Cette étude est consacrée à la modélisation micromécanique de comportement inélastique des géomatériaux hétérogènes . Une sorte de roche d'argile dure (argilite) est considérée comme un exemple pour valider la modélisation micromécanique. Un bref aperçu des principales techniques d'homogénéisation pour la modélisation multi-échelles développées de matériaux non-linéaire hétérogènes est présenté dans le premier chapitre. Puis quelques résultats numérique des simulations directes FEM sont donnés dans le deuxième chapitre. Dans le chapitre suivant, l'une des approches les plus couramment utilisée de méthodes d'homogénéisation non-linéaire des matériaux hétérogènes non linéaires, approche incrémentale de Hill, est étudiée et appliquée pour simuler le comportement mécanique de l'argilite avec des divers compositions sur différents parcours de chargement. Compte tenu des certains limites théoriques de l'approche incrémentale, une nouvelle méthode d'homogénéisation nommé analyse des champs avec transformation non-uniforme (NTFA) proposé d'abord par Michel et Suquet est adoptée et développée pour s'adapter aux géomatériaux pression-dépendants dans Chapitre 4. Dans ce chapitre, la formulation et la mise en œuvre numérique de la NTFA pour des matériaux hétérogènes composés d'une matrice pression-dépendante de type Drucker-Prager et une inclusion élastique sont présentés. Ensuite, dans le chapitre six une application plus compliquée est réalisée pour simuler le comportement mécanique de l'argilite afin de valiter de la méthode proposée NTFA. / This study is devoted to the micromechanical modelling of inelastic behaviors of heterogeneous geomaterials. A kind of hard clay rock (argillite) is taken as an example to validate the micromechanical modelling. A short review of main homogenization techniques developed for multi-scale modeling of nonlinear heterogeneous materials is presented in the first chapter. Then some numerical results from direct FEM simulation are given in the second chapter. In the following chapter, one of the most commonly used approaches of nonlinear homogenization methods for nonlinear heterogeneous materials, Hill’s incremental approach, is studied and applied to simulate the mechanical behaviors of argillite with various compositions under different loading paths. Considering some theoretical limitations of the incremental approach, a new homogenization method named nonuniform transformation field analysis (NTFA) firstly proposed by Michel and Suquet is adopted and developed to adapt the pressure-dependent geomaterials in chapter 4. In this chapter the formulation and numerical implementation of the NTFA for a typical pressure-dependent heterogeneous materials composed of Drucker-Prager matrix and elastic inclusion are presented. Next, in chapter six a more complicated application is performed to simulate the mechanical behavior of argillite to verify the validity of the proposed NTFA method.

Ce travail porte sur des modélisations, par techniques d’homogénéisation, de la plasticité des matériaux poreux ductiles. Différentes classes de milieux poreux (avec ou sans compressibilité plastique de la matrice) sont considérées. Pour une matrice de von Mises, nous avons obtenu une expression du critère macroscopique de plasticité des milieux contenant des cavités sphéroïdales aléatoirement orientées. Une extension du critère de Gurson est proposée pour des matériaux dont la matrice est plastiquement compressible et obéit à un critère elliptique. Les résultats obtenus sont appliqués et illustrés dans le cas des milieux à double porosité. Un accent particulier a été ensuite mis sur les géomatériaux poreux. L’argilite du Callovo Oxfordien, géomatériau auquel on s’est intéressé, est modélisé comme un milieu hétérogène, constitué à l’échelle mésoscopique d’une matrice élastoplastique poreuse et d’inclusions élastiques. La transition micro-méso aboutissant à la loi de la matrice argileuse est réalisée pour une phase solide de type Drucker-Prager, à écoulement associé ou non, et pour des cavités sphériques. Tandis que le passage méso-macro s’inscrit dans une démarche d'homogénéisation incrémentale de Hill. Les capacités prédictives du modèle basé sur une phase solide à loi d’écoulement non associée ont été démontrées à travers une large validation expérimentale. Enfin, par souci de simplification du modèle micro-macro proposé pour l’argilite, une version simplifiée du modèle est proposée en s’appuyant sur l’hypothèse d'inclusions rigides. L'introduction d'une règle d'écoulement macroscopique non associée a conduit à des prédictions d’excellente qualité pour l’argilite. / This work focused on the plasticity modeling of ductile porous materials. Different classes of porous media (with or without plastic compressibility of the matrix) are considered. Concerning the case of incompressible matrix obeying to the von Mises criterion, by using limit analysis combined with homogenization techniques, we obtained, a closed