Déformation diffuse et localisée dans les roches et les sols

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Jul 18, 2012 (5 years and 3 months ago)

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Fiches thématiques : Conseil Scientifique du 07/11/2007
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Déformation diffuse et localisée dans les roches et les sols

Le thème reste au cœur de la problématique de l’équipe GDR. Il se décline en plusieurs actions :
Le projet « biaxial roches », qui a fait l’objet dans le quadriennal précédent d’une demande ACI
« Jeunes chercheurs » sous la direction de P. Bésuelle. Ce projet est conséquent sur le plan matériel (budget 100
kEuros), et ambitieux sur le plan technologique puisqu’il a visé à développer un appareil permettant à la fois la
visualisation quantitative (photomécanique, mesures de champs) comme dans notre biaxial sols, et l’application
de fortes pressions de confinement (100 MPa) comme dans notre triaxial roches tendres. L’appareil est en cours
d’assemblage actuellement.
La tomographie à rayons X a fait partie de nos méthodes d’analyse depuis longtemps (années 80,
collab. LMA Marseille) ; nous avons maintenant une expérience de six ans d’utilisation de rayonnement
synchrotron à l’ESRF de Grenoble pour analyser par micro tomographie les mécanismes de la localisation à
petite échelle dans les milieux fins tels que les marnes ou les argilites et les milieux granulaires (sable) –
campagne juillet 2007. L’acquisition en cours d’un tomographe multi-échelles permettra de poursuivre dans
cette direction avec des disponibilités bien plus grandes qu’à l’ESRF. L’association de la tomographie avec la
corrélation d’image 3D avait été initiée en 2005 en collaboration avec M. Bornert au LMS-X. Cette avancée
révolutionne l’exploitation des images de tomographie, elle permet d’en extraire les champs cinématiques 3D
incrémentaux. Un code maison est maintenant disponible, ce code a été développé par S. Hall, avec quelques
variantes par rapport au code du LMS.
Simultanément le biaxial sols existant est toujours utilisé pour de nouvelles campagnes d’essai sur
différentes roches tendres. Des études sur une argile structurée (scaley clay, coll. C. Vitone) et une ‘quick clay’
(coll. V. Thakur) ont été menées. Par ailleurs, une étude a été réalisée sur la propagation et la coalescence de la
fissuration dans un tuf (thèse F. de Sanctis). Ont été associées des mesures d’émissions acoustiques et des
mesures de champs de déplacement par corrélation d’images numériques. Un algorithme sur l’analyse de saut de
déplacement de part et d’autre des lèvres d’une fissure a aussi été spécialement développé. D’autre part, reste en
projet, dans le prolongement des études préliminaires déjà effectuées au triaxial axisymétrique, pour explorer la
nature de la réponse, diffuse ou localisée, des essais réputés instables sur sable lâche avec contrôle mixte en
force-déplacement.
L’association de mesures d’émissions acoustiques (EA) avec des mesures photomécaniques (champs
cinématiques) nous permet déjà de caractériser l’endommagement localisé par micro fissuration dans les roches
tendres. L’extension de ce cadre expérimental aux mesures actives des vitesses des ondes ultrasonores a
progressé par l’achat de matériel d’acquisition (financement PPF DySCo). Nous développons une approche de
caractérisation de champs de vitesse de propagation (tomographie ultra sonore) avec, à notre actif, le
développement de bancs de mesure pour échantillons prismatiques et cylindriques, et l’initiation d’une
collaboration avec P. Roux (acousticien au LGIT). Ces méthodologies seront applicables aussi dans le biaxial
roches (capteurs développés et passage étanches prévus) – sujet de thèse de E. Charalampidou – ainsi que pour
des essais de fissuration – sujet de thèse de T.L. Nguyen.
Le fluage stimulé est une étude entreprise au cours du précédent quadriennal comme une tentative
pour aborder le challenge de la caractérisation du comportement des roches argileuses aux grandes échelles de
temps. Le contexte est celui des stockages souterrains (GdR Forpro). Le principe de cette étude, qui vise à
accélérer le phénomène de fluage par une modulation plus ou moins forte de la charge de fluage appliquée, est
en bonne voie de validation au vu des résultats en cours d’acquisition sur l’argilite de l’Est. Les trois bâtis de
fluage stimulé sont désormais opérationnels, en vue d’une étude intensive.
Ces activités expérimentales (localisation, comportement différés) se font en association avec des
travaux de modélisation (présentés avec les thèmes ‘milieux enrichis’ et ‘double échelles’).

