Influence of time-dependence on failure of echelon rock joints through a novel DEM model

This is an Accepted Manuscript of an article published by Taylor & Francis Group in [European Journal of Environmental and Civil Engineering] on [September 2015], available online at: http://www.tandfonline.com/10.1080/19648189.2015.1064624This article investigates the time-dependent influence on the shear failure behaviour of parallel rock joints in the echelon arrangement due to chemical weathering, which can be treated as a generalised time-dependency of the rock material. A time-dependent parameter alpha, identifying the accumulated relative mass removal of bonding material, has been implemented into a novel distinct element method bond contact model. This model is based on a series of mechanical test on bonded aluminium rods with different bond geometries. The numerical direct shear test results of echelon rock joints characterised by different values of alpha show that increasing time-dependent parameter alpha can lead to a lower crack initiation and peak stresses. This is accompanied by a growing ratio of the microscopic compressive-shear-torsional (CST) bond failure number of bond failures to the total number of failures, except for the case without weathering influence. High values of alpha render the material bridge a weaker part to be cut through, generating a large number of CST bond breakages along the central shear axis.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Gas migration at the granite-bentonite interface under semi-rigid boundary conditions in the context of HLRW disposal

The corrosion of waste canisters in the deep geological disposal facilities (GDFs) for high-level radioactive waste (HLRW) can generate gas, which can escape from the engineered barrier system. Such escape can happen through the interfaces between the bentonite buffer blocks and the host rock, and also at the interfaces between the bentonite blocks. This paper presents new insights and a quantitative assessment of the impact of the interface between clay and host rock on gas transport through a series of water infiltration and gas breakthrough experiments on granite and on granite-bentonite specimens with smooth and grooved interfaces.The water permeability values from water infiltration tests on granite and granite-bentonite samples (10-19 ~ 10-20 m2) were found to be slightly higher than that of bentonite. The gas permeability of the mock-up samples with smooth interface was one order of magnitude larger than that of the mock-up with grooved interfaces. The gas results of breakthrough pressures for the granite and the granite-bentonite mock-up samples indicated significantly lower pressures than that of bentonite. The results highlight the potential existence of preferential gas migration channels between the rock and bentonite buffer which require further considerations in the safety case assessment.<br/

Estimation of Elasticity of Porous Rock Based on Mineral Composition and Microstructure

Estimation of elastic parameters of porous rock like the compressibility of sandstone is scientifically important and yet an open issue. This study illustrates the estimation of the elastic compressibility of sandstone (ECS) based on the assumption that the ECS is determined closely by the mineral composition and microstructures. In this study, 37 samples are collected to evaluate the estimations of the ECS obtained by different methods. The regression analysis is first implemented using the 37 samples. The results show that ECS exhibits linear relations with the rock minerals, pores, and applied compressive stress. Then the support vector machine (SVM) optimized by the particle swarm optimization algorithm (PSO) is examined to generate estimations of the ECS based on the mineral composition and microstructures. The SVM is trained with 30 samples to search for optimal parameters using the PSO, and thus the estimation model is established. Afterwards, this model is validated to give predictions of the left 7 samples. By comparison with the regression methods, the proposed strategy, that is, the PSO optimized SVM, performs much better on the training samples and shows a good capability in generating estimations of the ECS of the 7 testing samples based on the mineral composition and microstructures

Whole-genome resequencing of 472 Vitis accessions for grapevine diversity and demographic history analyses

Despite the importance of grapevine cultivation in human history and the economic values of cultivar improvement, large-scale genomic variation data are lacking. Here the authors resequence 472 Vitis accessions and use the identified genetic variations for domestication history, demography, and GWAS analyses

Étude expérimentale et modélisation numérique du comportement thermomécanique à haute température de l'argilite de Tournemire

