Auf mikromechanischer Ebene stellen Salzgesteine ein Diskontinuum aus unregelmäßig geformten Salzkristallen dar, die entlang ihrer Korngrenzen miteinander wechselwirken. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modellierungsansatz für Salzgesteine basierend auf der diskontinuumsmechanischen Berechnungsmethode unter Verwendung von Voronoi-Triangulationen entwickelt und validiert, wobei die Grundidee darin bestand, dass diese Korngrenzen als intrinsisches Schwächeflächennetzwerk wirken und dabei die hauptsächlichen Träger der Schädigungsentwicklung im Festkörper sind. Neben mechanischen Beanspruchungen können diese auch durch hydraulichen Druck geöffnet werden und somit als potentiellen Fließwege für eindringende Fluide agieren, weshalb dieser Ansatz insbesondere für die Bewertung der Integrität von Salinarbarrieren im konventionellen Salzbergbau, bei der Kavernenspeicherung und Endlagerung in Salzformationen geeignet ist. Erstmalig wurde darüber hinaus ein phänomenologisches Verheilungsmodell entwickelt und implementiert, dass den zeitabhängigen Wiederaufbau kohäsiver Kräfte auf Korngrenzen unter Druckbelastung abbildet. Der vorgestellte Ansatz wurde durch die Nachrechnung zahlreicher experimenteller Versuche bezüglich seiner hydro-mechanischen Plausibilität und Leistungsfähigkeit validiert. Daraufhin wurden praktische Anwendungen untersucht, in denen mit zunehmender Komplexität die Kopplung mechanischer, hydraulischer und thermischer Effekte modelliert wurde.

Die Methode der Diskreten Elemente ist eine neue, alte Methode, beruhend auf den Newtonschen Axiomen, praktikabel geworden durch die rasante Entwicklung der Rechentechnik in den vergangenen fünfzig Jahren. Es handelt sich um einfach zu beschreibende, vielfältig einsetzbare, aber rechenintensive Methode. Die Methode der Diskreten Elemente ist jene Methode, von der viele Menschen – nicht nur Laien -- glauben, dass es die Methode der Finiten Elemente sei. Die Methode ermöglicht es, mit vergleichsweise geringem Programmieraufwand spektakuläre Ergebnisse zu erzielen. Die Notwendigkeit zur Lösung schwach besetzter großer linearer Gleichungssysteme entfällt ebenso, wie eine komplizierte Netzgenerierung, die Assemblierung von Systemmatrizen und die damit verbundenen, aufwändigen Optimierungsstrategien. Die Methode der Diskreten Elemente gehorcht implizit streng jenen – stets gültigen – Energieprinzipien, auf die sich andere Methoden wie die Methode der Finiten Elemente bei Herleitungen explizit berufen, während sie tatsächlich lediglich mit Näherungen für (sehr) kleine Verformungen arbeiten. Bei entsprechender Auslegung lassen sich alle an der Simulation beteiligten Elemente als materielle Bestandteile oder beruhend auf der Wechselwirkung materieller Bestandteile auffassen. Kontaktelemente oder gar geeignet platzierte Risselemente werden nicht benötigt. Risse äußern sich durch die Abwesenheit von Materie. Das Phänomen der Überadditivität ist in Partikelsimulationen von vornherein angelegt. Partikelmethoden eignen sich daher hervorragend zum modellhaften Studium komplexer Systeme. Die Parameteridentifikation und Parameteranpassung von Diskrete-Elemente-Modellen gestaltet sich schwierig, sobald die Gültigkeit des Superpositionsprinzips nicht mehr gegeben ist. Dies ist jedoch kein Mangel der Methode, sondern Folge von Interaktion und Überadditivität. Die Methode eignet sich hervorragend zur Generierung virtueller Probekörper und zum Preprocessing im Zusammenwirken mit anderen Simulationsmethoden. Visualisierungen der mit Partikelmethoden erhaltenen Ergebnisse sind von hohem anschaulichem und didaktischem Wert. Die Methode ist sehr flexibel, so dass die Simulationsergebnisse bei entsprechender Parametergestaltung keiner künstlichen Überhöhung bedürfen. Die Methode der Diskreten Elemente ist eine entdeckende Methode. Sie besitzt – wie jede andere Methode – Methodencharakter, die auf ihrer Grundlage entwickelten Modelle – wie alle Modelle – Modellcharakter.