form expression of the macroscopic yield function for materials containing randomly oriented spheroidal cavities. An extension of the Gurson criterion is proposed for materials whose matrix is plastically compressible and obeys to an elliptic criterion. The obtained results are applied and illustrated in the case of double porous media. Then, an emphasis is put on porous geomaterials. The Callovo Oxfordian argilite, a geomaterial which is of a primary interest in this study, is modeled as a heterogeneous medium made, at the mesoscale, of a porous elastoplastic matrix and elastic inclusions. The micro-meso transition leading to the constitutive law of the clay matrix is performed for an associated or a non-associated Drucker-Prager solid phase and spherical cavities. The meso-macro transition is performed by means of a Hill incremental homogenization method. The predictive capabilities of the micro-macro model based on a non-associated solid phase have been demonstrated via a wide experimental validation. Finally, a simplified version of the micro-macro model is formulated by assuming rigid inclusions. The introduction of a macroscopic non-associated flow rule allows to obtain excellent predictions for the argillite.

In mumerical contact simulations with friction, the simple Coloumb law is usually employed. Standard plasticity models are difficult to use since the balance enforced on the contact surface typically only involves balance of traction vectors, and does not use the full stress tensor on the interface. In this work we describe an approach that allows for the use of the stress tensor, thus opening up the possibility of using more advanced plasticity models. We exemplify this approach by implementing the Drucker-Prager pressure sensitive plasticity model.

Nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation numérique d'écoulements gravitaires transitoires à surface libre, pour des fluides visqueux et incompressibles. La loi de comportement est de type viscoplastique avec transition fluide/solide. Plus précisément, nous considérons la loi rhéologique de Drucker-Prager. Nous nous intéressons tout d'abord le cas unidimensionnel d'un écoulement longitudinal cisaillé. Nous étudions un modèle simplifié, avec terme source empirique, pour lequel nous concevons une méthode numérique pour le suivi de la position de l'interface entre la couche solide et la couche fluide. Nous présentons des résultats numériques, avec divers termes sources, et nous comparons ces résultats, lorsque la viscosité est petite, à la solution analytique non visqueuse. Dans le cas visqueux, nous étudions les phases de démarrage et d'arrêt de l'écoulement. Dans un second temps, nous étudions le cas bidimensionnel d'écoulement de Drucker-Prager avec surface libre. La loi de comportement du fluide est traitée par régularisation, et nous utilisons la méthode ALE pour traiter le mouvement du domaine. Nous présentons des résultats numériques pour l'étude de la mise en mouvement d'un talus / This thesis deals with the modeling and numerical simulation of transient free-surface gravity flows, for viscous and incompressible fluids. The constitutive law is viscoplastic, with fluid/solid transition. More precisely, we consider the Drucker-Prager rheological law. We first study the case of a one-dimensional shear flow. We investigate a simplified model, with an empirical source term, for which we develop a numerical method to compute the position of the solid/fluid interface. We present numerical results for various source terms, and compare, in the case of small viscosity, our results to the inviscid analytical solution. In the viscous case, we study the case of a two-dimensional Drucker--Prager flow with free surface. The constitutive law of the fluid is regularized, and the ALE method is used to treat the displacement of the domain. Numerical results are presented for the setting in motion of an embankment

L’objectif principal est d’étudier l’influence de la microstructure sur le comportement macroscopique des roches hétérogènes, particulièrement, la roche de schiste de Vaca Muerta. Des modèles micromécaniques sont développés par des techniques d’homogénéisation bien adaptées. La microstructure de cette roche a été étudiée afin de définir le volume élémentaire représentatif indispensable pour la mise en œuvre d’une approche micromécanique. Le matériau est modélisé comme un milieu hétérogène, constitué à l’échelle mésoscopique d’une matrice composite dans laquelle sont plongés différents types d’inclusions. A une échelle plus petite, des fins grains de calcite et kérogéne sont immergés dans une matrice argileuse poreuse. L’homogénéisation du comportement instantané est établie dans le contexte de l’élastoplasticité de la matrice argileuse et de la décohésion progressive des inclusions: la transition d’échelle nano-micro aboutit au domaine de résistance de la phase argileuse où la phase solide est considérée comme un matériau cohésif-frottant