Equipe impliquée
: Géomatériaux, Déformation et Rupture (GDR)

Chercheurs permanents impliqués
: Pierre Bésuelle, Cristian Dascalu, Jacques Desrues, Steve Hall,
Cino Viggiani.

Personnels techniques impliqués
: Pascal Charrier, Christophe Rousseau.

Doctorants et Post Doc impliqués
:
Post Doc. : Nicolas Lenoir.
Doctorants :
Elma Charalampidou, thèse en cotutelle avec financement Univ. Herriot-Watt, encadrants : C. Viggiani, S.
Hall, P. Bésuelle.
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Tuong Lam Nguyen, thèse Macodev, encadrants : C. Viggiani, S. Hall.
Aleksandra Wrzesniak, thèse Andra, encadrants : C. Dascalu, P. Bésuelle.

Ressources financières : (Contrats – ANR – Bourses de thèse – Post Doc)

Contrat Andra GL ‘Géomécanique’ GM4T1 (2007-2010, 285 k€), contrat ACI jeunes chercheurs (2003-2006,
85k€), PPF Dysco (15 k€), ESRF (9 shifts en juillet 2007), thèse Macodev, thèse ANDRA.

Collaborations extérieures
:
Michel BORNERT (LMS-X), Gary COUPLES & Helen LEWIS (Herriot-Watt University, Ecosse), Fiorenza di
SANCTIS (Université de Naples), Philippe ROUX (LGIT), Vikas THAKUR (NTNU, Norvège), Pierre VACHER
(SYMME, Annecy), Claudia VITONE (Université de Bari).

Besoins spécifiques acquis ou en perspective (BQR, moyen technique, personnel, etc.) :

Appareil Biaxial Roches, Tomographe multi-échelles (dans le cadre de l’ANR blanche Micromodex), post-doc
de 15 mois prévu.

Valorisation (thèses, publications, etc.)
:
Thèses :
Lenoir (2006) : Comportement mécanique et rupture dans les roches argileuses étudiés par tomographie à
rayons X, thèse UJF, encadrants : C. Viggiani, J. Desrues, P. Bésuelle.
Fiorenza di Sanctis (2005), Studio dei meccanismi di rottura fragile nel tufo Napoletano, Ph.D. Thesis,
Università di Napoli Federico II, Napoli, Italy, encadrant : C. Viggiani.
Articles internationaux :
Bésuelle P. and Rudnicki J.W., 2004, Localization: Shear Bands and Compaction bands. In Mechanics of
Fluid-Saturated Rocks. Guéguen Y. and Boutéca M. edts, pp. 219-321, Academic Press.
Desrues J. (2005) Hydro-mechanical coupling and strain Localization in saturated porous media, Revue
Européenne de Génie Civil vol.9 No 5-6/2005, pp. 619-634.
Desrues J., Georgopoulos I. O. (2006) An investigation of diffuse failure modes in undrained triaxial tests on
loose sand, Soils and Foundations vol. 46 No 5, pp. 587-596.
Desrues J., Viggiani G. and Bésuelle P., 2006, Advances in X-ray Tomography for Geomaterials, ISTE pub.,
452 pages.
Desrues J., Bésuelle P., Lewis H. (2007) Strain localization in geomaterials, Geological Society of London
Special Publications.
Guéguen Y., Bésuelle P. (2007) Damage and Localisation: 2 key concepts in rock deformation studies,
Geological Society of London Special Publications.
Hall S., Lewis, H., Macle, X. (2005) Seismic identification of faults and inter-fault damage, Geol. Soc.
Special Publications.
Hall S., de Sanctis F., Viggiani G. (2006) Monitoring fracture propagation in a soft rock (Neapolitan Tuff)
using acoustic emissions and digital images, Pure and Applied Geophysics vol.163 , pp. 2171-2204.
Hall S. (2006) A methodology for 7D warping and deformation monitoring, Geophysics vol.71 No 4, pp.
O21-O31.
Lenoir N., Bornert M., Desrues J., Bésuelle P., Viggiani G. (2007) 3D digital image correlation applied to X-
ray micro tomography images from triaxial compression tests on argillaceous rock, Strain vol.43 No 3, pp.
193-205.
Masin D., Tamagnini C., Viggiani G., Costanzo D. (2005) Directional response of a reconstituted fine-
grained soil. Part II: performance of different constitutive models, International Journal for Numerical and
Analytical Methods in Geomechanics.
Tamagnini C., Calvetti F., Viggiani G. (2005) An assessment of plasticity theories for modelling the
incrementally non-linear behavior of granular soils, Journal of Engineering Mathematics vol.52 No 1, pp.
265-291.