[pt] O objetivo deste trabalho foi o de verificar a influência da modificação no campo de tensões ao redor de uma escavação em um maciço rochoso fraturado, observando a ocorrência do fechamento de fraturas e a redução da condutividade hidráulica na região ao redor da escavação. São apresentadas inicialmente as características básicas que devem ser consideradas ao analisar problemas em maciços rochosos fraturados e apontados os possíveis efeitos de uma escavação neste tipo de material. Uma breve revisão bibliográfica mostra alguns tipos de técnicas de análises numéricas disponíveis para simulação de problemas em meios descontínuos, com ênfase no método dos elementos discretos e, em especial, no método dos elementos distintos (DEM), empregado no software UDEC da Itasca Consulting Group Inc., utilizado neste trabalho. As simulações utilizam um acoplamento hidromecânico, onde o maciço é representado por um conjunto de blocos e as descontinuidades são tratadas como contornos dos blocos, sendo o fluxo permitido apenas no interior das fraturas. Foi utilizado um modelo hipotético com escavação circular para validação da modelagem a partir de soluções analíticas presentes na literatura. Além disso, foi realizado um estudo de caso real, de dois túneis localizados em uma importante via na cidade do Rio de Janeiro. A análise paramétrica do problema mostra a influência da modificação de algumas variáveis importantes neste tipo de fenômeno. Por fim, foram analisados os resultados de todos os casos, com suas considerações finais e sugestões para trabalhos futuros. / [en] This work aims to verify the influence of the stress field changing around an excavation in a jointed rock mass, noticing the fracture closure and the hydraulic conductivity decrease in the region surrounding the excavation. At first, the basic characteristics that should be considered in jointed rock masses analyses are presented, pointing out the potential effects caused by excavations in such materials. A brief literature review presents some types of numerical analysis techniques available for discontinuous medium modeling, focusing on the discrete elements methods and, specifically, in the distinct element method (DEM), applied in the UDEC software by Itasca Consulting Group Inc., which was utilized in this work. The simulations make use of a hydromechanical coupling, being the rock mass represented by an assembly of blocks. The water flow takes place among the discontinuities, which are treated as blocks’ boundaries. A hypothetical model was used for modeling validation by comparison with analytical solutions from the literature. Besides that, it was accomplished a real case study of two tunnels located at an important road in Rio de Janeiro city. The parametric analyses of the problem show the influence of changing some important variables in this type of phenomenon. At last, all the results have been discussed, with final considerations and future works suggestions.

