de zone cohésive, et d'autre part, sur les incertitudes associées aux paramètres de loi de zone cohésive identifiés. À notre connaissance, aucun travail sur ces deux derniers aspects n'a été mené et constitue ainsi le principal propos de ce mémoire de thèse. [...] / In the design and manufacture of structures, assembly of components is a crucial step in terms of durability and reliability. Mechanical assembly techniques such as bolting, riveting and welding, among others, have long been traditional. However, advances in the study and analysis of cracks within materials have made it possible to highlight some of their disadvantages as a cause of rupture of these structures through localized stress concentrations and / Mechanical or thermal alteration of the local properties of the assembled parts. Thus, alternative techniques such as structural bonding have been developed which make it possible to eliminate or rather reduce these undesirable effects during assembly, for the little that the process is well controlled. Among the best known advantages, bonding allows, on the one hand, a better transmission and distribution of forces at the interface, thus reducing fatigue damage and increasing the service life of the assembly and, on the other hand, maintain the integrity of the parts to be assembled. Other advantages also arise from the design of structural adhesives which, after the application of physicochemical treatments, make it possible to add thermal, acoustic and sealing properties.Despite these advantages, bonding suffers from a reputation for unreliability due to the lack of tools for predicting the behavior of bonded joints. Indeed, the parameters which influence the interface behavior are numerous and are often sources of variability on the strength of the bonded joint. The study of this toughness of the adhesive joints is carried out by means of crack tests according to different modes of fracture which seek to measure the assembly crack energy. The knowledge of this energy makes it possible to be predictive in most cases on cracks propagation for the little that we are able to describe and predict the interface behavior.From a numerical point of view, numerous techniques and formulations of interface law have been proposed in order to reproduce the interface behavior within the assemblies. Among the latter, that of the cohesive zone laws seems to be one of the most promising ways in terms of modeling and simulation of the interfaces by its local and discrete character. Among the advantages that they provide are the intrinsic consideration of damage and behavior phenomenologies of bonded joint. In addition, numerous studies have been undertaken to identify these cohesive zone laws by comparing observations from crack tests and model outputs where they are used. This identification is done by means of iterative minimization algorithms of a cost function which measures the metric between observations and models outputs. However, little importance is attached, on the one hand, to the sensitivities of the measurement techniques used in relation to the cohesive zone law parameters and, on the other hand, to the uncertainties associated with the identified cohesive zone law parameters. To our knowledge, no work on these two aspects has been conducted and is thus the main purpose of this thesis. [...]

With increasing climate change the automotive industry is facing increasing demands regarding emissions and environmental impact. To lower emissions and environmental impact the automotive industry strives to increase the efficiency of vehicles by for example reducing the weight. This can be achieved by the implementation of lightweight products made of composite materials where different materials must be joined. A key technology when producing lightweight products is adhesive joining. In an effort to expand the implementations of structural adhesives Volvo Buses wants to increase their knowledge about adhesive joining techniques. This thesis is done in collaboration with Volvo Buses and aims to increase the knowledge about numerical simulations of adhesively bonded joints. A numerical model of an adhesively bonded T-joint is presented where the adhesive layer is modelled using the Cohesive Zone Model. The experimental extraction of cohesive laws for adhesives is discussed and implemented as bi-linear traction-separation laws. Experiments of the T-joint for two different load cases are performed and compared to the results of the numerical simulations. The experimental results shows a similar force-displacement response as for the results of the numerical simulations. Although there were deviations in the maximum applied load and for one load case there were deviations in the behavior after the main load drop. The deviations between numerical and experimental results are believed to be due to inaccurate material properties for the adhesive, the use of insufficient bi-linear cohesive laws, the occurrence of a combination of adhesive and cohesive fractures during the experiments and dissimilar effective bonding surface areas in the numerical model and the physical specimens.

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans l'étude et l'amélioration des modèles d'endommagement continus régularisés (non locaux), l'objectif étant d'étudier la transition entre un champ d'endommagement continu défini sur l'ensemble d'une structure et un modèle discontinu de fissuration macroscopique.La première étape consiste en l'étude semi-analytique d'un problème unidimensionnel (barre en traction) visant à identifier une famille de lois d'interface permettant de basculer d'une solution non homogène obtenue avec un modèle continu à gradient d'endommagement vers un modèle discontinu de fissuration cohésive. Ce passage continu / discontinu est construit de telle sorte que l'équivalence énergétique entre les deux modèles soit assurée, et reste exacte quelque soit le niveau de dégradation atteint par le matériau au moment où cette transition est déclenchée.Cette stratégie est ensuite étendue au cadre 2D (et 3D) éléments finis dans le cas de la propagation de fissures rectilignes (et planes) en mode I. Une approche explicite basée sur un critère de dépassement d'une valeur « critique » de l'endommagement est proposée afin de coupler les modèles continus et discontinus au sein d'un même calcul quasi-statique par éléments finis. Enfin, plusieurs résultats de simulations menées avec cette approche couplée sont présentés. / The present work deals with the study and the improvement of regularized (non local) damage models. It aims to study the transition from a continuous damage field distributed on a structure to a discontinuous macroscopic failure model.First, an analytical one-dimensional study is carried out (on a bar submitted to tensile loading) in order to identify a set of interface laws that enable to switch from an inhomogeneous solution obtained with a continuous gradient damage model to a cohesive zone model. This continuous / discontinuous transition is constructed so that the energetic equivalence between both models remains ensured whatever the damage level reached when switching.This strategy is then extended to the bi-dimensional (and tri-dimensional) case of rectilinear (and plane) crack propagation under mode I loading conditions, in a finite element framework. An explicit approach based on a critical damage criterion that allows coupling both continuous and discontinuous approaches is then proposed. Finally, results of several simulations led with this coupled approach are presented.

