Statique et rhéologie d'un milieu granulaire confiné

par Guillaume Ovarlez

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Eric Clément.

Soutenue en 2002

à Paris 11, Orsay .


  • Résumé

    Un milieu granulaire confiné dans une colonne s'appuie sur les parois pour s'opposer aux forces extérieures. L'objet de cette thèse est l'étude du couplage entre propriétés mécaniques du milieu et propriétés de surface de la colonne. Nous avons étudié le poids exercé par un milieu granulaire à la base d'une colonne, en définissant une procédure où le matériau est au seuil de glissement en tout point aux parois. Le poids mesuré sature avec la hauteur de billes. La masse de saturation diminue lorsque la densité et la friction aux parois augmentent. L'ajout d'un surpoids sur la surface supérieure du milieu granulaire conduit à un maximum, qui croit avec la densité et la friction aux parois, suivi d'une lente décroissance de la masse pesée en fonction de la masse versée. Le modèle de Janssen décrit parfaitement le milieu granulaire sans surpoids. L'ajout d'un surpoids met en défaut ce modèle, le modèle OSL, et l'élasticité homogène isotrope même si cette dernière reproduit qualitativement tous les phénomènes. Nous avons ensuite poussé le milieu granulaire vers le haut. La force de résistance croît exponentiellement avec la hauteur de billes, conformément au modèle de Janssen adapté à la poussée. A basse vitesse, nous observons un mouvement de stick-slip caractérisé par une force de résistance avant glissement qui croît lorsque la vitesse décroît et lorsque l'humidité augmente, ce que nous expliquons par le vieillissement des contacts aux parois. A haute vitesse, nous observons une transition hystérétique vers un régime de glissement continu caractérisé par une force de résistance qui croit avec la vitesse et l'humidité, avec une phénoménologie différente pour des colonnes différentes. La mesure du coefficient de friction bille-paroi permet de retrouver les phénomènes observés. La poussée d'un système polydisperse révèle un stick-slip régulier a très basse vitesse qui devient irrégulier à haute vitesse, la distribution des glissements s'élargissant vers les petites valeurs.


  • Résumé

    A confined granular material leans on in walls in order to face external forces. This thesis is devoted to the study of the coupling between mechanical properties of the material and surface properties of walls. We first measured the weight at the bottom of a granular material in a column. We defined an experimental procedure such that the material is on the threshold of slipping everywhere at the walls. The measured mass saturates with the height of the packing, the saturation mass decreases with increasing density and friction at the walls. When overweight is added on top of the granular material, we observe a maximum followed by a low decrease of the measured mass as a function of the filling mass. This maximum is higher for high density and friction at walls. Janssen's model seems perfectly adapted to describe the unconstrained granular material. However this model and the OSL model fail to describe tile experiment with overweight on top of the granular material. Isotropic homogeneous elasticity predicts the observed phenomena qualitatively but not quantitatively. We also pushed the granular Column upwards. The resisting force increases exponentially with the height of beads, which we explain with Janssen's model adapted to pushing. For low velocities, we observe a stick-slip motion, characterized by a force before slipping that increases sharply with decreasing velocity and increasing humidity. We explain this phenomenon aging of static friction at walls. For higher velocities, we observe a hysteretic transition to steady-sliding motion, characterized by a resisting force increasing with velocity and humidity. The observed phenomena differ for different columns. A direct measure of bead-wall friction shows similar phenomenology. The study of a polydisperse system shows regular stick-slip motion for very low velocities becoming irregular for higher velocities, slip distribution getting larger with smaller values of slip events.

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Informations

  • Détails : 234 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.223-234.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2002)140
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