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Modélisations à double échelle et expérimentations dans des matériaux à microstructure

Cette thématique concerne à la fois les milieux granulaires, et les milieux cohésifs micro-fissurés. Elle est
fortement associée à deux actions de recherche soutenues, l’une par l’ANR Blanche « MicroModex » dédiée à la
modélisation des milieux granulaires, et l’autre par l’ANDRA pour l’étude de la génèse et de l’évolution de la zone
endommagée autour des ouvrages de stockage des déchets nucléaires (EDZ).
Exploration expérimentale de la microstructure des milieux granulaires
: L’action ANR MicroModex comporte
l’objectif ambitieux de la caractérisation exhaustive de l’évolution d’une assemblée de grains constituant un
échantillon de sable soumis à un essai triaxial, à l’aide de la tomographie à rayons X. Pour ce faire, nous avons
entrepris la définition et la mise en chantier d’une installation de tomographie « multi-échelles » adaptée à cet
objectif, et parallèlement à d’autres objectifs de caractérisation du comportement des matériaux et des structures qui
intéressent notre équipe et le laboratoire 3S-R, et ses partenaires scientifiques et industriels. Cet appareil est
maintenant en fabrication, il doit être installé mi janvier 2008. Dans ce même esprit, nous avons obtenu de premiers
résultats sur milieu granulaire en mettant à profit un projet ESRF déposé avec succès pour l’année 2007. Nous
travaillons également à l’application de la corrélation d’images numériques 3D pour le cas d’une assemblée de
grains, qui se distingue du traitement en milieu continu utilisé par N. Lenoir lors de sa thèse.
Des travaux sur milieu granulaire 2D dans l’appareil de cisaillement à rotation d’axes 12 associés à de la
corrélation d’image à l’échelle micro et macro sont également menés sur des assemblées de grains (coll. Univ.
Bristol et Univ. Napoli).
Modélisation par homogénéisation des milieux micro-fissurés
: Nous avons développé une approche de changement
d’échelle, basée sur des développements asymptotiques, pour la modélisation de l’endommagement évolutif à partir
d’une microstructure avec des fissures en propagation. Le modèle macroscopique obtenu par homogénéisation est
capable de prédire des effets d’échelle micro et macro-structuraux. Il est également capable de décrire l’initiation
des macro-fissures et une modélisation numérique avec des éléments finis étendus (X-FEM) a été implémentée pour
la description de l’apparition et la propagation des fissures au niveau de la (macro) structure.
Les travaux en cours portent sur l’extension du modèle 2D au cas 3D, en vue de la modélisation de la rupture en
chevrons autour des galeries souterraines de stockage de déchets radioactifs. Dans le même contexte, une approche
de comportement différé d’endommagement est obtenue à partir d’un modèle de fissuration sous-critique au niveau
de la microstructure. On étudie également l’extension du modèle quasi-statique au cas dynamique et le lien avec les
émissions acoustiques dues à la rupture aux différentes échelles. Cette approche vise les applications aux problèmes
de stockage souterrain de CO
2
.
En parallèle avec la modélisation par homogénéisation asymptotique, nous avons développé une modélisation des
milieux micro-fissurés par homogénéisation numérique, de type EF
2
. Au niveau microstructural un réseau de
microfissures cohésives est considéré. Le comportement macroscopique est complètement régi par des échanges de
localisation/homogénéisation avec la microstructure. Nous avons identifié des liens entre les instabilités micro-
mécaniques, au niveau des interfaces cohésives, et l’apparition du comportement instable macroscopique. Des effets
d’échelle ont été identifiés comme conséquences des comportements de rupture microscopique. Une extension
hydro-mécanique de cette approche est en cours. Le réseau de micro-fissures permet la circulation d’un fluide.
L’objectif de cette approche est la prédiction de l’interaction endommagement - perméabilité macroscopique dans
les roches argileuses, en lien avec les applications aux problèmes de stockage de déchets nucléaires.
Modélisation multi-échelle des milieux granulaires
: Dans l’esprit de modélisation à deux échelles, par
homogénéisation numérique, nous développons un schéma EF-ED en vue de la modélisation du comportement
macroscopique des micro-structures granulaires. L’utilisation des éléments discrets au niveau microstructural nous
permet de considérer des VER réalistes, avec un nombre de grains élevé. Le lien entre les modélisations discrète et
continue nécessite des techniques de régularisation des fluctuations d’origine microscopique. Le modèle prédit des
comportements macrostructuraux instables et permet leur explication par les évolutions au niveau de la
microstructure. Les analyses locales macroscopiques effectuées jusqu’à présent seront complétées par des calculs
globaux micro-macro. Des techniques de parallèlisation du code EF-ED ont été implémentées pour se rendre à des
temps de calcul acceptables.
Modélisation des écoulements non saturés dans les milieux à double porosité
: Par « milieux à double porosité » on
entend une classe des matériaux poreux, caractérisée par une distribution des tailles des pores bi-modale (exemple :
roche argileuse fissurée). Pour ce type de matériaux nous avons étudié le transfert hydrique en conditions non
saturées (problème fortement non linéaire), en utilisant la méthode de l’homogénéisation périodique. Récemment,
nous avons formulé un modèle généralisé qui décrit l’écoulement non saturé dans les conditions générales de
l’équilibre/non équilibre local. Un code de calcul associé à ce modèle a été développé, il permet les calculs à deux
échelles couplées. La validation expérimentale à été effectuée sur un modèle physique à double porosité et
périodique. Le modèle du comportement hydrique peut être couplé avec un modèle du comportement mécanique
pour formuler un modèle complet hydro-mécanique.
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Equipe impliquée
: Géomatériaux, Déformation et Rupture (GDR)