obéissant au critère de Drucker-Prager. La méthode de Hill est utilisée comme moyen d’homogénéisation pour les transitions micro-méso et méso-macro. Ensuite, le comportement à long terme est défini en terme de la dégradation de la microstructure et en particulier, de la matrice argileuse. Finalement, un modèle micromécanique simplifié est développé pour étudier le comportement à long terme, des roches argileuses et de schistes, dans le contexte de la viscoplasticité de la matrice argileuse. En se basant sur ce modèle, pour l’application industrielle, nous étudions l’interaction entre la roche Vaca Muerta et les grains de proppants. / The main objective of this thesis is to study the influence of microstructure on the macroscopic mechanical behavior of heterogeneous rocks, particularly Vaca Muerta shale rock. In this context, micromechanical models are developed by well-adapted homogenization techniques. The microstructure of this rock has been extensively studied in order to define the representative elementary volume indispensable for the implementation of a micromechanical approach. The studied material is modeled as a heterogeneous medium, made up, at mesoscale, of a composite matrix in which are dipped different types of inclusions. On a smaller scale, fine grains of calcite and kerogen are immersed in a porous clay matrix. The homogenization of non-linear instantaneous behavior is established in the context of clay matrix elastoplasticity and the progressive debonding of mineral inclusions: the nano-micro transition leads to the strength domain of the porous clay phase where the solid phase is considered to be a cohesive-frictional material that obeys to the classic Drucker-Prager criterion. Hill’s incremental method is used as a homogenization means at micro-meso and meso-macro transitions. Next, the long-term behavior of the studied material is defined in terms of microstructure degradation. Finally, a simplified micomechanical model is developed to study long-term behavior of clayey and shale rocks in the context of clay matrix viscoplasticity. Based on this model, for the industrial application of the thesis, we study the interaction between Vaca Muerta shale rock and spherical grains of proppants.

[pt] Nesse trabalho é avaliada a solução numérica do colapso na frente de escavação em túneis rasos, através da teoria de análise limite numérico, usando o teorema do limite inferior, a partir da condição de equilíbrio para as condições plásticas, além de considerar o comportamento do material rígido perfeitamente plástico. O teorema de limite inferior implica em maximizar o fator multiplicador na carga atuante, por isso a análise limite se torna um problema de otimização, nele tem que se usar a programação matemática para ser resolvido. É avaliada a solução numérica tridimensional da análise limite através do método dos elementos finitos, usando malha de elementos hexaédricos de oito nós, a análise dos elementos finitos é feita com o próprio código gerado na linguagem de programação do MATLAB 2017.As metodologias de programação matemática empregadas são: programação cônica de segunda ordem e programação semidefinida. Antes deve-se adaptar os critérios de ruptura de Drucker Prager à programação cônica de segunda ordem e Mohr-Coulomb tridimensional à programação semidefinida. Para a otimização se usa o algoritmo comercial MOSEK Aps 7.1 baseado no método do ponto interior em grande escala, na linguagem do MATLAB 2017. Além disso, obteve-se o mecanismo de colapso através da propriedade da dualidade do problema de otimização, dualidade que é cumprida pelos teoremas de limite superior e inferior. / [en] In this work the numerical solution of the collapse in the front of excavation in shallow tunnels is evaluated through the theory of numerical limit analysis, using the lower limit theorem, from the equilibrium condition for the plastic conditions, considering the behavior of the perfectly plastic rigid material. The lower limit theorem implies maximizing the multiplier factor in the acting load, so that the limit analysis becomes an optimization problem. The three-dimensional numerical solution of the limit analysis using the finite element method is evaluated using a mesh of eight-node hexahedral elements. The finite element analysis is done using the code generated in the MATLAB 2017 programming language. The mathematical programming methodologies used are: second order conic programming and semidefinite programming. The Drucker-Prager three-dimensional criteria should be adapted to the conic programming of the second order and Mohr-Coulomb three-dimensional to the semidefinite programming. For the optimization, the MOSEK Aps 7.1 commercial algorithm based on the large-scale interior point method is used in the MATLAB 2017 language. In addition, the collapse mechanism was obtained through the duality property of the optimization problem, duality that is fulfilled by the upper and lower limit theorems.

