Thermodynamic-based model for the thermo-poro-elastoplastic behavior of saturated clay

ABSTRACT: The thermo-poro-mechanical or thermo-hydro-mechanical (THM) coupling in clay related geomaterials is one of the most important issues in sustainable geotechnics. Clay soils have complex mineral composition and microstructure; thus, the study of thermo-poro-mechanical behavior is complicated. Previous studies shed little light on the difference between a thermal plastic strain and thermally induced dehydration behaviors. In this study, we propose a thermodynamic-based constitutive model for describing the thermo-poro-elastoplastic behavior of saturated clay. The proposed model considers the effect of temperature variation and mechanical loading on elastoplastic strains and dehydrations. The thermo-mechanical behavior is captured by using the thermodynamics laws and subloading surface plasticity. The hardening rule is established by using laws of physical conservation, energy dissipation and plastic flow. Dehydration behavior is considered using the laws of thermodynamics for chemical processes. A comparison between model predictions and experimental data for some clay soils with different geological origins is presented and a reasonable result is achieved.

RÉSUMÉ: Le couplage thermo-poro-mécanique ou thermo-hydro-mécanique (THM) dans les géomatériaux liés à l'argile est l'un des enjeux les plus importants de la géotechnique durable. Les sols argileux ont une composition minérale et une microstructure complexes; ainsi, l'étude de la thermo-poro-mécanique est compliquée. Des études antérieures ont peu éclairé la différence entre la déformation plastique thermique et les comportements de déshydratation induite thermiquement. Dans cette étude, nous proposons un modèle constitutif thermodynamique pour décrire le comportement thermo-poro-élastoplastique de l'argile saturée. Le modèle proposé tient compte de l'effet de la variation de température, de la charge mécanique et du taux de charge sur les déformations élastoplastiques et les déshydrations. Le comportement thermo-mécanique est capturé en utilisant les lois de la thermodynamique et la sous-charge de la plasticité de la surface. La règle de durcissement est établie en utilisant des lois de conservation physique, de dissipation d'énergie et d'écoulement plastique. Le comportement de déshydratation est considéré en utilisant les lois de la thermodynamique pour les processus chimiques. Une comparaison entre les prédictions du modèle et les données expérimentales pour certains sols argileux de différentes origines géologiques est présentée et un résultat raisonnable est obtenu.