Experimental study of inelastic deformation at the micro scale in cemented granular materials: some recent results

A novel thermomechanical constitutive model for cemented granular materials has been recently introduced. An essential ingredient of the model is the use of measurable and micro-mechanics based internal variables describing the evolution of dominant inelastic processes. In this paper, discuss about the model ability to reproduce material behaviour at specimens scale starting from a few physically meaningful parameters. These parameters link the macroscopic mechanical behaviour to the statistically averaged evolution of the micro structure. However, to fully justify this statement and given the bottom-up hierarchy in the model development, it is also important to check the model’s capability to capture the statistically averaged evolution of the micro structure embedded at its base. For that purpose we have used high resolution x-ray tomography to scan artificially cemented granular materials under a variety of loading conditions. X-Ray Tomography has been chosen for its capability to track inelastic processes in granular materials non destructively with a high spatial resolution (a few microns, in this study). The main objective of this work is to introduce the key features of the constitutive model and to report some recent results on the experimental quantification of the evolution of the microscopic internal variables in cemented granular materials

Frottement statique aux interfaces fractales

International audienceTribological phenomena are governed by combined effects of material properties, topology and surface-chemistry. We study the interplay of multiscale-surface-structures with molecular-scale interactions towards interpreting static frictional interactions at fractal interfaces. By spline-assisted-discretization we analyse asperity interactions in pairs of contacting fractal surface profiles. For elastically deforming asperities, force analysis reveals greater friction at surfaces exhibiting higher fractality, with increasing molecular-scale friction amplifying this trend. Increasing adhesive strength yields higher overall friction at surfaces of lower fractality owing to greater true-contact-area. In systems where adhesive-type interactions play an important role, such as those where cold-welded junctions form, friction is minimised at an intermediate value of surface profile fractality found here to be in the regime 1.3-1.5. Our results have implications for systems exhibiting evolving surface structures.https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.09.016Les phénomènes tribologiques sont régis par les effets combinés des propriétés des matériaux, de la topologie et de la chimie des surfaces. Nous étudions l’interaction des structures de surface multi-échelles avec les interactions à l’échelle moléculaire pour interpréter les interactions frictionnelles statiques aux interfaces fractales. Par discrétisation assistée par spline, nous analysons les interactions d’asperité par paires de profils de surface fractale en contact. Pour les aspérités se déformant élastiquement, l'analyse de la force révèle un frottement plus important sur les surfaces présentant une fractalité plus élevée, le frottement croissant à l'échelle moléculaire amplifiant cette tendance. L'augmentation de la force adhésive engendre un frottement global plus élevé sur les surfaces de fractalité inférieure en raison d'une plus grande surface de contact. Dans les systèmes où les interactions de type adhésif jouent un rôle important, tels que ceux où se forment des jonctions soudées à froid, le frottement est minimisé à une valeur intermédiaire de la fractalité du profil de surface qui se situe autour de 1,3–1,5. Les résultats ont des implications pour les systèmes présentant des structures de surface en évolution.https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.09.01

A theoritical approach to the study of compaction bands in porous rocks

The formation and propagation of compaction bands in high porosity sandstones is theoretically investigated in this paper using a new constitutive model based on the recently developed continuum breakage mechanics theory [1,2]. This model possesses a micromechanics-based link between the evolving grain size distribution (gsd) and the macroscopic stress strain relationship, through an internal variable called Breakage. This is an advanced feature over many existing plasticity based models in the literature, helping to faithfully track the evolving gsd and its related physics (e.g. permeability reduction). A localization analysis based on the acoustic tensor [3] is performed to determine both the onset and orientation of compaction bands due to grain crushing. It is shown that the model used is able to capture well both the material behaviour and formation of compaction band experimentally observed. An enhancement using rate-dependent regularization is applied to the model to deal with instability issues in the analysis of Boundary Value Problems. Based on the regularised model, the formation and propagation of compaction bands due to grain crushing is analysed through a numerical experiment on a porous rock specimen under triaxial loading condition. Good agreement between numerical predictions and experimental observations demonstrates the capability of the new model