Le PTFE ne peut pas être mis en forme par les procédés classiquement employés pour les polymères. La production de pièce peut se faire par compaction de poudre et frittage. Des charges peuvent être ajoutées à la poudre vierge. Afin de prédire les propriétés de la pièce à vert et d'avoir un outil fiable pour optimiser les paramètres du procédé de compaction, une modélisation du comportement mécanique de poudres de PTFE chargées, ou non, à température ambiante lors du pressage industriel est proposée. La caractérisation expérimentale des matériaux est réalisée grâce à un outil de compaction 3D installé dans la machine triaxiale ASTREE. A partir de ces essais originaux, un modèle Drucker-Prager/cap est identifié. Les variations importantes de densités et de propriétés sont décrites. Le changement de phase cristalline, prenant place à température ambiante et sous pression est également caractérisé, modélisé et implémenté dans le code EF. Ensuite, l'interaction entre le PTFE et l'outil métallique est vue comme un frottement interne entre le film de transfert de PTFE et le reste de la pièce. Elle est modélisée à partir des paramètres déjà identifiés, à savoir le coefficient de frottement interne du Drucker-Prager et la cohésion. Deux tests sont mis en place pour valider le modèle: un outil ¿dométrique instrumenté et un outil original " en V " offrant la possibilité de mesurer le champ de déplacement par Corrélation d'Image Numérique. Des simulations EF de l'ensemble du procédé sont finalement effectuées et comparées aux données industrielles. Les premiers liens entre les étapes de compaction et de frittage sont établis par caractérisation de la texture cristalline par DRX. / PTFE is not melt-processible. One of the production methods of PTFE parts consists in the powder compaction at room temperature followed by a thermal treatment, the sintering. Fillers can be added to the virgin powder. In order to be able to predict the properties of the obtained green parts and to have a reliable tool to optimize the parameters of the process, modeling of the mechanical behavior of PTFE compounds during their industrial pressing in big billets is proposed. Experimental characterization is made thanks to a 3D compaction tool, installed in the triaxial machine ASTREE. From original and complex loadings, a Drucker-Prager/cap model is identified, where the variations of density and properties are described. In addition to the elastoplastic model, a phase transformation in the crystalline structure at ambient temperature under pressure is experimentally characterized, modeled and implemented in the FE code. Then the interaction of the PTFE with a metallic counterpart is described as a friction between the PTFE transfer film and the bulk PTFE, characterized by the internal friction coefficient of the Drucker-Prager line once the cohesion of the material is reached. No additional parameter needs to be identified. Two laboratory tests allow the validation of the model, an instrumented œdometric tool and an original ‘V’ tool where the displacement field of the material during the compaction is measured by Digital Image Correlation. FE simulation of the whole compaction process is finally made and compared to industrial data. First links between the compaction and the sintering are established by a characterization of the crystalline texture thanks to XRD.