[pt] Injeção de CO2 em reservatórios depletados tem ocorrido nos últimos anos como uma forma efetiva de recuperação avançada de óleo e gás. Mais recentemente, a injeção de CO2 em depósitos geológicos vem sendo considerada uma alternativa viável para a redução da emissão de gases de efeito estufa na atmosfera. Nesses dois cenários, o CO2 injetado reage com a rocha, alterando algumas de suas propriedades petrofísicas e geomecânicas. Um dos principais depósitos são os reservatórios carbonáticos. O objetivo desta tese é aprimorar o entendimento em relação aos efeitos mecânicos da injeção de CO2 em rochas carbonáticas. Esse tópico é de grande interesse para a indústria de óleo e gás, devido aos procedimentos de sequestro de CO2 e recuperação avançada de óleo. Nesses dois cenários, o CO2 é injetado em reservatórios carbonáticos, alterando algumas das propriedades petrofísicas e geomecânicas da rocha reservatório. Essas alterações podem aumentar os riscos relacionados à produção, uma vez que essas mudanças na estrutura porosa da rocha tendem a modificar o fluxo de óleo e também de provocar a compactação do reservatório. Com o objetivo de melhorar a compreensão da interação CO2 e rochas carbonáticas, nesta tese foram feitos ensaios de laboratório e modelos numéricos. Para os ensaios de laboratório, uma solução de CO2 e água deionizada foi injetada em amostras de Indiana Limestone e coquina. Também foram executados ensaios mecânicos antes e depois da injeção de CO2, com o objetivo de avaliar os efeitos nas propriedades mecânicas das rochas carbonáticas. A caracterização mecânica foi realizada a partir de ensaios de compressão uniaxial e triaxial. Foram observadas consideráveis reduções nas resistências à compressão e nos módulos de Young das amostras de coquina e Indiana Limestone, quando submetidas ao ensaio de injeção de CO2. Houve também um aumento na porosidade medida pelo MicroCT e pelo porosímetro na amostra de coquina sujeita a injeção de solução de CO2. Os resultados experimentais foram utilizados para calibração e validação dos modelos numéricos. Com relação aos modelos numéricos, o método dos elementos discretos (DEM) foi utilizado. Para simular de forma adequada o comportamento do material, uma metodologia, englobando o modelo de contato, a geração da amostra e o procedimento de calibração foi apresentada. A calibração dos parâmetros do DEM foi feita considerando os resultados dos ensaios mecânicos realizados antes e depois do ensaio de dissolução. O modelo numérico foi capaz de simular corretamente os ensaios uniaxiais e triaxiais realizados nas amostras de Indiana Limestone e coquina. Adicionalmente, a metodologia apresentada para o modelo em DEM conseguiu gerar bons resultados considerando a degradação pela injeção de CO2 das propriedades mecânicas da Indiana Limestone, e resultados satisfatórios para a coquina. / [en] CO2 injection in depleted reservoirs has been largely employed over the past years as an effective process for oil and gas enhanced recovery. More recently, the injection of CO2 in geological deposits is considered a viable alternative to reduce greenhouse gases in the atmosphere. In these two scenarios, the injected CO2 interacts with the rock deposit altering some petrophysical and geomechanical properties. One of the main deposits is carbonate reservoirs. The objective of this research is to improve the knowledge regarding the mechanical effects of CO2 injection on carbonate rocks. Changes to the rock pore structure may change oil flow, cause reservoir compaction and containment issues. In order to improve the insight on the interaction between CO2 and carbonate rocks, laboratory tests and numerical models were carried out in this study. For the laboratory tests, a solution of liquid CO2 and deionized water was injected through Indiana Limestone and coquina samples. In addition, mechanical tests were executed before and after CO2 injection, to evaluate the effects on the mechanical properties from the carbonate rocks. The mechanical characterization was conducted by performing uniaxial and triaxial compressive tests. From the laboratory results, significant reduction on the unconfined compressive strength and on Young s moduli from the coquina and Indiana Limestone samples when subjected to the CO2 injection test was observed. In addition, an increase in porosity was also noted from MicroCT scans and porosimetry measurements on the coquina sample after the injection of CO2 solution. These results were used for the numerical model calibration and validation. Regarding the numerical model, the Discrete Element Method (DEM) was adopted. To accurately simulate the material behavior, a methodology encompassing the contact model, the sample generation and the calibration procedure is presented. The calibration of the DEM parameters used the results from the mechanical tests on the rocks prior and after the dissolution tests. The numerical model was able to accurately simulate the uniaxial and triaxial tests on the Indiana Limestone and coquina samples. In addition, the methodology presented for the DEM model managed to accurately reproduce the mechanical degradation due to CO2 injection on Indiana Limestone and to a lesser degree, on coquina samples.

