Nous présentons une étude expérimentale de caractérisation de la rupture par localisation de la déformation dans une roche argileuse. Des essais triaxiaux ont été effectués sur une ligne de lumière de l'ESRF pour obtenir des reconstructions microtomographiques en volume à différents stades de l'essai. Une mesure du champ de la déformation a été faite en associant aux images obtenues une méthode de corrélation d'images en volume. Ces résultats permettent d'identifier très clairement le seuil d'initiation de la localisation, et le mode de déformation dans les bandes

BÉSUELLE, Pierre

DESRUES, Jacques

LENOIR, Nicolas

VIGGIANI, Gioacchino

I-Revues

18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
Caractérisation expérimentale de la déformation et de la rupture localisée
dans une argilite
Pierre Bésuelle, Jacques Desrues, Gioacchino Viggiani & Nicolas Lenoir
Universités de Grenoble & CNRS
Laboratoire Sols, Solides, Structures - Risques (3S-R)
BP 53
38 041 Grenoble cedex 9
Pierre.Besuelle@hmg.inpg.fr
Résumé :
Nous présentons une étude expérimentale de caractérisation de la rupture par localisation de la déformation
dans une roche argileuse. Des essais triaxiaux ont été effectués sur une ligne de lumière de l’ESRF pour obtenir
des reconstructions microtomographiques en volume à différents stades de l’essai. Une mesure du champ de la
déformation a été faite en associant aux images obtenues une méthode de corrélation d’images en volume. Ces
résultats permettent d’identifier très clairement le seuil d’initiation de la localisation, et le mode de déformation
dans les bandes.
Abstract :
We present an experimental study to characterize localized deformation and failure in a clay rock. Triaxial tests
were performed at the ESRF and X-ray CT scans were taken at differents loading steps. A volume field measurement
of the strain has been computed by using a digital image correlation method applied to the CT scans. These results
allow to clearly identify the onset of localization, and the mode of deformation inside the bands.
Mots-clefs :
microtomographie ; localisation de la déformation ; roche argileuse
1 Introduction
La rupture dans les géomatériaux, incluants sols, roches et bétons, se manifeste très fré-
quemment par une localisation de la déformation selon des structures fines et étendues. Il se
produit une transition depuis un mode de déformation diffuse vers un mode où la déformation
est fortement concentrée spatialement, le matériau en dehors de ces zones se comportant alors
de manière plus ou moins rigide. Cette évolution se caractérise d’une certaine manière par un
changement d’échelle de la déformation. Elle a, en revanche, potentiellement des effets impor-
tants sur les propriétés mécaniques et de transfert du milieu considéré à grande échelle. Par
exemple, les zones de localisation peuvent jouer le rôle de drain ou de barrière de perméabilité.
Une caractérisation fine de ce phénomène de localisation est de fait fortement facilitée par
l’emploi de méthodes de mesure de champ qui permettent de mettre en évidence cette transition
d’échelle. Plus particulièrement, pour les essais de laboratoire, des méthodes de mesure tri-
dimentionnelle permettant une observation en volume de la structure d’un échantillon au cours
de son chargement semblent une avancée très prometteuse. Les techniques d’imagerie non des-
tructives, telle que la tomographie à rayons X, ont suivi ces dernières années des évolutions
remarquables (e.g., Baruchel et al. (2000)) et offrent de nouvelles possibilités pour étudier la
rupture dans les géomatériaux. Cependant, certaines spécificités des essais sur les géomatériaux
(pression de confinement, pression interstitielle) rendent les protocoles expérimentaux difficiles
1
18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
quand on souhaite, de manière simultanée, imposer un chargement à l’échantillon et en faire un
suivi par imagerie (i.e., tomographie in situ) (e.g., Raynaud et al. (1989); Desrues et al. (1996);
Otani et al. (2002)).
Nous avons utilisé pour cette étude les ressources de rayonnement X de l’ESRF (European
Synchrotron Radiation Facility). La méthode d’imagerie employée est une méthode de micro-
tomographie ultra-rapide (Di Michiel et al. (2005)) rendue possible par la haute luminosité du
faisceau. Nous avons pu ainsi associer une haute résolution (micrométrique) et une très bonne
rapidité de mesure. Ces deux facteurs sont importants car, d’une part, les structures de loca-
lisation dans la roche argileuse étudiée sont très fines, et d’autre par, pendant l’imagerie de
l’échantillon, nous devons stopper le raccourcissement de l’échantillon, et il se produit un phé-
nomène de relaxation qui est d’autant plus faible que la mesure est rapide. Nous présentons
ici une courte sélection de résultats obtenus. Le lecteur intéressé pourra trouver plus de rensei-
gnements dans le mémoire de thèse de Lenoir (2006) et les articles de Viggiani et al. (2004)
et Bésuelle et al. (2006). Nous montrons aussi que l’association de la tomographie RX avec
des méthodes de corrélation d’images volumiques permet dans les géomatériaux d’augmenter
considérablement la richesse des observations (Lenoir et al. (2007)).
2 Matériau étudié et dispositif expérimental