Dynamiques de compaction d'un milieu granulaire fragile

Lors de la compression d'un matériau poreux fragile, différents modes de compaction peuvent apparaître, en particulier une densification du milieu en bandes stationnaires ou en mouvement. Ce type de bandes oscillant dans le matériaux poreux ont été mises en évidence récemment lors de la compaction de céréales soufflées ou de neige. Nous présentons ici de nouveaux motifs de compaction observés expérimentalement dans un milieu composé de grains de riz soufflé, qui sont ensuite étudiés par un modèle numérique de ressorts sur réseau pouvant se briser. Selon les paramètres physiques de l'expérience, le milieu peut ainsi présenter une compaction erratique, où le matériau se densifie en différents endroit aléatoirement ; une ou plusieurs bandes de compaction se propageant dans le milieu ; ou encore une compaction diffuse. Les domaines d'existences de ces différents régimes dépendent de deux nombres sans dimensions caractérisant le système. Cette étude offre une meilleur compréhension des phénomènes microscopiques à l'oeuvre dans les matériaux poreux fragiles, voire dans d'autres matériaux comme les alliages métalliques qui peuvent présenter des phénomènes comparables (phénomène de Portevin-Le Châtelier)

Forme des ressauts granulaires en canal incliné: implications possibles pour le dimensionnement des digues paravalanches

Quand un écoulement granulaire à surface libre en régime supercritique rencontre un mur normal à la direction de l'écoulement, il peut se former une discontinuité en hauteur et en vitesse, dit ressaut granulaire par analogie aux ressauts hydrauliques, se propageant vers l'amont. Pour cela, il faut que la hauteur de l'obstacle soit supérieure à une hauteur critique conduisant à la formation du ressaut qui marque la transition entre le régime supercritique et le régime subcritique. En dessous de cette hauteur critique, l'écoulement reste supercritique et déborde sans formation de ressaut. Au-dessus de la hauteur critique, si le ressaut formé est de hauteur inférieure à la hauteur critique alors le ressaut se propage vers l'amont sans débordement de l'obstacle. Si le ressaut est de hauteur supérieure à la hauteur critique du mur alors ce dernier est débordé par l'écoulement. Ces processus, associés à la hauteur critique de l'obstacle pour qu'il y ait formation d'un ressaut d'une part et à la hauteur du ressaut formé d'autre part, constituent aujourd'hui les bases des recommandations Européennes en matière de dimensionnement des digues paravalanches d'arrêt visant à stopper entièrement l'écoulement d'avalanche ainsi que des digues de déviation [1]. Les valeurs de hauteur critique de l'obstacle et de hauteur du ressaut sont calculées à partir des équations traditionnelles des ressauts hydrauliques et sont essentiellement fonction du nombre de Froude de l'écoulement incident. Plusieurs études (voir par exemple [2,3,4]) ont démontré que ces équations classiques de l'hydraulique offraient de bonnes prédictions pour les ressauts, normaux ou obliques, formés dans les écoulements granulaires, ces derniers étant de bons modèles pour les écoulements de neige. Cependant la plupart des expériences de laboratoire sont restées jusqu'à présent limitées à des pentes fortes où l'inertie est dominante (nombre de Froude de l'ordre de 5-15), ce qui reste des valeurs élevées par rapport aux valeurs du nombre de Froude généralement plus faibles (de l'ordre de l'unité ou de quelques unités) dans la zone d'arrêt des avalanches. Des questions viennent alors à l'esprit : que se passe-t-il aux faibles valeurs du nombre de Froude pour lesquelles les forces d'inertie dans le ressaut ne sont pas dominantes ? Quel sont les effets des fortes de gravité et de frottement dans le ressaut ? Les équations classiques de l'hydraulique sont-elles toujours valides ? Afin de progresser sur ces questions, nous avons étudié en détail les ressauts stationnaires formés dans les écoulements granulaires en pente. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental qui permet de générer des ressauts granulaires stationnaires. Une vanne placée à la sortie d'un canal incliné à fond lisse permet d'obstruer en partie les écoulements granulaires permanents formés dans le canal et de générer des ressauts se propageant vers l'amont. En ajustant le débit de sortie au débit entrant, il est possible de rendre le ressaut stationnaire dans une large gamme de pente et débit. Des mesures basées sur des techniques d'imagerie (détection de surface libre, analyse de diagrammes spatio-temporels obtenus à la base de l'écoulement, aux parois et à la surface libre à l'aide d'une caméra rapide) couplées à des mesures de débit massique nous ont permis de mesurer en détail la dynamique des écoulements incidents (hauteur, vitesse, masse volumique) et la forme des ressauts pour chaque type d'écoulement. Nous avons pu établir un diagramme de phase qui permet de mettre en évidence une riche variété de ressauts granulaires. A haut débit, les écoulements sont denses et la forme des ressauts granulaires varie largement avec la pente. Au-delà d'une certaine pente, les écoulements sont légèrement non uniformes (uniformément accélérés) et les ressauts sont très raides avec une zone de recirculation au pied du ressaut. Pour une large gamme de pente, les écoulements sont uniformes, la zone de recirculation dans le ressaut disparait et les ressauts sont de plus en plus diffus quand la pente diminue. A une pente critique égale à l'angle de frottement typique du matériau, il est impossible de former un ressaut. Cette première série de tests à haut débit met en évidence une transition entre ressauts raides avec recirculation et ressauts diffus. Les ressauts diffus ont des hauteurs plus grandes que la hauteur prédite par l'hydraulique alors que la hauteur des ressauts raides avec recirculation est bien prédite par l'hydraulique classique. Nous montrons qu'une équation de ressaut avec prise en compte du poids du ressaut dans la direction de l'écoulement diminué de la force de frottement dans le ressaut (comme initialement proposé par [5] et récemment revisité par [6]) permet d'expliquer l'écart observé entre l'hydraulique classique et les ressauts granulaires diffus, dits ressauts frictionnels, à bas nombre de Froude typiquement en dessous de 4 dans nos tests. A faible débit, les écoulements incidents sont plus dilués et génèrent des ressauts dits compressibles pour lesquels il existe, en plus de la discontinuité en hauteur et en vitesse, une variation non négligeable de la masse volumique à travers le ressaut. Nous proposons une équation qui prend en compte cette variation de masse volumique. Cette équation est ainsi capable de prédire la diminution de la hauteur des ressauts quand les écoulements incidents sont de plus en plus dilués du fait de la diminution du débit entrant (à pente constante). Notre étude expérimentale de laboratoire couplée à des solutions analytiques a permis de mettre en évidence (i) une première transition entre ressauts granulaires raides avec recirculation et ressauts granulaires diffus frictionnels et (ii) une seconde transition entre ressauts granulaires incompressibles et compressibles. Les effets des termes source dans l'équation de ressaut (poids, force de frottement) à faible nombre de Froude et de la variation de masse volumique pour les écoulements dilués mis en évidence pour les ressauts stationnaires sont susceptibles de se manifester aussi dans les ressauts instationnaires. Cela peut remettre en question les recommandations Européennes existantes en matière de dimensionnement des digues paravalanches, notamment quand le nombre de Froude est faible (typiquement inférieur à 4 dans nos tests). Notre étude montre que les ressauts frictionnels diffus ont une hauteur plus grande que la hauteur prédite par l'équation de l'hydraulique alors que les ressauts compressibles ont une hauteur plus faible. Si le dernier résultat va dans le sens de la sécurité, le premier résultat est lui plus problématique quant au dimensionnement actuel des digues et au risque de débordement en aval des digues. En effet, nos résultats suggèrent que la hauteur des ressauts, donc la hauteur de digue nécessaire, peut être sous-estimée dans les régimes d'écoulement à bas nombre de Froude si l'équation de l'hydraulique (sans les termes source) est utilisée