Dans ce travail de recherche, on aborde une étude expérimentale et numérique du comportement mécanique des roches argileuses soumis à des chargements mécaniques et à des sollicitations thermiques. L esprit de cette étude provient de la pratique de l exploitation des huiles lourdes avec la technique d injection de vapeur à haute température où les roches de réservoir sont soumises à des sollicitations thermiques et hydromécaniques couplées. L enjeu est d étudier le comportement hydromécanique de ces matériaux soumis à des variations importantes de température afin d évaluer la stabilité mécanique des réservoirs. L étude expérimentale contient des modifications d'une cellule triaxiale autonome et auto compensé à haute température (250 C) ainsi que le système de pilotage, le système de mesure et d étalonnage de déformations. Ces modifications sont importantes pour effectuer des tests hydrostatiques, uniaxiaux et triaxiaux servaient à obtenir une base des données expérimentales, cette base caractérise l effet thermique sur le comportement mécanique des roches argileuse.Le cadre général de la modélisation est d abord proposé pour décrire le comportement mécanique d argilite dans le cas isotrope. Après une analyse détaillée des données expérimentales, un modèle spécifique élastoplastique couplé à l endommagement est élaboré pour décrire le comportement mécanique. Ensuite l effet de la température est pris en compte. Les comparaisons entre les simulations numériques et les données expérimentales ont montré la capacité du modèle proposé pour la description du couplage hydromécanique et thermique. Afin de décrire le comportement des roches anisotrope, nous avons proposé une extension du modèle en y introduisant une formulation de tenseur de fabrique Cette formulation est exprimée en termes d'invariants couplé aux tenseurs de contraintes et d orientation de chargement. Des essais en laboratoire sous différents chemins de sollicitations ont été modélisés, le modèle proposé semble décrire correctement les principales réponses mécaniques des matériaux.We proposed, in this work, an experimental and numerical study of mechanical behavior of shale rocks subjected to mechanical and thermal loads.In the petroleum industry, during the production of heavy oil with the technique of steam water injection at high temperature, the cap rocks are subjected to coupled thermal and hydro-mechanical solicitations. The challenge is to study the hydro-mechanical behavior of these materials subject to large variations in temperature in order to assess the mechanical stability of the reservoir. The experimental study includes the modifications in a triaxial cell in ordre to support a high temperature (250 C). These modifications are very important for hydrostatic, uniaxial and triaxial tests, all these tests are used to obtain an experimental data base characterizing the thermal effect on the mechanical behavior of shale rocks.The modeling framework is proposed at first to describe the mechanical behavior of shale rock in isotropic case. After a detailed analysis of experimental data obtained in the experimental section, a specific coupled elastoplastic-damage model has been developed to describe the mechanical behavior of these shale materials. The effect of temperature is taken into account and a comparison between numerical simulations and experimental data have shown the ability of the proposed model for the description of thermo mechanical coupling. To describe the behavior of anisotropic rocks, we have proposed an extension of the fabric tensor model to present the initial anisotropy of shale rock. This formulation is expressed in terms of invariant stress tensor coupled with loading orientation. Laboratory tests under different stress paths were modeled, the proposed model seems able to describe correctly the main mechanical responses of shale materials.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Multi-scale modeling of plastic and viscoplastic behavior of polycrystalline geomaterials

La plupart des géomatériaux sont hétérogènes à différentes échelles matérielles. Le comportement mécanique macroscopique de ces matériaux dépend directement de la composition minéralogique et de la microstructure ainsi que leurs évolutions. Cette étude fait un simple essai d'étendre le modèle polycristallin le plus largement utilisé en métallographie à un type de matériaux géologiques quasi-fragiles : le granit. La fonction de charge standard et le potentiel plastique sont modifiés pour tenir compte des principales caractéristiques mécaniques des géomatériaux, e.g. la sensibilité à la pression et la dilatance plastique. Ce modèle d'auto-cohérence d'abord proposé par Hill est adoptée pour relier les champs locaux et ceux globaux. La réponse du macropolycristal est déterminée par le procédé d'homogénéisation classique. La mise en œuvre de la procédure numérique de stress microscopique et macroscopique est donnée et les éventuelles difficultés rencontrées sont mis en évidence. L'identification de sept paramètres micromécaniques est brièvement décrite. La validité du modèle développé est vérifiée par la comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales sur le test conventionnels et aussi sur le test traditionnel - compression triaxiale.Most geomaterials are heterogeneous material at different scales. The macroscopic mechanical behavior of these materials depends directly on the mineralogical composition and microstructure as well as their evolution. The present study makes a simple trial to extend the most widely used polycrystalline model in metallography to a typical quasi-brittle geological material-granite. The standard yield criterion and plastic potential are modified to consider the main mechanical features of geomaterial, e.g. pressure sensitivity and plastic dilatancy. The full self-consistent model firstly proposed by Hill is adopted to relate the local fields and overall ones. And the macro response of polycrystal is determined by the classical homogenization process. The numerical implementation of local and macro stress update procedure are given and the possible difficulties encountered are pointed out. The identification of seven micromechanical parameters is briefly described. The validity of the developed model is checked through the comparisons between model's predictions and experimental data on both conventional and true triaxial compression tests, respectively.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Une modélisation des matériaux microfissurés (application aux roches et aux bétons)