[pt] A produção de sólidos em reservatórios de óleo e gás é consequência do fluxo de fluido nos poros de rocha pouco ou não consolidada (não cimentada) em direção ao poço de extração, um processo instigado fundamentalmente pelo estado de tensões, resistência da rocha e da completação ao redor do furo. A quantidade de material erodido pode ocasionar zonas de instabilidade e de colapso, falhas no maquinário de extração de hidrocarbonetos, além de problemas ambientais influenciados pelo descarte dos resíduos. Muitos são os métodos que tentam prever o percentual de produção dos sólidos, e estes podem ser pautados em resultados de campo, laboratório ou modelos teóricos. Em grande maioria os modelos numéricos estão baseados na mecânica dos meios contínuos e, alguns nos modelos discretos, que diferentemente dos métodos contínuos pode captar descontinuidades na microescala. Sendo assim, foi utilizado o DEM aliado à fluidodinâmica computacional, que calcula o fluxo do fluido por meio da solução da equação de Navier-Stokes, para simular a desagregação de sedimentos da rocha matriz sob diferentes condições, as simulações foram feitas no software CFDEM (marca registrada) project Goniva et al. (2012). Os resultados obtidos mostraram padrões similares aos obtidos em ensaios de laboratório tanto com produção contínua de partículas como a formação de arco de estabilidade na amostra. / [en] The production of solids in oil and gas reservoirs is a consequence of the flow of fluid passing through a poorly or an unconsolidated rock (uncemented) towards the extraction well, a process instigated fundamentally by the state of tensions, rock resistance and the completion around the hole. The amount of eroded material can create zones of instability and collapsible zones, flaws in the oil extraction machinery, and environmental problems due to the waste disposal. Many are the methods that try to predict the percentage of production of solids, they can be based on previous field results, laboratory or theoretical models. Most of the numerical models are based on mechanics of continuous media, and some on discrete models, which, unlike the continuous methods, can capture discontinuities at the micro scale. Therefore, the DEM was used in conjunction with the computational fluid dynamics, that will calculate the fluid flow through the solution of the Navier-Stokes equation to simulate the disintegration of sediments of the matrix rock under different conditions. The simulations were done in the software CFDEM (trademark) project Goniva et al. (2012). The results showed similar patterns to those obtained in laboratory tests with continuous particle production and stability arc formation in the sample.

[pt] Este trabalho tem como objetivo apresentar detalhes do desenvolvimento de um código numérico tridimensional para simulação de processos de fraturamento e fragmentação em geomateriais. O código se baseia no método combinado dos elementos finitos e discretos, sendo capaz de simular a transição do contínuo para o descontínuo. A princípio é apresentada uma breve introdução ao método combinado dos elementos finitos e discretos, e as suas principais implementações são destacadas. Além disso, são apresentados os conceitos básicos dos modelos de zona coesiva, ressaltando o modelo baseado em potencial PPR (Park-Paulino-Roesler). Em seguida, são apresentados os detalhes do desenvolvimento do código. O desenvolvimento do código foi dividido em quatro partes: modelagem do contínuo, transição entre o contínuo e o descontínuo, detecção e interação entre contatos e a resolução das equações de equilíbrio. As implementações feitas no código são verificadas mediante a simulação de três tipos de ensaios de laboratório comumente empregados na mecânica das rochas (ensaio brasileiro, ensaio de compressão simples e ensaio de tenacidade à fratura), cujos parâmetros utilizados e os resultados para comparação foram obtidos da literatura. Por fim, são apresentados os resultados exibindo os padrões de fraturamento para cada tipo de ensaio e suas curvas força-deslocamento, ou tensão-deformação, bem como as considerações finais e sugestões para trabalhos futuros. / [en] This work aims to detail the development of a three-dimensional numerical code for simulating fracturing and fragmentation processes in geomaterials. The code is based on the combined finite-discrete element method, being able to simulate the transition from continuum to discontinuum. At first, a brief introduction to the combined finite-discrete element method is presented, and its main implementations are highlighted. In addition, the basic concepts of the cohesive zone models are shown, emphasizing the PPR (Park-Paulino-Roesler) potential based cohesive model. Then, the details of the code development are presented. The development of the code was divided into four parts: modelling of the continuum, transition from continuum to discontinuum, detection and interaction between contacts, and the solution of the equilibrium equations. The implementations made on the code are verified upon the simulation of three types of laboratory tests commonly employed in rock mechanics (Brazilian test, uniaxial compressive strength test, fracture toughness test), in which the parameters used and the results for comparison were obtained from the literature. At last, the results exhibiting the fracture patterns for each type of test and its force-displacement, or stress-strain, curves are displayed, as well as the final considerations and suggestions for future works.