Energetical Methods in Geomechanics

On the use of energetical methods when modeling the response of geomaterial

Using Movie Subtitles for Creating a Large-Scale Bilingual Corpora

This paper presents a method for compiling a large-scale bilingual corpus from a database of movie subtitles. To create the corpus, we propose an algorithm based on Gale and Church’s sentence alignment algorithm(1993). However, our algorithm not only relies on character length information, but also uses subtitle-timing information, which is encoded in the subtitle files. Timing is highly correlated between subtitles in different versions (for the same movie), since subtitles that match should be displayed at the same time. However, the absolute time values can’t be used for alignment, since the timing is usually specified by frame numbers and not by real time, and converting it to real time values is not always possible, hence we use normalized subtitle duration instead. This results in a significant reduction in the alignment error rate. 1

Experimental study of inelastic deformation at the micro scale in cemented granular materials: some recent results

A novel thermomechanical constitutive model for cemented granular materials has been recently introduced. An essential ingredient of the model is the use of measurable and micro-mechanics based internal variables describing the evolution of dominant inelastic processes. In this paper, discuss about the model ability to reproduce material behaviour at specimens scale starting from a few physically meaningful parameters. These parameters link the macroscopic mechanical behaviour to the statistically averaged evolution of the micro structure. However, to fully justify this statement and given the bottom-up hierarchy in the model development, it is also important to check the model’s capability to capture the statistically averaged evolution of the micro structure embedded at its base. For that purpose we have used high resolution x-ray tomography to scan artificially cemented granular materials under a variety of loading conditions. X-Ray Tomography has been chosen for its capability to track inelastic processes in granular materials non destructively with a high spatial resolution (a few microns, in this study). The main objective of this work is to introduce the key features of the constitutive model and to report some recent results on the experimental quantification of the evolution of the microscopic internal variables in cemented granular materials