Quantifier l'évolution du tissu du sol lors du cisaillement à l'aide de paramètres scalaires (1)

  INTRODUCTION

  En géomécanique, la densité de tassement du sol est généralement mesurée à l'échelle macro via la masse et le volume de l'échantillon et est quantifiée en tant que taux de vide (e), volume spécifique (v) ou porosité (n). Pour les sables, la densité de remplissage joue un rôle importantrôle important dans la détermination de la réponse mécanique (par exemple, comme indiqué dans le paramètre d’état: Wroth et Bassett, 1965; Been et Jefferies, 1985). Si un sol a une densité de tassement plus élevée (les particules sont plus étroitement "nouées"),devrait avoir un plus grand nombre de contacts particule-particule et une plus grande surface de contact par particule. Par conséquent, une plus grande énergie (correspondant à une contrainte déviatorique plus élevée) est nécessaire pour dégager les contacts et déplacer leparticules, ce qui rend le matériau plus fort. Les chercheurs de la communauté de la mécanique des sols, utilisant la méthode des éléments discrets (DEM) ou la photoélasticité, quantifient habituellement la densité de tassement des particules à l'aide du numéro de coordination.(CN), une mesure du nombre de contacts par particule.

  Pour les sables verrouillés, les contacts de particules sont généralement plus gros cet élargissement peut avoir été causé par une solution de pression induite par des forces de contact interparticulaires élevées agissant sur une échelle de temps géologique étendue (par exemple, Sorby, 1908;Barton, 1993). Cependant, certains auteurs ont interprété le phénomène d'interpénétration du grain comme étant exclusivement mécanique, résultant des déformations inélastiques qui se produisent lorsque le sable se compacte (se compresse) (par exemple, Stephen sonet al., 1992). Recherche expérimentale sur la réponse du sable bloqué par Cuccovillo & Coop (1997, 1999), Cresswell & Powrie (2004) et Bhandari (2009) ont souligné l’importance des contacts de particules et de leur zone de contact, qui avaientdéveloppé à travers l'histoire géologique du sol. Ces auteurs ont comparé le comportement de spécimens intacts et reconstitués du Lower Greensand, un sable verrouillé des couches de Folkestone du Crétacé inférieur du sud de l'Angleterre. MêmeEn tenant compte de toute différence de taux de vide entre les échantillons intacts et les échantillons reconstitués, le matériau intact présentait systématiquement une rigidité initiale au cisaillement plus élevée et des résistances maximales beaucoup plus élevées, ce qui résultait:taux de dilatation plus élevés. Le matériau intact présentait également une dégradation plus abrupte de la rigidité au cisaillement (G). Ces auteurs ont utilisé des observations qualitatives sur la nature des contacts interparticulaires et leur évolution sous cisaillement.en discutant de l'origine de ces réponses. Le présent document vise à fournir une confirmation quantitative des mécanismes impliqués en considérant les mesures de la densité de tassement à l’échelle des particules et en les reliant au facteur mécanique.réponse. Une image au microscope optique du sable intact et verrouillé étudié est présentée à la Fig. 1.

Fig. 1. Image au microscope d'une coupe mince de sable Reigate sous une lumière polarisée croisée

  Certaines des différences de réponse entre les échantillons intacts et reconstitués de Greens et celles échantillonnées près de Reigate (d'où le nom du sable provient) peuvent être attribuées aux différences de morphologie des particules résultant de:rupture des particules initialement fracturées au cours du processus de reconstitution (Fonseca et al., 2012a), qui avait été négligée dans les différentes études expérimentales. Cependant, pour bien comprendre les différences, il fautconsidération du tissu ou de la topologie interne du matériau, en particulier des contacts de particules. La présente étude utilise des donnéesde la tomodensitométrie (micro CT) avec une taille de voxel (pixel 3D) de 0.018d50 pour étudier l’évolutionde l'emballage de matériaux intacts et reconstitués. Des quantités de tissu scalaire telles que CN, indice de contact (IC) et longueur du vecteur de branche (BVL) ont été utilisées pour lier le comportement macroscopique aux modifications de la microstructure.