Les structures en béton des centrales nucléaires peuvent être soumises à des contraintes thermo- hydriques modérées, caractérisées par des températures de l’ordre de la centaine de degrés aussi bien en conditions de service qu’accidentelles. Ces contraintes peuvent être à l’origine de désordres importants notamment la fissuration qui a pour effet d’accélérer les transferts hydriques dans la structure. Dans le cadre de l’étude de la durabilité de ces structures, le modèle THMs a été développé au Laboratoire d’Etude du Comportement des Bétons et des Argiles (LECBA) du CEA Saclay pour simuler le comportement du béton face à des sollicitations couplées thermo-hydro-mécaniques. Dans cette thèse on s’est intéressé à l’amélioration dans le modèle THMs d’une part de l’estimation des paramètres mécaniques et hydromécaniques du matériau en conditions partiellement saturées et en présence de fissuration et d’autre part de la description de la fissuration. La première partie a été consacrée à la mise au point d’un modèle basé sur une description multi-échelle de la microstructure des matériaux cimentaires, en partant de l’échelle des principaux hydrates (portlandite, ettringite, C-S-H, etc.) jusqu’à l’échelle macroscopique du matériau fissuré. Les paramètres investigués sont obtenus à chaque échelle de la description par des techniques d’homogénéisation analytiques. Dans la seconde partie on s’est attaché à décrire numériquement de façon précise la fissuration notamment en termes d’ouverture, de localisation et de propagation. Pour cela une méthode de réanalyse éléments finis/éléments discrets a été proposée et validée sur différents cas-test de chargement mécanique. Enfin la procédure a été mise en œuvre dans le cas d’un mur chauffé et une méthode de recalcul de la perméabilité a été proposée permettant de montrer l’intérêt de la prise en compte de l’anisotropie du tenseur de perméabilité lorsqu’on s’intéresse à l’étude des transferts de masse dans une structure en béton fissurée. Mots clés : matériaux cimentaires, homogénéisation, modélisation multi-échelle, microfissures, éléments discrets, éléments finis, chargements thermo-hydro-mécaniques. / The concrete structures of nuclear power plants can be subjected to moderate thermo-hydric loadings characterized by temperatures of the order of hundred of degrees in service conditions as well as in accidental ones. These loadings can be at the origin of important disorders, in particular cracking which accelerate hydric transfers in the structure. In the framework of the study of durability of these structures, a coupled thermo-hydro-mechanical model denoted THMs has been developed at Laboratoire d’Etude du Comportement des Bétons et des Argiles (LECBA) of CEA Saclay in order to perform simulations of the concrete behavior submitted to such loadings. In this work, we focus on the improvement in the model THMs in one hand of the assessment of the mechanical and hydromechanical parameters of the unsaturated microcracked material and in the other hand of the description of cracking in terms of opening and propagation. The first part is devoted to the development of a model based on a multi-scale description of cement-based materials starting from the scale of the main hydrated products (portlandite, ettringite, C-S-H etc.) to the macroscopic scale of the cracked material. The investigated parameters are obtained at each scale of the description by applying analytical homogenization techniques. The second part concerns a fine numerical description of cracking. To this end, we choose to use combined finite element and discrete element methods. This procedure is presented and illustrated through a series of mechanical tests in order to show the feasibility of the method and to proceed to its validation. Finally, we apply the procedure to a heated wall and the proposed method for estimating the permeability shows the interest to take into account an anisotropic permeability tensor when dealing with mass transfers in cracked concrete structures. Keywords : cement-based materials, homogenization, multi-scale modelling, microcracks, discrete elements, finite elements, thermo-hydro-mechanical loadings.