Chercheurs permanents impliqués
: Pierre Bésuelle, Denis Caillerie, René Chambon, Cristian Dascalu,
Jacques Desrues, Steve Hall, Jola Lewandowska, Cino Viggiani.

Personnels techniques impliqués
: Rémi Cailletaud.

Doctorants et Post Doc impliqués
:
Post-doc :
Eleni Agiasofitou (Post-doc MENRT, 2005)
Gabriela Bilbie (Post-doc ANR MicroModex, 2007-2008)
Christina Grentzelou (Post-doc CNRS, 2007-2008)
Nicolas Lenoir
Doctorants :
Michal Nitka, thèse MENRT, encadrants : J. Desrues, C. Dascalu, G. Combe.
Anca Dobrovat, thèse BDI CNRS – BP Norvège, encadrants C. Dascalu, S. Hall.
Jérémy Frey, thèse ANDRA, encadrants : C. Dascalu, R. Chambon.
Aleksandra Wrzesniak (doctorant) thèse ANDRA, encadrants : C. Dascalu, P. Bésuelle.

Ressources financières : (Contrats – ANR – Bourses de thèse – Post Doc)

ANR non thématique ‘MicroModex’ (2005-2008, 285 k€), Contrat Andra GL ‘Géomécanique’ GM4T2 & GM5
(2007-2010, 105+159 k€), BQR INP (2007, 30k€), FédéRAMS (2007, 10k€).

Collaborations extérieures
: Gaël COMBE (équipe GEO), Alessandro FLORA (Univ. Naples), David MUIR
WOOD et Erdin IBRAHIM (Univ. Bristol).

Besoins spécifiques acquis ou en perspective (BQR, moyen technique, personnel, etc.)
:
Moyens de calcul à acquérir.

