Déformation et rupture dans les roches tendres et les sols indurés : comportement homogène et localisation

Strain localisation by shear banding in soft rocks and hard soils is studied experimentally and theoretically.The experimental work concerns three different materials: a Vosges sandstone, a stiffer silty rock from Gard (France) and a soft marl. The first part of this work involves a description of a new triaxial cell and the development of an internal strains measuring device. Following this, a set of tests on a Vosges sandstone confined at pressures up to 60 MPa are presented. The study concerns the homogeneous behaviour of the rock in compression, extension and isotropic stress paths, the detection of the onset of strain localisation, the characterisation of the localisation pattern by a macroscopic observation, a X rays CT measurement and by a quantitative microstructural analysis. The evolution of fracture from the initiation stage to the failure of the specimen is studied by using the false relief stereophotogrammetry in a silty rock from Gard, which is stiffer than the Vosges sandstone. For the Beaucaire marl (France), the normally consolidated behaviour is explored with measurements of the permeability during the deformation, in isotropic or deviatoric stress paths.The theoretical work presents the new constitutive law CloE-Rock specifically developed for soft rocks, from the model of hypoplastic non linear incremental laws CloE. It takes into account a mean pressure dependency on the volumetric behaviour of the material. The identification of the law is made on the Vosges sandstone studied in the first part. A parametric analysis of an explicit criterion of bifurcation in localised mode is performed to calibrate the theoretical results in comparison with the experimental measurements of the critical stress and strain at the onset of localisation and the shear band's orientation. This step shows the philosophy behind using the constitutive law, which considers the observation of the localisation to provide a calibration of the law's parameters.La localisation des déformations sous forme de bandes de cisaillement dans des roches tendres et des sols indurés est étudiée par une approche expérimentale et théorique :L'étude expérimentale porte sur trois matériaux de caractéristiques différentes : un grès des Vosges, une siltite du Gard et une marne tendre de Beaucaire. On décrit d'abord la mise en opération d'une cellule triaxiale à haute pression et le développement d'une instrumentation de mesure des déformations. On présente ensuite une campagne d'essai sur un grès des Vosges jusqu'à des confinements de 60 MPa. L'étude concerne le comportement homogène de la roche sur des chemins de compression, extension et isotropes, la détection de la localisation, la caractérisation des structures localisées par une observation macroscopique, des mesures tomodensitométriques et une analyse microstructurale quantitative. Sur une siltite du Gard, plus raide que le grès, une étude de l'évolution de la fracturation de l'initiation jusqu'à la ruine de l'éprouvette est menée en utilisant la stéréophotogrammétrie de faux relief. Pour la marne de Beaucaire, le comportement normalement consolidé est exploré en réalisant des mesures de perméabilité au cours de la déformation, en régime isotrope ou déviatoire.L'étude théorique présente la nouvelle loi CloE Roche développée spécifiquement pour les roches tendres à partir du modèle de lois incrémentales non-linéaires hypoplastiques CloE. Elle prend en compte une dépendance du comportement en volume vis-à-vis de la contrainte moyenne. L'identification de la loi est réalisée sur le grès des Vosges. Une analyse paramétrique d'un critère explicite de bifurcation en mode localisé prévoyant le moment d'apparition et l'inclinaison des bandes de cisaillement est réalisée pour obtenir un calage des résultats théoriques de bifurcation sur les expériences. Cette démarche illustre l'esprit de la loi, qui considère les observations de localisation comme un élément de calage de ses paramètres