Le matériau est l’argilite du callovo-oxfordien, extraite pour l’ANDRA depuis son labora-
toire de recherche souterrain Meuse/Haute Marne à Bure. La roche provient des profondeurs
entre 476 et 479 m, depuis les forages EST212 et EST361. Cette formation géologique du Ju-
rassique, d’une épaisseur d’environ 130 m, est étudiée dans l’éventualité de stockage de déchets
radioactifs en profondeur. Le matériau a une perméabilité initiale très faible, de l’ordre de 10−20
à 10−22 m2, et une résistance uniaxiale de l’ordre de 20 à 30 MPa (Escofier et al. (2005); Fabre et
al. (2006)). Sa teneur en eau est d’environ 6% et sa teneur en argile de 40 à 45%, les autres mi-
néraux étant essentiellement de la calcite et du quartz. Les échantillons, d’un diamètre de 10 mm
et d’une hauteur de 20 mm, ont été préparés, à partir des carottes de forage, à l’aide d’une scie
à fil diamanté, dans le but de minimiser les pertubations induites par la préparation. La petite
taille des échantillons se justifie par le champ de mesure de la ligne synchrotron utilisée, mais
reste tout à fait acceptable au regard de la granulométrie très fine de la roche. On note cepen-
dant quelques filons de calcite dans la roche, de longueur millimétrique, qui correspondent très
certainement à des bioturbations au moment du dépôt sédimentaire.
Les expériences ont été menées au synchrotron de troisième génération ESRF à Grenoble,
sur la ligne à haute énergie ID15A. La gamme d’énergie de rayons X sélectionnée est de 50 à
70 KeV et le faisceau était filtré par une série de plaques en polymère pour éviter les artefacts
de durcissement de faisceau. L’échantillon d’argilite était placé dans une cellule de confinement
en polycarbonate, transparente aux rayons X. Le dispositif d’essai, incluant cellule de confine-
ment et système de chargement axial, était placé sur un dispositif de rotation (d’axe parallèle
à l’axe de l’échantillon) et de translation pour faire l’acquisition des radiographies sous les
différents angles requis, à savoir 1200 radiographies réparties sur un angle de 180◦. Le détec-
teur numérique avait une résolution de 14×14 µm2 (optique de grossissement 1) et le faisceau
une épaisseur de 3,65 mm, cela autorisait un enregistrement de 261 coupes simultanément. Le
temps requis pour l’acquisition complète des 261 coupes était d’environ 2,5 min, et le temps
d’acquisition pour la totalité de l’échantillon d’environ 15 min, avec une taille de voxel de
14×14×14 µm3.
Le cylindre d’argilite était soumis à la fois à une pression latérale, exercée par un fluide
autour de l’échantillon, lui même enveloppé d’une membrane étanche, et pouvant atteindre
2
18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
10 MPa, et une charge axiale exercée par un piston contrôlé en déplacement, pouvant exercer
jusqu’à 7,5 kN. Chaque essai se décompose en deux étapes, une première de chargement iso-
trope jusqu’à la pression de confinement requise, une seconde étape pendant laquelle la pression
de confinement reste constante et où l’on impose le racourcissement axial de l’échantillon, jus-
qu’à la rupture par localisation de la déformation. L’essai présenté ici a été effectué à la pression
de confinement de 10 MPa et la vitesse de chargement axiale de 3 µm.mn−1, soit une vitesse de
déformation de 2,5.10−6 s−1.
6     2nd International Workshop on X-ray CT for Geomaterials – GEOX 2006 
4. Selected Results 
Results from only two tests (ESTSYN01 and ESTSYN02) are presented herein. 
The confining pressure (total mean stress) was equal to 10 MPa and 1 MPa, 
respectively. Deviatoric loading was performed under displacement control, by 
advancing the loading ram at a rate of 3.0 µm/min, which corresponds to a nominal 
axial strain rate of 2.5.10
-6
 s
-1
 for a 20 mm specimen height. For each test, the 
specimen was scanned at different steps: before and right after applying the 
confining pressure (steps 0 and 1, respectively), and then at different levels of axial 
strain during deviatoric loading (steps 2-7 for test ESTSYN01 and steps 2-5 for test 
ESTSYN02). One last scan of the specimen was performed at the end of the test, 
after removal of the confining pressure (step 8 for test ESTSYN01 and step 6 for test 
ESTSYN02). It is worth to note that the ram displacement was stopped at those 
points of the test when a tomographic scan of the specimen was required. The 
specimen was scanned while the axial strain was held constant, which unavoidably 
caused some amount of axial load relaxation during scanning. However, the 
scanning operations were fast enough (approximately 15 minutes for six sections, 
i.e., the full specimen height) for this relaxation to be relatively small. 
Deviator stress q is plotted as a function of axial strain εa in Fig. 2 for both tests. 
All stresses and strains are positive in compression. The numbers noted on each 
curve are the scanning step numbers. In test ESTSYN01, the deviator stress first 
increases (almost linearly up to step 2), then attains a peak value of 28 MPa around 
step 3 and finally decreases, essentially leveling off at about 19 MPa after step 5. A 
single shear b nd form d in the pecimen during the test, which could be clearly 
observed by the eye at the end of the test. 
 