[pt] A estabilidade de poços de petróleo é convencionalmente analisada empregando soluções analíticas que não são adequadas para modelagem de meios fraturados, devido a suposições de meio continuo. Esta dissertação tem como objetivo principal desenvolver uma metodologia computacional para geração de janela operacional utilizando uma solução numérica, adequada para meios fraturados. No trabalho foi escolhido o software UDEC (Universal Distinct Element Code), que é baseado no método dos elementos discretos (MED). Este método considera o maciço rochoso como a união de blocos de rocha intactos, unidos pelas fraturas e cujo comportamento físico para cada elemento pode ser analisado individualmente. A modelagem computacional no UDEC foi realizada mediante uma analise hidromecânica acoplada. Esta modelagem permitiu avaliar a influencia de alguns mecanismos que governam a estabilidade de poços, como: as tensões in situ, a poropressão e a orientação, espaçamento e persistência das famílias de fraturas. Os resultados numéricos mostram o efeito das fraturas na orientação e magnitude das tensões, além da magnitude da poropressão resultando em cálculos dos limites de colapso inferior e fratura superior da rocha mais realistas. / [en] The stability of oil wells is conventionally analyzed using analytical solutions that are often not suitable for modeling fractured media due to assumptions of continuous medium. This work has as main objective to develop a computational method for generating mud window using a numerical solution, suitable for fractured media. The software chosen for this work was the UDEC (Universal Distinct Element Code), which is based on discrete element method (DEM). This method considers the rock mass as the union of blocks of intact rock jointed by fractures, and whose physical behavior for each element can be analyzed individually. Computational modeling in UDEC was carried out in a coupled hydromechanical analysis. This modeling allowed to evaluate the influences of some of the mechanisms that govern the stability of wells, as in situ stresses, pore pressure and orientation, spacing and persistence of families of fractures. Numerical results show the effect of fracture orientation and magnitude of the stresses, besides the magnitude of the pore pressure resulting in more realistic calculations of lower collapse and upper fracture of the rock mass.

Il est de plus en plus admis que l’effet d’échelle doit être pris en compte dans la conception des structures de Génie Civil. Pour le béton, ce problème est complexe car celui-ci ne possède pas d’adoucissement plastique, et sa rupture est due à la fissuration caractérisée par une grande zone de microfissuration (fracture process zone) qui dépend de la taille du granulat max d .Cette fissuration passe par un adoucissement sous la forme de microfissures et de glissement interparticules. Expérimentalement, l’effet d’échelle sur le béton est très souvent étudié à l’aide des corps d’épreuves homothétiques entaillés où l’on cherche à relier la résistance nominale ( oN )estimée à partir de la charge de rupture en flexion à une dimension caractéristique D. Ceci conduit à une diminution du ratio dmax/D avec l’augmentation de la taille de la structure. Parmi les objectifs de cette thèse est d’étudier expérimentalement l’impact de l’hétérogénéité ( dmax/D)supposé comme facteur fondamental de l’effet d’échelle. Trois coupures granulaires ont été testées sur trois tailles de poutres différentes en suivant le processus de fissuration par émission acoustique et la technique de corrélation d’images. Celles-ci permettent de suivre l’ouverture des fissures et identifient assez clairement la FPZ. Les résultats mettent en