Valorisation (thèses, publications)
:
Thèse :
G. Bilbie (2007) “Modélisation multi-échelle de l’endommagement et de la rupture dans les milieux (quasi-)
fragiles”, encadrant : C. Dascalu.
Articles internationaux :
Agiasofitou E. and Dascalu C. “Material forces in microfractured bodies”, Archive of Applied Mechanics,
vol. 77, no. 2-3 (2006), p. 75-84.
Bilbie G., Dascalu C., Chambon R. and Caillerie D. “Micro-fracture instabilities in granular solids” Acta
Geotechnica 2007 (accepté).
Dascalu C., Bilbie G. and Agiasofitou E. « Damage and size effects in solids: a homogenization approach »
Int. J. Solids Structures 2007 (accepté).
Desrues J., Viggiani G. and Bésuelle P., 2006, Advances in X-ray Tomography for Geomaterials, ISTE pub.,
452 pages.
Lenoir N., Bornert Michel, Desrues J., Bésuelle P., Viggiani G. (2007) 3D digital image correlation applied
to X-ray micro tomography images from triaxial compression tests on argillaceous rock, Strain vol.43 No 3,
pp. 193-205.
Lewandowska J., Szymkiewicz A., Gorczewska W., Vauclin M., 2005, Infiltration in a double-porosity soil:
Experiments and comparison with a theoretical model. Water Resources Research, 41, W02022.
Lewandowska, J., Tran Ngoc, T. D., Vauclin M., Bertin H., 2007, Water drainage in double-porosity soils:
experiments and micro-macro modelling (ASCE J. Geotechnical and Geoenvironmental Engng, sous presse).
Saouma V., De Sanctis F., Denarié E., Viggiani G. (2005) Non-linear Fracture Mechanics Testing of Rock:
Application to Fine Grained Tuff, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences.
Szymkiewicz A., Lewandowska J., Angulo-Jaramillo R., Butlanska J., 2007, Two-scale modeling of
unsaturated water flow in double porosity medium under axi-symmetric conditions. (Canadian Geotechnical
Journal, sous presse).
Ursescu A., Dascalu C. (2006) Thermally conductive cracks in anisotropic solids, Archive of Applied
Mechanics vol.75 No 8-9, pp. 541-551.
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Couplages thermo-hydro-chimio-mécaniques dans les roches argileuses

