Including a meso-structure in multi-scale modeling of granular soils

Les matériaux granulaires exhibe un spectre très large de propriétés constitutives, le long de chemins de chargement très divers. Développer des modèles constitutifs permettant de reproduire ces caractéristiques a demeuré un réel challenge scientifique au cours des dernières décennies. A cet égard, les approches multi-échelles constituent aujourd’hui une voie très prometteuse. Elles permettent de relier les propriétés macroscopiques à celles observées à l’échelle microscopique.Une investigation a été menée sur la base de simulations numériques discrètes (DEM)d’essais biaxiaux, afin d’identifier les caractéristiques micro-structurelles du matériau granulaire, la manière dont elles évoluent au cours d’un chemin de chargement, et le rôle qu’elles jouent dans l’émergence du comportement macroscopique. A l’échelle mésoscopique,le réseau de transmission de force (chaines de force) et les cellules définies parles vecteurs branches (meso-cycles) apparaissent jouer un rôle de première importance.Les meso-cycles, construits à partir du réseau de contact de l’assemblage, peuvent être caractérisés en fonction du nombre de cotés qu’ils contiennent (topologie). Leur influence sur le comportement volumique de l’échantillon est en effet étroitement liée à ce nombre de contact. En outre, leur interaction avec les chaines de force est également fortement dépendante de leur topologie. Ainsi, les cycles contenant 3 cotés (L3) participent activement à la stabilisation des chaines de force, alors que les cycles contenants au moins6 cotés (L6+) contribuent essentiellement au comportement dilatant de l’échantillon et à l’effondrement des chaines de force. Enfin, l’existence d’une méso-structure unique à l’état critique, au sein de la bande de cisaillement (rupture localisée) ou au sein de l’échantillon (rupture diffuse), est clairement démontrée.viii Sur la base de ces résultats, un modèle constitutif a été développé à partir du modèle H-directionnel (Nicot and Darve, 2011b). La structure du matériau granulaire est décrite par un assemblage d’hexagones (modélisant les cycles L6), orientés dans toutes les directions de l’espace. A partir d’opérations d’homogénéisation, les contraintes et les déformations incrémentales peuvent être reliées à l’échelle de l’assemblage, donnant lieu à un modèle de comportement dont la performance a pu être testée le long de chemins de chargements variés.Granular materials exhibit a wide spectrum of constitutive features under various loading paths. Developing constitutive models which succeed to characterize these features has been challenging scientists for decades. A promising direction of achieving this can be the multi-scale approach. Through which the constitutive model is formulated in the way that relating material's macroscopic properties to their micro-scale essences, namely, corresponding micro-structure properties.To better characterize the micro-structure and formulate the relation between different scales, a comprehensive investigation have been carried out on the basis of numerical biaxial tests using 2D discrete element method (DEM), in order to ascertain the micro-structure characteristics of the granular material, the way they evolve versus loading and their corresponding rules in the macroscopic behaviors. In a meso-scale, intermediate between the single contact scale and the macro-scale, the force transmission network (force-chains) and area element enclosed by contacts branches (meso-loops) are highlighted in terms of their significant influences on material's macro-scale behavior. Meso-loops herein are tessellated from the whole area of the granular assembly by the contact branch network, and are subsequently categorized according to their side number.The development of meso-loops is observed to be intimately related to material's volumetric evolution, especially the plastic part. Then, the interaction between force-chains and meso-loops and its significance to the global volumetric behavior are revealed. Otherwise, in critical state, an identical meso-structure is found in the failure area of both localized and diffuse failure mode. Meso-loops with 3 sides (L3) appear to be indispensable for the force-chain stability, meanwhile, meso-loops with more than or equal to 6 sides (L6+) contribute much to the volume expansion and accelerate the force-chain buckling. The interplay between L3 and L6+ largely embody, or are representative of, the various mechanical performance of the granular material.A constitutive model has been developed by modifying the H-directional model. In this model, individual hexagons, representatives of L6+, construct the fabric as distributing along different directions in the space. Then multi-scale approach is then used to relate macroscopic properties from local ones, and eventually, to give the constitutive relation. This model is then validated in different loading paths, and eventually proved satisfying