  
Figure 2. Deviator stress vs. axial strain for test ESTSYN01 (10MPa confining 
stress, left) and test ESTSYN02 (1MPa confining stress, right). 
0 0.02 0.04 0.06 0.08
Axial strain
0
10
20
30
D
ev
ia
to
ric
 
st
re
ss
 
(M
Pa
)
1
2
3
4
6
7
5
0 0.01 0.02 0.03
Axial strain
0
5
10
15
20
25
D
e
vi
a
to
ric
 
st
re
ss
 
(M
Pa
)
1
2
3
4
5
FIG. 1 – Evolution de la contrainte déviatorique en fonction de la déformation axiale. Les indices 1 à 7
repèrent les images tomographiques réalisées pendant l’essai.
3 Résultats expérimentaux
L’évolution de la contrainte déviatorique (différence entre la contrainte axiale et la contrainte
latérale de confinement) est tracée en fonction de la déformation axiale de l’échantillon sur la
figure 1 (la déformation de raccourcissement et la contrainte de compression sont considérées
positives). Les images tomographiques ont été réalisées tout au long de l’essai, les deux pre-
mières (indice 0 et 1) avant et juste après avoir appliqué le confinement, puis pendant l’étape de
chargement et déchargement axial (indice 2 à 7 sur la figure), et enfin après le déconfinement
de l’échantillon (indice 8). Pendant le temps nécessaire pour scanner l’échantillon, une légère
relaxation se produit, ce qui explique les décharges partielles de l’échantillon à ces moments.
Lors de l’essai, le déviateur augmente assez linéairement jusqu’à l’indice 2, puis atteint un pic
à 28 MPa vers l’indice 3, et enfin décroît pour atteindre une valeur résiduelle de 19 MPa vers
l’indice 5. L’observation externe de l’échantillon à la fin de l’essai indique qu’une bande de
cisaillement s’est formée durant l’essai.
Nous montrons à présent la reconstruction tomographique d’une coupe aux différentes étapes
de chargement (Fig. 3). Cette coupe est perpendiculaire à l’axe de l’échantillon et sa hauteur
varie au cours de l’essai pour prendre en compte le raccourcissement de l’échantillon. L’échelle
de gris est telle qu’une zone où la porosité augmente entre deux étapes apparaît comme une
zone qui s’assombrie, la mesure étant sensible à la déformation volumique (variation de densité
massique). La localisation devient visible sur la coupe à l’étape 4, soit après le pic de contrainte.
Elle apparaît comme une zone étroite dilatante (épaisseur 2-3 pixels soit 30-40 µm) dans la par-
tie en haut à gauche de la coupe suivant une orientation NE-SO. Dans la suite de l’essai, la
bande devient de mieux en mieux visible, avec une épaisseur qui atteint environ 60 µm à l’étape
7, plus particulièrement dans la zone externe de l’échantillon. Un rejet de la bande est égale-
3
18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
8     2nd International Workshop on X-ray CT for Geomaterials – GEOX 2006 
 