L'objectif de ce travail de thèse est de mettre en place une simulation thermo-mécanique couplée d'une aube revêtue permettant de modéliser l'écaillage de la barrière-thermique qui survient dans les conditions de service de l'aube. La barrière thermique est un revêtement isolant déposé à la surface du substrat monocristallin base Nickel AM1 constitutif de l'aube préalablement recouverte d'une sous-couche. Le mode de dégradation dominant dans ces systèmes est la création de fissures qui résultent de l'accroissement des ondulations hors-plan d'une couche intermédiaire d'oxyde formée en service entre la céramique et la sous-couche. En vue de modéliser ce phénomène d'écaillage, un ensemble d'outils numériques permettant de réaliser un calcul 3D par éléments finis thermo-mécanique couplé de l'aube revêtue est développé au sein du code de calcul par éléments finis Z-set. L'insertion d'éléments de zone cohésive mécanique et thermique au niveau de l'interface barrière-thermique/substrat permet de tenir compte simultanément des changements dans le processus de transert de charge et des variations du flux de chaleur causés par l'amorçage et la propagation d'une fissure interfaciale. L'élément fini d'interface mixte de Lorentz qui repose sur un Lagrangien augmenté, est mis en oeuvre. Afin de tenir compte des propriétés structurelles du revêtement, la modélisation de la barrière thermique est réalisée au moyen d'éléments de coque thermo-mécaniques reposant sur l'approche dite “Continuum Based”. Ces éléments sont développés puis validés dans le cadre de la thèse. La méthode utilisée pour réalier le couplage thermo-mécanique est l'algorithme partitioné CSS (Conventional Serial Staggered) sous-cyclé à pas de couplage fixe dont on montre les limitations dans le cas d'une simulation impliquant la propagation d'une fissure. L'introduction de pas de couplage adaptatifs contrôlés au moyen d'une variable interne du problème mécanique a permis de contourner ces limitations. L'ensemble des briques numériques est validé sur des cas tests de complexité croissante. Des cas d'applications effectués sur des géométries tubulaires à gradient thermique de paroi sont réalisés afin de tester le modèle couplé sur des structures et des chargements proches des conditions de service de l'aube. Enfin, des calculs thermo-mécaniques couplés sur aube revêtue sont présentés. / The purpose of this thesis is to perform a coupled thermomechanical simulation of the failure of thermal barrier coatings for turbine blades under service conditions. The thermal barrier coating is an insulating component applied to the single crystal Nickel-based superalloy AM1 substrate which is covered with a bond coat beforehand. The main degradation mode of those systems is due to the initiation and propagation of cracks caused by the out-of-plane undulation growth of an oxide layer formed in service. A set of numerical tools is implemented into the Finite Element code Z-set in order to perform a 3D thermomechanically coupled simulation of the failure of thermal barrier coatings for turbine blades. Inserting thermomechanical cohesive zone elements at the interface between the coating and the substrate makes it possible to account for the changes in the load transfer and the variations in the heat flux as a consequence of interface degradations. The mixed finite interface element of Lorentz based on an Augmented Lagrangian is used. The thermal barrier coating is modelled by means of thermomechanical shell elements implemented using the Continuum-Based approach to take advantage of the structural properties of the coating layer. Moreover, the partitionned CSS (Conventional Serial Staggered) algorithm used to couple thermal and mechanical problems is assessed. The limitations of sub-cycling with constant coupling time-step are shown through a simulation with crack propagation. The introduction of adaptative time-stepping allows to circumvent that issue. The numerical tools are assessed on test cases with increasing complexity. Numerical simulations on cylindrical tube with a thermal through-thickness gradient are performed with realistic loading sequences. Finally, thermomechanical simulations on turbine blades covered with thermal barrier coating are shown.