La maintenance, la réparation et le renforcement de murs en maçonnerie par matériaux composites collés nécessitent le développement de méthodes et techniques d'évaluation de l'aptitude au service et de requalification tant pour leur restauration fonctionnelle que pour leur adaptation à de nouvelles contraintes (évolution du zonage sismique par exemple). Le présent travail de thèse a pour objectif de proposer un outil d'évaluation par calcul de l'état limite ultime de murs en maçonnerie, renforcés par composites collés, chargés dans leur plan.Les travaux effectués concernent la modélisation par homogénéisation de murs en maçonnerie et une campagne expérimentale de caractérisation du transfert de charge entre un renfort en tissu de fibres de carbone et un support en blocs creux de béton par le biais d'un joint de colle. Pour modéliser la résistance des murs maçonnés, nous proposons une loi élastique parfaitement plastique pour le comportement dans le plan d'une maçonnerie constituée de blocs liés par des joints de mortier. Le convexe de plasticité est obtenu par une technique d'homogénéisation périodique qui prend en compte la nature tridimensionnelle de la cellule de base. On obtient alors un convexe limité par plusieurs surfaces de charge. Un algorithme numérique original est ensuite proposé et programmé dans le logiciel aux Eléments Finis ABAQUS. Des simulations numériques utilisant le module développé sont présentées / Maintenance, repair and reinforcing of masonry walls with composite materials glued require the development of methods and techniques for evaluating the suitability for service and retraining for both their functional restoration for their adaptation to new constraints (changes seismic zoning for example). This thesis aims to propose an evaluation tool by calculating the limit state of masonry walls,reinforced bonded composite, loaded in their plane.The work done on modeling by homogenization of masonry walls and acampaign experimental characterization of charge transfer between a reinforcement of carbon fiber fabric and a backing of hollow blocks concrete by means of an adhesive joint. To model the resistance of masonry walls, we propose a law for elastic perfectly plastic behavior in the plane formed of masonry blocks connected by mortar joints. The convex plasticity is obtained byperiodic homogenization technique which takes into account the three dimensional nature of the basic cell. This gives a convex bounded by several surfaces of charge. An algorithm digital original is then proposed and programmed in the finite element software ABAQUS. Numerical simulations using the developed module are presented

Cette thèse comporte trois chapitres indépendants, consacrés à l’étude mathématique de trois problèmes physiques distincts, ayant pour modèles trois équations aux dérivées partielles différentes. Ces équations relèvent plus précisément de la méthode des surfaces de niveau, de la théorie de l’écoulement incompressible des matériaux non newtoniens et de la théorie cinétique des gaz raréfiés. Le premier chapitre de la thèse porte sur la dynamique des frontières en mouvement et contient une justification mathématique de la procédure numérique dite de ré-initialisation, dont les applications sont nombreuses dans le contexte de la célèbre méthode des surfaces de niveau. Nous appliquons ces résultats pour une classe d’équations issues de la méthode des surfaces de niveau de premier ordre. Nous écrivons la procédure de ré-initialisation comme un algorithme de décomposition et nous étudions la convergence de l’algorithme en utilisant des techniques d’homogénéisation dans la variable temporelle. Grâce à cette analyse rigoureuse nous introduisons également une nouvelle méthode pour l’approximation de la fonction de distance dans le contexte de la méthode des surfaces de niveau. Dans le cas où l’on cherche seulement une fonction de l’ensemble de niveau avec un gradient minoré proche du niveau zéro, nous proposons une approximation plus simple. Dans le cas général, où le niveau zéro pourrait présenter des changements de topologie, nous introduisons une nouvelle notion de limites relâchées. Dans le deuxième chapitre de la thèse, nous étudions un problème de frontière libre résultant de l’étude de l’écoulement incompressible d’un matériau non-newtonien, avec limite d’élasticité de type Drucker-Prager, sur un plan incliné et sous l’effet de la pesanteur. Nous obtenons une équation sous-différentielle, que nous formulons comme un problème variationnel avec un terme à croissance linéaire de type gradient, et nous étudions le problème dans un domaine non borné. Nous montrons que les équations sont bien posées et satisfont certaines propriétés de régularité. Nous sommes alors capables de relier les paramètres physiques avec le problème abstrait et de prouver des propriétés quantitatives de la solution. En particulier, nous montrons que la solution a un support compact, la limite de ce que nous appelons la frontière libre. Nous construisons également des solutions explicites d’une équation différentielle ordinaire qui peut estimer la frontière libre. Enfin, le troisième et dernier chapitre de la thèse est dédié aux solutions de l’équation de Boltzmann homogène avec molécules maxwelliennes et énergie infinie. Nous obtenons de nouveaux résultats d’existence de solutions éternelles pour cette équation dans un espace de mesures de probabilité d’énergie infinie (i.e. de moment d’ordre deux infini). Elles permettent de décrire le comportement asymptotique en temps d’autres solutions d’énergie infinie, mais elles apparaissent aussi comme des états asymptotiques