Figure 3. A horizontal CT slice of specimen ESTSYN01 at different steps. 
Step 1 
Step 2 
Step 3 
Step 4 
Step 5 
Step 6 
Step 7 
Step 8 
FIG. 2 – Suivi d’une coupe tomographique perpendiculaire à l’axe de l’échantillon aux différentes étapes
de l’essai.
ment observable sur le pourtour de l’échantillon, ce rejet est dû à l’inclinaison de la bande par
rapport à l’axe de l’échantillon. Lors du retrait de la pression de confinement autour de l’échan-
tillon (étape 8), la bande s’ouvre sous forme d’une fissure, bien que dans la partie centrale de
l’échantillon, aucune trace de localisation ne soit visible.
Des observations plus approfondies ont été menées, que nous ne détaillons pas ici. Il a pu
être observé, en suivant la géométrie des filons de calcite naturellement présents dans la roche,
que des zones de fort cisaillement existaient dans l’échantillon, même au cœur de celui-ci, alors
que cela était peu ou pas visible en terme de variation de niveau de gris sur les images tomogra-
phiques. En d’autres termes, il existe des zones de localisation du cisaillement, sans ou avec peu
de variation de volume et qui de ce fait ne peuvent être visualisées par une simple observation
des images. Nous avons alors associé aux images tomographiques une technique de corréla-
tion d’image numérique en volume. La méthode utilisée est exposée en détail par Bornert et
al. (2004); Lenoir et al. (2007) et des résultats sont également accessibles dans Bésuelle et al.
4
18 ème Congrès Français de Mécanique Grenoble, 27-31 août 2007
(2006) et Hall et al. (2007). Cette méthode permet, par comparaison de deux images prises
à deux états de chargement de mesurer le champ de déplacement incrémental puis de défor-
mation. Nous présentons sur la figure 3 le champ de l’incrément du deuxième invariant de la
déformation, entre les étapes 2 et 3 (avant le pic de contrainte) et les étapes 3 et 4 (juste après le
pic). On peut voir que la localisation s’initie avant le pic de contrainte, vers l’une des extrémités
de l’échantillon, alors que cela n’est pas visible sur les coupes tomographiques. Après le pic,
la localisation est entièrement propagée au travers de l’échantillon, et une seconde bande est
également visible.





























































FIG. 3 – Champs de l’incrément de cisaillement (deuxième invariant de la déformation) dans l’échan-
tillon entre les étapes (à gauche) 2 et 3, et (à droite) 3 et 4.
4 Conclusions
Un dispositif de chargement mécanique a été développé spécifiquement pour étudier la dé-
formation et la rupture des roches, afin d’être utilisé in situ avec une source à rayons X. L’ima-
gerie en microtomographie a été effectuée sur une ligne de lumière synchrotron à haute énergie,
combinant haute résolution et rapidité d’acquisition des images. Les reconstructions 3D des
images ont permis de révéler les zones de variation de volume induites par la localisation. Cette
simple observation n’étant par contre pas sensible au cisaillement dans les bandes, une méthode
de corrélation d’image en volume a été effectuée. Le champ de déformation a ainsi pu être cal-
culé à différents stades du chargement. Il est montré que la localisation s’initie avant le pic de
contrainte, et se propage entièrement au travers de l’échantillon après le pic de contrainte.
L’association de la tomographie RX et des méthodes de corrélation d’images ouvre des pers-
pectives très riches pour l’étude des géomatériaux. La corrélation nécessite cependant l’exis-
tence d’une texture naturelle du matériau, puisqu’on ne peut y mettre des marqueurs. Cela est
heureusement souvent le cas du fait de l’hétérogénéité de ces matériaux à petite échelle.
Références
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6


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