évidence une grande influence de la taille du granulat sur le comportement à la rupture du béton. Il existe une relation directe entre les paramètres de l’effet d’échelle obtenus par la loi de Bazant et la taille du granulat( dmax ). Le traitement des résultats d’une même taille avec différents granulométries dans le même diagramme conduit à la même loi d’effet d’échelle structurelle classique avec une valeur de transition identique. La modélisation du comportement mécanique est effectuée par la méthode d’éléments discrets (DEM). Le modèle de contact linéaire ne s’avère pas adéquat pour le mortier et le béton où le rapport compression / traction est très élevé. De ce fait, Il a été modifié pour prendre en compte la contribution des moments inter-granulaires. Les paramètres micromécaniques sont déterminés par des essais classiques avec une analyse inverse en utilisant l’algorithme de Levenberg-Marquardt. Les résultats montrent que cette approche est capable de reproduire le comportement à la fissuration locale du béton et de reproduire l’effet d’échelle et celui des granulats. Ensuite, un modèle d'adoucissement est développé afin de mieux reproduire la réponse post pic et le processus de fissuration. / It is now commonly understood that in the design of civil engineering structures, size effect must be taken into consideration. For concrete, this problem is complex because it does not exhibit plastic softening. The failure of concrete is generally preceded by propagation of cracks, characterized by alarge microcracking zone (fracture process zone or FPZ) which is proportional to the maximum aggregate size ( dmax ). This fracture process is accompanied by strain-softening in the form of microcracking and fractional slip.Experimentally, size effect in concrete is commonly studied by using geometrically similar notched beams where thenominal strength ( oN ) obtained from the bending failure loadis related to the characteristic dimension (D). This leads to adecrease in the ratio of dmax/D with an increase in the size of the structure. One of the objective of this thesis is to study experimentally the effect of heterogeneity ( dmax/D) size. This ratio is recognized as a fundamental factor causing the size effect. Three aggregate grading segments were tested on three different sizes of beams and the cracking process was investigated by acoustic emission and the image correlation technique. These methods make it possible to trace the crack.openings and identify distinctively the FPZ. The results demonstrate a significant influence of the aggregate size on the fracture behaviour of concrete. There is a direct relationship between the size effect parameters obtained by Bazant's law and maximum aggregate size ( dmax ). The results obtained from the specimen having the same size but made of concretes with different aggregate sizes produced the same classical size effect with identical transitional between LEFM and strength based laws. The mechanical behaviour is modelled by the Discrete Element Method (DEM). However, the linear contact model inserted in DEM is not suitable to satisfy the materials like mortar and concrete with high unconfined compressive strength to tensile strength ratio. As a result, the model is modified to take into account the contribution of interparticle moments. The micromechanical parameters are determined by conventional tests with inverse analysis using the Levenberg-Marquardt algorithm. The results showed that this approach is able to reproduce the local cracking behaviour of concrete as well as classical size effect and aggregate size effect. Then, a softening model is developed to better reproduce the post-peak response and the cracking process.

