Visualisation de l'échec et du comportement mécanique associé à l'échelle des grains des sols granulaires sous cisaillement à l'aide de la micro-tomographie synchrotron à rayons X

Il est largement reconnu que les propriétés mécaniques à l’échelle macro du sol granulaire, telles que la rigidité, la résistance au cisaillement et la perméabilité, sont essentielles à de nombreuses structures géotechniques, par exemple, les fondations, les pentes et les barrages de remplissage des roches. Pendant de nombreuses années, des tests sur place et des tests de laboratoire conventionnels (p. ex., des tests de compression unidimensionnelle, des tests de compression triaxiale et des tests de perméabilité) ont été utilisés pour évaluer ces propriétés dans différents sols. Des codes et des normes pour l’essai des propriétés mécaniques du sol ont également été élaborés à des fins d’ingénierie. Bien que ces propriétés mécaniques à l’échelle macro aient été étudiées de façon intensive, le comportement mécanique à l’échelle du grain (p. ex., la cinématique des particules, l’interaction avec les contacts et la localisation des souches) qui régit ces propriétés a attiré beaucoup moins d’attention de ingénieurs et chercheurs. L’une des raisons est l’absence de méthodes expérimentales efficaces disponibles pour explorer le comportement mécanique à l’échelle du grain des sols.

Jusqu’à présent, la plupart de la compréhension du comportement mécanique à l’échelle du grain des sols granulaires provenait de la modélisation discrète des éléments¹ (DEM), en raison de sa capacité à extraire des informations à l’échelle des particules (p. ex., la cinématique des particules et le contact avec les particules forces). Dans des études antérieures sur l’utilisation de techniques DEM pour modéliser les comportements mécaniques du sol granulaire, chaque particule individuelle était simplement représentée par un seul cercle ou sphère dans le modèle. L’utilisation de telles formes de particules trop simplifiées a conduit à la surrotation des particules et donc à un comportement de force de pointe plus faible². Pour obtenir une meilleure performance de modélisation, de nombreux chercheurs ont utilisé un modèle de résistance au roulement^3,4,5,6 ou des formes de particules irrégulières^{7,8, 9,10,11,12} dans leurs simulations DEM. En conséquence, une compréhension plus réaliste du comportement cinématique des particules a été acquise. Mis à part la cinématique des particules, LE DEM est de plus en plus utilisé pour étudier l’interaction avec le contact avec les grains et pour développer des modèles théoriques. Cependant, en raison de l’exigence de reproduire des formes de particules réelles et l’utilisation de modèles de contact sophistiqués, DEM nécessite une capacité de calcul extrêmement élevée dans la modélisation des sols granulaires avec des formes irrégulières.

Récemment, le développement d’équipements optiques et de techniques d’imagerie (p. ex., le microscope, la tomographie assistée au laser, la tomographie par rayons X (TC) et la micro-tomographie par rayons X( TCD)) a fourni de nombreuses possibilités d’examen expérimental de la comportement mécanique à l’échelle du grain des sols granulaires. Par l’acquisition et l’analyse d’images d’échantillons de sol avant et après les essais triaxiaux, ces équipements et techniques ont été utilisés dans l’étude des microstructures du sol^{13,14,15,16 ,17,18,19}. Plus récemment, les tests in situ avec CT à rayons X ou CT ont été de plus en plus utilisés pour étudier l’évolution du rapport vide²⁰, distribution de souches^21,22,23,24, mouvement de particules^25,26,27,28, contact interpartie^29,30,31 et concassage de particules³² de sols granulaires. Ici, « in situ » implique un balayage aux rayons X effectué en même temps que le chargement. Contrairement à la numérisation générale des rayons X, les tests in situ de balayage aux rayons X nécessitent un appareil de chargement spécialement fabriqué pour fournir des contraintes aux échantillons de sol. Avec l’utilisation combinée de l’appareil de chargement et de l’appareil CT à rayons X ou CT, les images CT des échantillons à différentes étapes de chargement des essais peuvent être acquises de manière non destructive. Sur la base de ces images CT, des observations à l’échelle des particules du comportement du sol granulaire peuvent être acquises. Ces observations basées sur l’image cT au niveau des particules sont extrêmement utiles pour vérifier les résultats numériques et pour obtenir de nouvelles informations sur le comportement mécanique à l’échelle du grain des sols granulaires.

Cet article vise à partager les détails de la façon dont un test de balayage in situ de rayons X d’un échantillon de sol peut être effectué, à l’aide d’une expérience exemplaire qui observe la cinématique des particules, la localisation des souches et l’évolution du contact interpartie au sein d’un échantillon de sol. Les résultats montrent que les tests de balayage in situ aux rayons X ont un grand potentiel pour explorer le comportement au niveau du grain des sols granulaires. Le protocole couvre le choix de l’appareil de radiographie et la préparation d’un appareil de chargement triaxial miniature, et des procédures détaillées pour effectuer le test sont fournies. En outre, les étapes techniques pour l’utilisation du traitement et de l’analyse de l’image pour quantifier la cinématique des particules (c.-à-d. la traduction des particules et la rotation des particules), la localisation des souches et l’évolution du contact entre les particules (c.-à-d. le contact, la perte de contact et contact) du sol sont décrits.