Fluage et fluidité d'un empilement granulaire sous contrainte

par Van Bau Nguyen

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Ary Bruand et de Eric Clément.

Soutenue le 03-11-2011

à Orléans , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et technologies (Orléans) , en partenariat avec Institut des sciences de la terre d'Orléans (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Louis Rouet.

Le jury était composé de Ary Bruand, Eric Clément, Jean-Louis Rouet, Yoël Forterre, Farhang Radjai, Christian Hartmann.

Les rapporteurs étaient Yoël Forterre, Farhang Radjai.


  • Résumé

    L’objectif principal de la thèse a été d’identifié expérimentalement les comportements mécaniques et rhéologiques de milieux granulaires dans un environnement à complexité croissante. En particulier, je me suis intéressé aux phénomènes de fluage sous contrainte en essayant de mieux comprendre l’impact des vibrations et la présence d’une faible quantité d’eau piégée entre les pores. J’ai monté un système cissométrique permettant de réaliser des tests mécaniques de fluage. Une originalité de mon montage a été de mettre au point un système de lit fluidisé qui, en alliant flux d’air et vibration, m’a permis de fabriquer des empilements à compacité initiale contrôlée. J’ai étudié les propriétés fondamentales de fluage sous contrainte d’un empilement granulaire de billes de verre de taille d = 200μm sous le seuil de Coulomb. Cette étude a mis en évidence que les seuils de Coulomb varient fortement avec la compacité, mais en plus, on a mis en évidence une contrainte appelée " contrainte de première rupture " qui traduit des réorganisation internes dans l’empilement et qui est d’environ 1/3 de la contrainte seuil maximale. En outre, grâce à la précision de la mesure de déformation, on a obtenu les réponses élastiques à de petits cycles en contrainte et on a établi que le module cisaillement élastique G augmente linéairement en fonction de la compacité, en accord avec le modèle d’élasticité non-linéaire de Hertz (modèle de champ moyen). Nous avons réalisé aussi une étude paramétrique complète du fluage en variant systématiquement la compacité et la contrainte de cisaillement. Notre étude sur les seuils de contrainte, l’élasticité effective et la dynamique de fluage, a été prolongée pour des empilements sous vibration générés par des transducteurs piézo-électriques enfouis sous la surface. Ce montage permet en outre par injection dans le granulaire d’un gaz saturé en vapeur d’eau, d’imposer sous un faible gradient thermique une condensation et d’obtenir une quantité contrôlée d’eau piégée dans l’empilement. Cette méthode permettra par la suite d’aborder le cas de granulaires cohésifs.

  • Titre traduit

    Creep and fluidity of a granular packing under shear stress


  • Résumé

    The main objective of the thesis was to identify experimentally the mechanical and rheological behavior of granular media in an environment varying in complexity. In particular, I was interested to creep phenomenon under stress in trying to understand better the impact of vibration and the presence of a small amount of water trapped between the grains. I set up a system to perform mechanical creep tests. Originality of my setup was the fluidized bed which uses air flow and vibration, and thus allows the control of the initial packing fraction. I studied the basic properties of creep strain of a granular resulting from a packing of glass beads of size d = 200 μm under the Coulomb threshold. This study showed that the Coulomb thresholds vary strongly with the packing fraction. In addition, it showed a stress called "the first rupture", that results from internal reorganizations in the granular medium and which is approximately 1/3 of the maximum stress threshold. Moreover, thanks to the precision of measuring deformation, we obtained the elastic response with small stress cycles, and we found that the shear elastic modulus G increases linearly with the packing fraction, in agreement with the model of nonlinear elasticity of Hertz (mean field). We performed a parametric study of creep in varying the packing fraction and shear stress. In all cases, we found the dynamics of logarithmic strain for long times. Our study on stress threshold, the elastic modulus and dynamics of creep, has been extended to granular medium under vibration generated by piezoelectric transducers buried under the surface. A small amount of water can be added and thus modifies the mechanical properties by the presence of capillary bridges. Preliminary experiments show the dependence of the Coulomb threshold of the elastic response and dynamic creep with an amount of water content.


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