[pt] Um grande número de novos materiais geotécnicos foi desenvolvido baseado na adição de materiais fibrosos, sendo incorporados como elementos de reforço. A técnica de solo reforçado pode ser representada pela produção e aplicação, não somente de fibra natural, mas também de fibras sintéticas e poliméricas. Estudos anteriores de solos reforçados com fibras de polipropileno têm mostrado melhora significativa das propriedades mecânicas dos solos, tais como o aumento da resistência de pico e resistência pós-pico, ductilidade e tenacidade. Estes resultados mostram um grande potencial deste tipo de fibra, quando utilizado como reforço de solos, por exemplo, em base de fundações superficiais, aterros sobre solos moles e liners de cobertura de aterros sanitários. A partir de ajustes matemáticos para determinar a interação entre solos granulares e observações do comportamento global em macro-escala tornou possível analisar o comportamento de solos granulares reforçados com fibras de uma forma micro-mecânica. A modelagem numérica do comportamento mecânico de solos reforçados com fibras de polipropileno, através de uma análise micro-mecânica, utiliza como ferramenta o Método dos Elementos Discretos (MED), que permite a representação do solo em 2D, a partir de um conjunto de partículas de elementos discretos circulares. O MED descarta a visão clássica do solo como uma forma contínua, proporcionando a possibilidade de modelá-lo como partículas constituintes. Sua formulação baseia-se no equilíbrio de forças e de deslocamentos gerados pelos contatos, os quais são descritos através das leis da física clássica, permitindo o mapeamento dos movimentos de cada partícula. A vantagem da micro-mecânica é a possibilidade de explicitar microestruturas, tais como fibras de polipropileno, responsáveis pela mudança no comportamento do solo. Com base no estudo deste fenômeno, causado pela inserção de fibras de polipropileno em materiais granulares, formulações matemáticas foram propostas com a finalidade de descrever o comportamento de solos reforçados através da implementação do código de elementos discretos (DEMlib). Após a calibração e validação do programa, a influência decorrente da inserção do reforço de fibra ao solo foi analisada, sendo realizadas simulações de ensaios biaxiais em amostras discretas de areia, com e sem o reforço fibroso. O comportamento micro-mecânico de misturas reforçadas permitiu avaliar os efeitos das mudanças no teor de fibras presente na matriz de solo, bem como diferentes rigidezes das fibras. Conclui-se que o estudo realizado pelo Método dos Elementos Discretos identificou a real interação entre as partículas do solo e do reforço em forma de fibra, indicando que as fibras, quando inseridas no solo, podem sofrer deformações plásticas de tração e alongamento até atingir a ruptura, proporcionando a melhora nos parâmetros mecânicos do solo. / [en] A large number of new geotechnical materials was developed based on the addition of fibrous materials being incorporated as reinforcement. The technique of reinforced soil can be represented by the production and application, not only natural fiber, but also synthetic fibers and polymer. Previous studies of soil reinforced with polypropylene fibers have shown significant improvement of mechanical properties of soils, such as increasing the resistance peak and postpeak strength, ductility and toughness. These results show a great potential for this type of fiber, when used as soil reinforcement, for example, based on shallow foundations, embankments over soft soils and liners for landfill cover. From mathematical adjustments to determine the interaction between granular soils and the observation of global macro-scale become possible to analyze the behavior of granular soils reinforced with fibers in a micro-mechanics. The numerical modeling of mechanical behavior of soil reinforced with polypropylene fibers, through a micro-mechanical analysis, the tool uses as the Discrete Element Method (DEM), which allows the representation of the soil in 2D, from a set of particles circular discrete elements. The MED rule out the classical view of soil as a continuous form, providing the ability to model it as a constituent particle. Its formulation is based on the balance of forces and displacements generated by the contacts, which are explained through the laws of classical physics, allowing the mapping of movements of each particle. The advantage of micro- mechanics is the possibility of explicit microstructures, such as polypropylene fibers, responsible for the change in the behavior of the soil. Based on the study of this phenomenon, caused by the insertion of polypropylene fibers in granular materials, mathematical formulations have been proposed in order to describe the behavior of reinforced soils through the implementation of the Code of discrete elements (DEMlib). After calibration and validation program, the influence due to the insertion of fiber reinforcement to the soil was analyzed, and simulations of biaxial tests on discrete samples of sand, with and without the fibrous reinforcement. The micro-mechanical behavior of blends reinforced allowed evaluating the effects of changes in fiber content present in the soil matrix and different rigidities of the fibers. We conclude that the study by the Discrete Element Method identified the actual interaction between the soil particles and the reinforcement in the form of fiber, indicating that the fibers, when inserted into the soil, may undergo plastic deformation and tensile elongation until the rupture, providing an improvement in mechanical parameters of soil.