Development and application of time-lapse ultrasonic tomography for laboratory characterisation of localized deformation in hard soils / soft rocks

Caractérisation des mécanismes de déformation inélastique de sols durs / roches tendres par imagerie ultrasonore avancé Les processus de localisation de la déformation sont la clé du comportement mécanique des roches et des sols car ils sont, par exemple, souvent précurseurs de la rupture des matériaux. Par conséquent, la compréhension des processus qui conduisent à la localisation de la déformation, et donc à la rupture, dans les géomatériaux est essentielle pour la réussite d'un grand nombre de projets d'ingénierie géotechnique. Ce travail est centré sur l’étude des sols durs, roches tendres et matériaux granulaires cimentés. Dans ce cas, la localisation de la déformation est souvent associée à des phénomènes de fracturation à différentes échelles. Les macrofractures sont généralement entourées de méso et micro fractures et leur propagation est précédée d’une zone de processus; la microfissuration, qui caractérise cette zone, peut être identifiée comme endommagement car cela affecte les propriétés mécaniques du matériau. Les bandes de cisaillement ou de compaction sont souvent associées à des microfissures et elles peuvent également être considérées comme de la localisation d’endommagement. Dans le cadre de la mécanique des roches, l’endommagement peut être causé par des phénomènes de détachement (rupture du ciment) et écrasement des grains. Pour étudier les phénomènes de localisation de la déformation et de l'endommagement, une sorte de mesure de champ non destructive doit être mis en place. Des techniques bien connues dans la géomécanique comprennent la tomographie par rayons X pour étudier la structure des matériels, et la corrélation d'image numérique (DIC) des images 2D ou 3D (volumes), pour étudier le champ de déformation. La DIC est un outil très puissant pour l’étude des phénomènes hétérogènes mais fournit uniquement des données sur la cinématique. Dans cette thèse, nous suggérons l’utilisation d’un autre outil, la tomographie ultrasonore, qui permet la mesure du champ de la vitesse ultrasonique dans un échantillon, ainsi que ses propriétés élastiques, en exploitant la théorie de la propagation des ondes. La tomographie ultrasonore, utilisée comme technique complémentaire de la DIC et d'autres mesures de champ, peut donc fournir de nouvelles informations pour comprendre les processus de déformation. Dans la mécanique des sols et des roches des méthodes acoustiques et ultrasoniques ont été largement utilisées pour mesurer les propriétés élastiques, y compris pendant les essais mécaniques. Cependant, ces mesures ont été limitées à un petit nombre limitant ainsi l'étude des hétérogénéités. La tomographie ultrasonore peut surmonter cette limitation en fournissant une carte des propriétés élastiques. La principale contribution de ce travail est le développement de la tomographie ultrasonore comme technique de mesure de champ pour tester les géomatériaux et son application dans une vaste campagne expérimentale. Des tests ont été effectués sur différents matériaux et dans différentes conditions, y compris pendant le chargement et la tomographie ultrasonore a été comparée avec les résultats obtenus par DIC ainsi que par tomographie à rayons X. Une comparaison entre DIC et tomographie ultrasonore indique que la vitesse de propagation subit des modifications importantes à un niveau de chargement pour lequel la DIC ne présente aucune déformation notable. Puisque la tomographie ultrasonore est sensible aux variations des propriétés élastiques, à savoir l’endommagement, il peut être conclu que le niveau de déformation nécessaire pour causer de l’endommagement dans ce matériau est inférieur à la résolution de la DIC. De plus, la tomographie ultrasonore semble être capable de détecter la zone de processus qui précède la fracture, et donc d’indiquer sa direction de propagation. Les différentes techniques utilisées dans ce travail fournissent des informations différentes et complémentaires. Grâce à leur combinaison, une meilleure compréhension du comportement mécanique des géomatériaux peut être acquise.