Cette étude fait partie d'un programme de recherche concernant la réparation de structures composites par collage de patchs externes. Les objectifs principaux de ce programme sont d'une part l'identification de l'ensemble des facteurs susceptibles d’influencer les performances à long terme de ce type de réparation, et d’autre part de déterminer dans quelle mesure l’utilisation de tels assemblages peuvent s'avérer une solution optimale. La conception d'un tel système passe obligatoirement par le développement d'un outil de simulation et de prédiction robuste du fait des divers mécanismes d’endommagement pouvant intervenir de fa?on très complexe et de la rupture finale du système résultant d’une propagation des zones endommagées. Cette étude compose d’une et d’autre l’aspect de la modélisation numérique, et l'aspect expérimental. Le dialogue entre les résultats numériques et expérimentaux permet, d’une part de comprendre les mécanismes d’endommagement et l’évolution de ce dernier dans le système réparé, d’autre part de valider le modèle numérique. En particulier, nos efforts ont été concentrés, en utilisant le logiciel LS-dyna, sur l’application des modèles de zone cohésive (MZC). Le comportement au délaminage d’un composite carbone/époxyde et de l’adhésif sont étudié avec les essais en mode I, mode II et mode mixte. Une étude paramétrique de MZC est effectuée. Le modèle de zone cohésive validé est utilisé pour modéliser le comportement en traction des composites réparés par collage de patches externes / This study is one part of a program of research with regard to the repair of composite structure with extern bonded-patches. The principal objectives of this program are, on one side, the identification of all the factors susceptible to influence the long-term performance of this type of repair, on the other, to determine the extent to which the use of such assemblage can be proved to be an optimal solution. The conception of such a system needs essentially the development of a tool of simulation and of robust prediction because various mechanisms of damage can take place in a very complex way and the final fracture of the system arise from the propagation of damage zones. This study consists of both numerical simulation and experimental aspect which can help us, on one side, understand the mechanisms of damage and its evolution in a repair structure, on the other, valid the numerical model. In particular, we concentrate in the application of cohesive zone model using LS-dyna. The behavior of delamination of carbon/epoxy composite and the adhesive is studied with the experiments in mode I, mode II and mode mixed. A parametric study is carried out. The validated cohesive zone model is used to simulate the tensile behavior of composite repaired by extern bonded-patches

In this thesis a previously unknown mechanism of failure in multilayered slope profiles is identified. In some conditions this mechanism does not confirm to the known failure models (relating to circular failure) used in slope stability analysis. For this reason, major failures have occurred in the artificial cuts despite the fact that the limit equilibrium methods suggest that these cuts would be stable. The limit equilibrium methods were originally created to apply to earth dam walls. In the open pit mining environment, where we face inhomogeneous and inclined multilayered structures, the assumptions of these limit equilibrium methods appear to be inapplicable (e.g. assumption for the equal shear strength along the failure surface). Analysis starts with a general picture of the stress state in the highwall slope, given extant geological conditions and rock properties. The study then focuses on a comparison of the crack-tip stress changes in the rockmass with and without inclusions at the microscopic level. Basing some assumptions on binocular microscope observations of grain structures, it is possible to measure the size of the different inclusions and show that the microscopic carbon flakes present in the rock fabric make a major contribution to the failure process in a mudstone layer in the slope. The approach adopts the fracture-process zone ahead of a crack tip as the controlling parameter of flaw propagation in rock. Flaw coalescence, which is poorly accounted for in current fracture models, is attributable to two phenomena: the flaw propagation due to high level of applied stress; and the linking of fracture-process zones due to the small distance between neighbouring flaws. A condition of flaw coalescence is given based on these two mechanisms. This development allows defining of two zones along the failure surface (frictional and cohesive). In the slope-stability field the shear strength of the rock along the failure plane is a composite function of cohesive and frictional strength. For instance, the relaxation stress normal to bedding, induced by overburden removal, provides an investigation method for the determination of the weakest minerals, which may act as flaws for fracture propagation in low-porosity rock. A method has been developed to determine the critical stress for tensile fracture propagation due to the rock structure and the stress reduction normal to bedding. A proposed failure mechanism is based on the polygonal failure surfaces theory developed by Kovari and Fritz (1978), Boyd’s field observations (1983), Stead and Scoble’s (1983) analyses, Riedel (1929) Shear Fracture Model, Tchalenko and Ambraseys (1970), Gammond’s (1983) and Ortlepp (1997) observations for natural shear failures, computer modelling by McKinnon and de la Barra (1998), the results of many laboratory experiments reported by Bartlett et al. (1981) and the author’s experience. The proposed failure mechanism evaluates stability of the artificial slope profile due to the embedded weak layer structure, layer thickness, layer inclination and depth of the cut. On the basis of the observations and the above-mentioned modified fracture model, the slope profile is divided into two blocks; passive and active blocks. With this new model, it is possible to calculate slope safety factors for the slope failure cases studied in the industry. It has been found that, whereas the conventional slope stability models predict stable conditions, the new model suggests that the slope is only marginally stable (i.e. that failure can be expected). / Thesis (PhD(Mining Engineering))--University of Pretoria, 2007. / Mining Engineering / unrestricted