Cette thématique concerne les couplages chimiques, thermiques et hydro-mécaniques dans les roches argileuses.
Elle comprend des actions expérimentales et des actions de modélisation. Elle est fortement associée à deux
actions de recherche concernant les zones endommagées autour des ouvrages de stockage des déchets nucléaires
(EDZ). Elles sont soutenues, l’une, par la communauté européenne (projet « Timodaz » couplages THM), et
l’autre par l’ANDRA (couplage HM dans les zones endommagées et cicatrisation chimique des zones
fracturées).
Couplages thermo-hydro-mécaniques
: Le projet d’étude du couplage entre perméabilité et rupture dans le
contexte des roches argileuses soumises à un endommagement plus ou moins sévère, jusqu’à la rupture, est une
action importante de l’équipe GDR depuis plusieurs années. Le projet européen SELFRAC (FRACtures and
SELF-healing within the excavation disturbed zone in clays), auquel nous avons participé entre 2002 et 2005, a
été suffisamment fructueux pour que son leader (SCK-CEN, agence belge pour la gestion de déchets nucléaires)
engage immédiatement un nouveau projet dans le cadre du 6
ième
PCRD : le projet TIMODAZ (Thermal IMpact
On the DAmaged Zone around a radioactive waste disposal in clay host rocks). Ce projet, qui a démarré en
octobre 2006 pour une durée de quatre ans, ajoute au cadre précédent les effets de couplage thermomécanique.
Notre contribution au projet TIMODAZ comporte un volet expérimental et un volet numérique. Sur la partie
expérimentale, nous mettons en œuvre notre installation d’essais triaxiaux haute pression, qui a été adaptée pour
l’application de charges thermiques (de l’ordre de 80°C). Plus précisément, nous allons étudier d’une part les
effets d’une charge thermique sur l’endommagement produit par l’excavation, et d’autre part l’endommagement
éventuellement créé par la charge thermique elle-même. Sur le volet numérique (cf. aussi thème ‘milieux
enrichis’), nous sommes attendus sur notre capacité à mettre en œuvre nos approches de second gradient couplés
THM pour la modélisation aux éléments finis d’expériences in situ à grande échelle réalisées dans les
laboratoires souterrains partenaires. Les matériaux de l’étude sont l’argile de Boom (à Mol en Belgique) et
l’argile à Opalinus (à Mont Terri en Suisse). Dans les deux cas, les observations et les mesures in situ montrent
clairement que l’endommagement produit autour des galeries est fortement localisé (fractures), d’où la
pertinence d’une approche de second gradient. Le défi de la modélisation consiste à gérer les divers couplages
tout en décrivant de manière objective (i.e., indépendant du maillage) un champ de déformation qui est fortement
localisé et qui évolue au cours du temps.
Micro essais hydromécaniques
: Sur la période précédente, nous avons mis au point un dispositif de mesure de la
perméabilité en cours de chargement, dans les roches argileuses sur de petits échantillons, dans le but de
quantifier les variations de perméabilité induites par l'endommagement diffus ou localisé (thèse ANDRA N.
Lenoir). L’intérêt d’une taille réduite d'échantillon (quelques millimètres au lieu de quelques centimètres) est de
diminuer les temps de mesure très significativement, tout en respectant certains critères de qualité sur les essais
mécaniques (par exemple une taille du volume élémentaire raisonnable compte tenu de la microstructure du
matériau). Cette étude va être poursuivie dans le cadre d’un nouveau contrat ANDRA. Des essais drainés avec
mesure de la perméabilité en cours de chargement mécaniques (jusqu’à quelques dizaines de MPa) seront
effectués sur l’argilite du laboratoire souterrain de Bure.
Couplages hydro-chimiques dans les milieux à double porosité et non saturés
: Après avoir formulé un modèle
généralisé de l’écoulement non-saturé dans les milieux à double porosité (équilibre / non équilibre local) nous
étudions le couplage hydro-chimique (thèse T.D. Tran Ngoc). Le travail comprend trois volets : le
développement des modèles macroscopiques, la modélisation numérique et la validation expérimentale sur le
modèle physique (collaboration avec H. Bertin, TREFLE, Bordeaux). Les modèles couplés écoulement d’eau –
transport chimique ont été développés. L’implémentation numérique est en cours. Une campagne d’expérience
du transport de traceur NaCl, avec les mesures du champ de saturation en eau (atténuation de rayonnement
gamma), de la pression capillaire (tensiomètres) et de la concentration (densimètre), a été effectuée. Ces travaux
peuvent contribuer au développement des modèles de comportement des matériaux complexes, tels que les
argiles gonflantes.
Evolution d’une fracture sous écoulement chimiquement actif
: Une action interdisciplinaire géochimie-
géomécanique est lancée en collaboration avec le LGIT, en partenariat avec l’ANDRA dans le cadre des deux
groupements de laboratoires « transfert » et « géomécanique ». Il s’agit d’une étude expérimentale de l’action de
fluides actifs percolant dans une roche argileuse préalablement endommagée mécaniquement : effet d’épisodes
oxydants, réducteurs ou hyperalcalins sur la fermeture d’une fissure de type EDZ. L’étude met en œuvre des
moyens d’observation avancés, la tomographie à rayons X de la microfluorescence X, elle suppose la réalisation
de cellules de confinement permettant de gérer la percolation des fluides sur des temps longs (semaines ou mois)
avec mise en cabine de tomographie à intervalles réguliers.
Equipe impliquée
: Géomatériaux, Déformation et Rupture (GDR)

Fiches thématiques : Conseil Scientifique du 07/11/2007
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Chercheurs permanents impliqués
: Pierre Bésuelle, René Chambon, Cristian Dascalu, Jacques
Desrues, Steve Hall, Jola Lewandowska, Yannick Sieffert, Cino Viggiani.

Personnels techniques impliqués
: Pascal Charrier, Christophe Rousseau.

Doctorants et Post Doc impliqués
:
Nicolas Lenoir (post-doc)
1 post-doc ou doctorant ANDRA 18 mois (à recruter en 2008)
1 post-doc ANDRA 12 mois (à recruter en 2008)
T.D. Tran Ngoc (doctorant) LTHE, thèse BDI pays en développement CNRS, encadrant : Lewandowska.

Ressources financières : (Contrats – ANR – Bourses de thèse – Post Doc)

Projet Européen Timodaz (2006-2010, 170k€ en commun thème ‘localisation’), contrat Andra GL
‘Géomécanique’ GM3 (2007-2010, 209 k€), contrat Andra GL ‘Transfert & Géomécanique’ GM8 (2007-2011,
183 k€).

