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OSUG - Terre Univers Environnement

Statistical size effects on strength : from Rocks to structural materials - Chi-Cong VU

par Chi-Cong VU - 31 mars 2016 ( dernière mise à jour : 11 mai 2016 )


Sujet de thèse : Effets d’échelle statistiques sur la résistance à rupture : Des roches aux matériaux de structure

Encadrants : Jérôme WEISS, David AMITRANO, Olivier PLE, Quoc-Bao BUI, Damien VANDEMBROUCQ

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Résumé :

Le problème des effets d’échelle sur la résistance mécanique des matériaux, i.e. le fait que plus un échantillon de matière est grand, plus sa contrainte à rupture sera faible, est un des plus anciens problèmes de mécanique. Mis en évidence expérimentalement il y a 500 ans par Leonardo da Vinci, ces effets d’échelle sont classiquement expliqués par la théorie du maillon le plus faible, conceptualisée pour la première fois par Edmée Mariotte au XVIIème siècle : plus le volume de matière considéré est grand, plus la probabilité d’y trouver un « défaut » pré-existant important sera grand, défaut à partir duquel une fracture est supposée s’initier et se propager pour mener à la ruine. Ceci implique qu’un système de taille infini aura une résistance nulle. Cette théorie repose sur des hypothèses fortes : absence d’interactions mécaniques entre défauts, rupture à l’échelle globale supposée suivre immédiatement l’initiation de la première fracture (fragilité extrême). Si ces hypothèses peuvent sembler raisonnables pour des matériaux peu désordonnés sollicités en traction, des chercheurs de l’OSUG et de l’ESPCI de Paris ont récemment démontré qu’elles ne sont pas respectées pour des matériaux naturels comme les roches sollicitées sous compression, c’est-à-dire dans des conditions correspondant aux situations géophysiques. Dans ce cas, la rupture est un processus complexe impliquant la nucléation de nombreuses microfissures qui interagiront entre elles pour former in fine une faille dont l’activation sera à l’origine de l’instabilité mécanique macroscopique. Il a été montré que ce processus pouvait s’interpréter comme une transition de phase critique, ce qui permet d’en déduire des effets d’échelle qui contredisent la théorie du maillon le plus faible mais sont en excellent accord avec les données disponibles sur les roches. En particulier, un système de taille infinie conservera une résistance mécanique non nulle, ce qui a bien sûr d’importantes conséquences en géophysique.
Bien des questions restent cependant posées, comme le rôle exact du désordre microstructural (grains, joints, ..), de l’anisotropie (p.ex. schistosité), de la cohésion (milieu granulaire ou cohésif), tant du point de vue théorique qu’expérimental. La réponse à celles-ci est le principal objectif du travail de thèse.







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