intermédiaires dans l’étude des solutions d’énergie finie, mais arbitrairement grande. Les méthodes issues de l’analyse harmonique sont utilisées pour étudier l’équation de Boltzmann, où la variable de vitesse est exprimée en Fourier. Enfin, un changement d’échelle logarithmique en la variable temporelle permet de déterminer le bon comportement asymptotique à l’infini des solutions / This thesis consists of three different and independent chapters, concerning the mathematical study of three distinctive physical problems, which are modelled by three non- linear partial differential equations. These equations concern the level set method, the theory of incompressible flow of non-Newtonian materials and the kinetic theory of rare- fied gases. The first chapter of the thesis concerns the dynamics of moving interfaces and contains a rigorous justification of a numerical procedure called re-initialization, for which there are several applications in the context of the level set method. We apply these results for first order level set equations. We write the re-initialization procedure as a splitting algorithm and study the convergence of the algorithm using homogenization techniques in the time variable. As a result of the rigorous analysis, we are also able to introduce a new method for the approximation of the distance function in the context of the level set method. In the case where one only looks for a level set function with gradient bounded from below near the zero level, we propose a simpler approximation. In the general case where the zero level might present changes of topology we introduce a new notion of relaxed limits. In the second chapter of the thesis, we study a free boundary problem arising in the study of the flow of an incompressible non-Newtonian material with Drucker-Prager plasticity on an inclined plane. We derive a subdifferential equation, which we reformulate as a variational problem containing a term with linear growth in the gradient variable, and we study the problem in an unbounded domain. We show that the equations are well posed and satisfy some regularity properties. We are then able to connect the physical parameters with the abstract problem and prove some quantitative properties of the solution. In particular, we show that the solution has compact support and the support is the free boundary. We also construct explicit solutions of an ordinary differential equation, which we use to estimate the free boundary. The last chapter of the thesis is dedicated to the study of infinite energy solutions of the homogeneous Boltzmann equation with Maxwellian molecules. We obtain new results concerning the existence of eternal solutions in the space of probability measure with infinite energy (i.e. the second order moment is infinite). These solutions describe the asymptotic behaviour of other infinite energy solutions but could also be useful in the study of intermediate asymptotic states of solutions with finite but arbitrarily large energy. We use harmonic analysis tools to study the equation, where the velocity variable is expressed in the Fourier space. Finally, a logarithmic scaling of the time variable allows to determine the correct asymptotic scaling of the solutions

This dissertation presents the development of an anisotropic viscoplastic continuum damage model to describe the permanent deformation of asphalt pavements. The model is developed to account for several phenomena that influence the permanent deformation of Asphalt Concrete (AC) at high temperatures. These phenomena include strain rate dependency, confining pressure dependency, dilation, aggregate friction, anisotropy, and damage. The model is based on Perzyna's theory of viscoplasticity with Drucker-Prager yield function modified to account for the microstructure anisotropy and damage. A parametric study was conducted to study the effect of key factors such as inherent anisotropy and damage on the model response. A preliminary investigation was conducted to demonstrate the capabilities of the model and its sensitivity to changes in the microstructure distribution and loading conditions. The model was used to describe laboratory experimental measurements obtained from the Federal Highway Administration (FHWA) Accelerated Loading Facility (ALF). The model had a good match with these experimental measurements. In particular, using the damage parameter, the model was able to capture the point at which AC experienced tertiary creep in a static creep test. A comprehensive experiment was conducted to systematically determine the model parameters and the evolution laws that describe AC hardening, anisotropy, and damage. The experiment consisted of a set of compressive triaxial strength tests conducted at three confining pressures and five strain rates. Based on these experimental measurements, the model was modified to include a nonassociated flow rule. The model was shown to capture the experimental measurements very well. Furthermore, an experiment was conducted to capture and characterize damage evolution in AC due to permanent deformation. AC specimens were loaded using a triaxial compression setup to four predefined strain levels at three confining pressures. X-Ray computed tomography and image analysis techniques were used to capture and characterize the evolution of cracks and air voids in the deformed specimens. Damage was found to be a localized phenomenon in the sense that there exists a critical section in an AC specimen that is mainly responsible for failure. The results of the damage experiment supported the damage evolution function proposed in the viscoplastic model.