Collaborations extérieures
:
Les 13 autres partenaires européens du projet TIMODAZ (en particulier, nous avons des collaborations très
étroites avec Robert CHARLIER et Frédéric COLLIN de l’Université de Liège) ; dans le cadre du contrat ANDRA
GM8, nous collaborons avec le LGIT de Grenoble (notamment avec Laurent CHARLET et Alexandre
SIMIONOVICI) ; Henri BERTIN (Laboratoire TREFLE Bordeaux) ; Réseau GDR "Hydrodynamique et Transferts
dans les Hydrosystèmes Souterrains" HTHS (resp. : Fred DELAY, HYDRASA Poitiers).

Besoins spécifiques acquis ou en perspective (BQR, moyen technique, personnel, etc.)
:
Expérimentaux (Equipement, m
2
de locaux dont certains climatisés), moyens de calcul, moyens humains (aides
techniques, doctorants et post-doctorants à recruter).

Valorisation (thèses, publications)
:
Thèses :
Cécile Coll (2005), Endommagement des roches argileuses et perméabilité induite au voisinage d'ouvrages
souterrains. Thèse UJF, encadrants : J. Desrues, P. Bésuelle, C. Viggiani.
Lenoir (2006), Comportement mécanique et rupture dans les roches argileuses étudiés par micro tomographie
à rayons X. Thèse UJF/ANDRA, C. Viggiani , J. Desrues, P. Bésuelle.
Articles internationaux :
Bésuelle P. and Rudnicki J.W., 2004, Localization: Shear Bands and Compaction bands. In Mechanics of
Fluid-Saturated Rocks. Guéguen Y. and Boutéca M. edts, pp. 219-321, Academic Press
Collin F., Chambon R., Charlier R. (2005) – A finite element method for poro mechanical modelling of
geotechnical problems using local second gradient models. International Journal for Numerical Methods in
Engineering, 65:11, 1749-1772.
Hall S.A., de Sanctis F., Viggiani G. (2006) – Monitoring fracture propagation in a soft rock (Neapolitan
Tuff) using acoustic emissions and digital images. Pure and Applied Geophysics, 163, 2171–2204.
Lenoir N., Bornert M., Desrues J., Bésuelle P., Viggiani G. (2007) – Volumetric digital image correlation
applied to X-ray microtomography images from triaxial compression tests on argillaceous rocks. Strain,
International Journal for Experimental Mechanics, 43, 3, 193-205.
Lewandowska J., Tran Ngoc T. D., Vauclin M., Bertin H. (2007) - Water drainage in double-porosity soils:
experiments and micro-macro modelling. ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering
(in press)
Szymkiewicz A., Lewandowska J., Angulo-Jaramillo R., Butlanska J. (2007) - Two-scale modeling of
unsaturated water flow in double porosity medium under axi-symmetric conditions. Canadian Geotechnical
Journal (in press).

Fiches thématiques : Conseil Scientifique du 07/11/2007
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Lois de comportement, modèles enrichis et bifurcation dans les problèmes aux limites


On sait désormais que la modélisation de la rupture localisée des géomatériaux induit des difficultés
insurmontables dans le cadre de la MMC classique. C’est pourquoi nous avons développé, et implémenté dans
notre code de calcul de référence (LAGAMINE), un modèle de second gradient (local) appartenant à la famille des
milieux avec microstructure. Nous projetons de continuer ces développements dans différentes directions :
- Concernant l’unicité des solutions, par l’utilisation systématique de la généralisation aux modèles de
second gradient de notre algorithme de recherche de solutions alternatives (en cas de possible bifurcation)
en comparaison avec les résultats issus de recherche de modes propres associés à des valeurs propres nulles
ou négatives de la matrice consistante du problème en vitesse.
- Concernant les conditions aux limites par l’étude théorique de solutions analytiques en géométrie simple
(élasticité dans un premier temps puis élasto-plasticité) et d’autre par l’implémentation de conditions aux
limites générales afin de traiter les problèmes faisant intervenir des phénomènes de surface.
- Concernant les solutions numériques, des algorithmes de type longueur d’arc et remaillage seront activés
afin de traiter plus efficacement le suivi de la post localisation. Un passage consistant de la localisation à la
rupture totale est également en début d’étude.
L’application de l’ensemble de nos outils (incluant notre algorithme de recherche de solutions
alternatives en cas de possible bifurcation) sur les problèmes couplés (HM et THM, en saturé comme en non
saturé) est entrepris dans le cadre du projet TIMODAZ comme dans le cadre de notre collaboration avec EDF
(Thèse R. Fernandes). Les applications visées concernent des problèmes tels que l’endommagement localisé
autour d’une galerie pour le stockage des déchets nucléaires. Des études plus théoriques sur la bifurcation des
problèmes couplés sont également envisagées.
Le cadre second gradient local a l’avantage de pouvoir être développé à la fois en découplant les
parties classiques et second gradient mais aussi en considérant un couplage entre ces deux parties. Il est donc
envisagé dans le premier cas de continuer l’application de nos outils à des modèles élastoplastiques et
hypoplastiques (CLoE) classiques ainsi qu’aux lois implicites issues de modélisation multi-échelles (partie
premier gradient du modèle complet). Enfin un modèle d’endommagement couplant les parties classique et
second gradient du modèle (généralisation du modèle de Mazars) sera développé avec en vue des applications au
matériau béton (travail en commun avec P. Kotronis de l’équipe RV).