Une nouvelle modélisation, écrite à l'échelle macroscopique, est proposée pour rendre compte de quelques spécificités essentielles du comportement mécanique non linéaire des matériaux microfissurés. L'attention est notamment portée ici à la description de l'anisotropie induite par le caractère orienté des microfissures et des effets unilatéraux liés à l'ouverture -fermeture de celles-ci. La microfissuration évolutive étant le seul mécanisme dissipatif considéré, l'endommagement du matériau est caractérisé au travers de la distribution en orientation des densités de microfissures. La construction du potentiel thermodynamique s'appuie quant à elle sur la physique du phénomène considéré et sur quelques considérations d'ordre micromécanique, notamment pour décrire la restitution des propriétés élastiques induite par la fermeture de défauts. Enfin, le formalisme complémentaire (évolution du dommage) est établi dans un cadre strictement standard à partir de l'expression de la dissipation.LILLE1-BU (590092102) / SudocTARBES-ENIT (654402301) / SudocSudocFranceF

Micromechanics of rock damage: Advances in the quasi-brittle field

International audienc

Modelling of elastoplastic behaviour of cement based materials with chemical degradation

Dans cette thèse, nous présentons une modélisation numérique du comportement élastoplastique d'une pâte de ciment soumise à la dégradation chimique. Une courte synthèse bibliographique est d'abord présentée sur la composition minéralogique, la chimie, le comportement mécanique de base, les mécanismes de dégradation chimique et le couplage chimie-mécanique des matériaux cimentaires en général et de la pâte de ciment en particulier. En se basant sur cette synthèse et des données expérimentales, un modèle de comportement élastoplastique est ensuite formulé dans le chapitre 2, pour des pâtes de ciment soumises essentiellement à des contraintes de compression. Deux mécanismes de déformations plastiques sont identifiés, liés respectivement au cisaillement déviatorique et à la compaction des pores. En définissant la dégradation chimique par une variable d'endommagement chimique, les propriétés élastiques et plastiques sont affectées par cet endommagement. Les essais mécaniques effectués sur des échantillons sains et chimiquement dégradés sont simulés par le modèle proposé. La détermination de la cinétique de l'endommagement chimique est abordée dans le chapitre 3. En se basant sur un modèle phénoménologique de la lixiviation chimique, la cinétique de l'endommagement chimique est contrôlée par le processus de diffusion des ions calcium dans la solution interstitielle. La concentration en calcium de la solution interstitielle est alors considérée comme la variable d'état chimique. La variation de la teneur en calcium dans la matrice solide et celle de la porosité sont reliées à la concentration en calcium en fluide par la courbe d'équilibre thermodynamique. La méthode des éléments finis est utilisée par la résolution numérique de l'équation de diffusion généralisée. Le modèle proposé est enfin étendu pour inclure l'endommagement mécanique par microfissuration afin de décrire le comportement fragile des matériaux cimentaires. Un exemple d'application du modèle à une structure soumise à la dégradation chimique est présenté.Thesis presents elastoplastic modelling of cement-based materials coupledwith chemical degradation and mechanical damage. The emphasis is put on cementpaste subjected to compressive stresses. A short literature review is first presented on the mineralogical composition, chemical degradation mechanisms, basic mechanical behaviour and chemical-mechanical coupling. Based on this analyses and a series of experimental data obtained from uncoupled and coupled tests, an elastoplastic constitutive model coupled with chemical damage is first formulated. Two plastic mechanisms are taken into account; respectivelyrelated to deviatoric shearing and pore collapse. The chemical damage is identified as relative variation of porosity. Elastic and plastic properties are affected by chemical damage. Numerical simulations are compared with experimental data and good agreements have been obtained. The evolution of the chemical damage has been described by the generalized diffusion equation which is based on the mass balance equation and a phenomenological chemistry model. We have used finite element method to solve the generalized diffusion equation. Coupled chemical-mechanical tests have been simulated by the proposed model and we have also obtained satisfactory concordance. An extension of the model is finally proposed by including mechanical damage due to microcracks in order to describe brittle responses of material under tensile stresses and low confining pressures. An example of application to structural analysis with chemical degradation is presented. It has been shown that the proposed model describes correctly the main features of the mechanical behaviours of cement-based materials at different stress conditions with chemical degradation.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Un nouveau modèle couplé plasticité-endommagement anisotrope basé sur l’approche discrète et la méthode des fabric tenseurs

Un modèle couplé plasticité-endommagement est proposé pour simuler une anisotrope inhérente et induite des matériaux. Il est basé sur l'approche discrète et sur la méthode des fabric tenseurs. La déformation macroscopique plastique et la dégradation des matériaux sont considérées comme le résultat du glissement le long des plans de faiblesse. Pour chacun de ces plans, le critère d’endommagement et la loi d’écrouissage plastique sont formulés dans le cadre de la thermodynamique irréversible