  MÉTHODES EXPÉRIMENTALES

  Une série d'essais de compression triaxiale sur des échantillons (38 mm de diamètre et 76 mm de hauteur) de sable Reigate intact et reconstitué a été réalisée à une pression de confinement de 300 kPa. Les échantillons de sable Reigate intacts ont été soigneusement sculptésà partir d'échantillons de blocs obtenus sur le même site que ceux utilisés par Cresswell & Powrie (2004) et Bhandari (2009). Les échantillons reconstitués ont été obtenus en désagrégeant doucement le matériau à la main, puis en le plaçant dans un moule.membrane sur le piédestal triaxial, appliquant un tassement et une vibration pour atteindre des densités proches de celles des échantillons intacts. La procédure de test était identique pour les deux types d’échantillons et les réponses résultantes charge-déformation pouréchantillons représentatifs intacts et reconstituéssont donnés à la Fig. 2. Les échantillons intacts et reconstitués avaient des taux de vide initiaux de 0,48 et 0,49 respectivement, mais malgré les similitudes de niveau de stress et de taux de vide, les réponses mécaniques diffèrent de manière significative, comme observé parchercheurs précédents. Les tests ont été répétés et arrêtés à différents stades de cisaillement, lorsque les échantillons ont été imprégnés d'une résine époxy pour permettre la mesure de l'évolution de la microstructure. Les points choisis étaient lesétat initial avant chargement (phase de charge 1), début de la dilatation (phase de charge 2), à l'apparition d'une bande de cisaillement visible (phase de charge 3) et à l'approche de l'état critique (phase de charge 4). En raison de la localisation de la souche, unétat critique ne pouvait être mobilisé localement que dans une bande de cisaillement. Une fois la résine durcie et durcie, des mini-noyaux (de 3 à 6 mm de diamètre) ont été extraits à la fois des régions contenant la bande de cisaillement et du gros de l'échantillon. Plus loinLes détails des tests triaxiaux et du processus d'imprégnation de la résine sont fournis par Fonseca (2011) et Fonseca et al. (2012a).

  Comme indiqué par Stock (2008) ou Ketcham & Carlson (2001), lors de l'utilisation de la tomodensitométrie, le champ de vision de l'image (FOV) devrait être plus grand que l'objet et plus le FOV était petit, plus la taille du voxel était petite. La taille de voxel utilisée dans cette recherche était de 5 µm,après un binning de 2 3 2 3 2 (c’est-à-dire qu’un volume de 23 voxels a été remplacé par un voxel) pour faire face aux problèmes de mémoire de l’ordinateur. Cette taille de voxel est presque d’un ordre de grandeur supérieure à celle obtenue lors des études géotechniques clés précédentes (Tableau 1).1), en notant que la résolution est liée au cube de la longueur du voxel. Lors de l’utilisation de données micro CT pour caractériser la structure interne d’un matériau, la qualité de l’image et la taille du voxel requises sont les deux fonctions de la taille ducaractéristiques d’intérêt qui doivent être résolues et de l’objet de l’enquête en cours. Lorsque toutes les morphologies de contact, de particules et de vide sont prises en compte, comme dans l’enquête en cours, de petites tailles de voxels sont nécessaires pour:atteindre la résolution souhaitée de toutes ces fonctionnalités. Ainsi, la taille de l'échantillon, la taille du voxel et les paramètres de numérisation sont basés sur un compromis entre trois facteurs principaux: la qualité d'image, le temps nécessaire et le coût du processus.Dev. stress intact Dev. stress recon. Vol. souche intacte Vol. souche recon.

  Le tableau 2 récapitule les 13 mini-cœurs analysés pour huit échantillons intacts (Int 1 a à Int 4 b S) et cinq échantillons reconstitués (Rec 1 a à 4 S). Comme le montre le tableau 2, les phases de charge auxquelles les microscanner ont été effectuées correspondaientsouches différentes pour les échantillons intacts et reconstitués. Pour le sol intact, deux échantillons ont été creusés dans la zone de la bande de cisaillement aux niveaux de charge 3 et 4 (échantillons Int 3 b S et Int 4 b S respectivement), mais comme les mini-carottes sont plus grossesque l’épaisseur de la bande de cisaillement, chaque échantillon est composé de particules provenant à la fois de l’intérieur et de l’extérieur de la bande de cisaillement. Pour le sol reconstitué, un échantillon a intercepté la bande de cisaillement au stade de charge 4 (Rec 4 S). Tous les échantillons restants ont étésoit prises avant le développement de la bande de cisaillement, soit ne contiennent pas une partie importante de la région de la bande de cisaillement.

  Toutes les données présentées ont été acquises dans l’un des deux microscanners nanotom développés par phoenix | X ray (GE). Des informations complètes sur les systèmes utilisés et les paramètres de numérisation sont fournies par Fonseca (2011). Images obtenues.

Tableau 2. Exemples de conditions et de valeurs clés

d’autres faiblesses (par exemple, Davis et Elliott, 2006), qui compliquent l’analyse ultérieure des images. Les images de rayonnement synchrotron peuvent potentiellement être de meilleure qualité, puisqu’un faisceau de rayons X monochromatique peut être utilisé, un flux de photons supérieur etle rapport signal sur bruit est meilleur (Stock, 2008). L'accès aux sources de rayonnement synchrotron est limité et, bien qu'il existe des exemples d'utilisation d'installations synchrotron dans les études de géomécanique (comme indiqué dans le tableau 1), les sources de laboratoire sont:plus courants et continueront probablement d’être adoptés dans la recherche en géomécanique.

  Le tableau 2 indique avec précision les particules qui ont intercepté la limite de balayage. Le nombre de particules «intérieures» complètes ne touchant pas les limites est indiqué dans le tableau 2. Statistiques par particule (par exemplenombre) ont ensuite été calculés uniquement pour les particules internes, comme détaillé dans Fonseca (2011). Les figures 3 (a) et 3 (b) illustrent de petites coupes à travers des données tomographiques pour un spécimen intact et reconstitué de sable de Reigate, respectivement.