Equipe impliquée
: Géomatériaux, Déformation et Rupture (GDR)

Chercheurs permanents impliqués
: Pierre Bésuelle, Denis Caillerie, René Chambon, Jacques Desrues,
Yannick Sieffert, Cino Viggiani.

Personnels techniques impliqués
: Rémi Cailletaud.

Doctorants et Post Doc impliqués
:
Roméo Fernandes (doctorant) thèse financement EDF.

Ressources financières : (Contrats – ANR – Bourses de thèse – Post Doc)

Projet Européen Timodaz (2006-2010, 170k€ en commun avec le thème ‘couplage’), Contrat EDF (Thèse R.
Fernandes, 2006-2009, 12 k€), Contrat GdR MoMaS (12 k€), Délégation CNRS de R. CHAMBON.

Collaborations extérieures
:
Robert CHARLIER & Frédéric COLLIN (Université de Liège), Clément CHAVANT (LAMSID Clamart UMR 2832),
Panos KOTRONIS (équipe RV), David MASIN (Université de Prague)

Besoins spécifiques acquis ou en perspective (BQR, moyen technique, personnel, etc.)
:
Thésard sur les problèmes de THM à recruter, moyens de calcul à acquérir




Fiches thématiques : Conseil Scientifique du 07/11/2007
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Valorisation (thèses, publications)
:

Articles internationaux :
Bésuelle P. and Rudnicki J.W., 2004, Localization: Shear Bands and Compaction bands. In Mechanics of
Fluid-Saturated Rocks. Guéguen Y. and Boutéca M. edts, pp. 219-321, Academic Press.
Bésuelle P., Chambon R., Collin F. (2006) Switching deformation modes in post-localization solutions with a
quasibrittle material, Journal of Mechanics of Materials and Structures vol.1 No 7, pp. 1115-1134.
Caillerie D., Chambon R. (2004) Existence and uniqueness for rate problems of geomechanics: application to
elasoplastic and hypoplastic (CLoE) models, Revue Française de Génie Civil vol.8 No 5-6, pp. 537-561.
Chambon R., Moullet J.C. (2004) Uniqueness studies in boundary value problems involving some second
gradient models, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering vol.193 , pp. 2771-2796.
Chambon R. (2004) Discussion about the paper "Shear stress and objective rate in hypoplasticity" by D.
Kolymbas, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics vol.28 , pp. 365-
372.
Chambon R., Caillerie D., Tamagnini C. (2004) A Strain Space Gradient Plasticity Theory for Finite Strain,
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering vol.193 , pp. 2797-2826.
Chambon R., Caillerie D., Viggiani G. (2004) Loss of uniqueness and bifurcation vs instability: some
remarks, Revue française de Génie Civil vol.8 No 5-6, pp. 517-535.
Chambon R. (2005) Some theoretical results about second order work, uniqueness, existence and
controllability independent of the constitutive equation, Journal of Engineering Mathematics vol.52 , pp. 53-
61.
Collin, F., Chambon R., Charlier R. (2006) A finite element method for poro-mechanical modelling of
geotechnical problems using local second gradient models, International Journal for Numerical Methods in
Engineering vol.65 No 11, pp. 1749-1772.
Lanier J., Caillerie D., Chambon R., Viggiani G., Bésuelle P., Desrues J. (2004) A general formulation of
hypoplasticity, Int. J. for Num. & Anal. Meth. in Geomechanics vol.28 No 15, pp. 1461-1478.