Rhéologie des matériaux granulaires non saturés

par Michel Badetti

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Jean-Noël Roux et de François Chevoir.

Soutenue le 09-10-2017

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre-Yves Lagrée.

Le jury était composé de Jean-Noël Roux, Abdoulaye Fall, Patrick Richard.

Les rapporteurs étaient Bruno Chareyre, Guillaume Ovarlez.


  • Résumé

    Nous reportons dans ce travail le comportement mécanique, dans le régime solide et en écoulement, de matériaux granulaires liés par un liquide non saturant, qui intervient par sa viscosité et par des effets capillaires. De tels matériaux, intermédiaires entre les assemblages granulaires secs et les suspensions très concentrées, sont étudiés expérimentalement et par simulations discrètes depuis la microstructure jusqu'au comportement macroscopique. Ainsi, on adopte une démarche multi-échelle, dont l’objectif est d’établir les fondements de la compréhension des phénomènes capillaires et/ou visqueux, qui interviennent dans la formulation de lois de comportement, et d'y intégrer une caractérisation de la microstructure de ces matériaux. Nous nous intéressons notamment au modèle d'interactions capillaire et visqueuse par ponts simples, dans un cadre où l'on fait varier l'inertie, le degré de confinement, le degré de friction du matériau ainsi que la quantité de liquide introduite. Pour répondre à cet objectif, ce travail de thèse s’articule autour des trois volets suivants :- Un travail de rhéologie expérimentale macroscopique sur matériau modèle (billes de polystyrènes monodisperses, mouillées avec une huile de silicone newtonienne) qui nous permet de délimiter des régimes d'écoulement et de caractériser l'influence de l'effet cohésif. Le format expérimental adopté nous permet de cisailler les échantillons sur des temps très longs et d'atteindre des régimes d'écoulement stationnaires. Ainsi, à l'instar des matériaux secs, on retrouve des régimes quasistatiques puis inertiels à mesure que la vitesse d'écoulement augmente. On met aussi en avant une très forte influence de l'effet cohésif qui tend à augmenter drastiquement la résistance au cisaillement et à diminuer la compacité de nos échantillons.- Des expériences de microtomographie à rayons X qui permettent d'étudier la microstructure à l'état statique. On remarque notamment une bonne homogénéité des échantillons, qu'ils soient faiblement ou fortement saturés. On détecte aussi un nombre non-négligeable de morphologies capillaires complexes, ce qui, par comparaison aux résultats de rhéologie macroscopique, ne semble pas influencer les propriétés d'écoulement. Ce résultat est particulièrement intéressant puisqu’il montre la capacité du modèle d’interactions par pont simple à décrire le comportement de systèmes à priori hors de sa portée descriptive.- Des simulations numériques discrètes qui nous permettent d'élargir fortement la gamme de paramètres étudiés, notamment avec des caractéristiques du matériau comme la friction de Coulomb. L'étude micromécanique, permise par les simulations, autorise aussi l'analyse des questions d'anisotropie, de coordination et de contraintes capillaires. On met en avant l'importance des interactions capillaires à distance lors de l'utilisation d'un modèle de contraintes effectives. Les limites de ce modèle, usuellement adapté à la description du comportement en régime quasi-statique, sont aussi testées et discutées dans le régime inertiel. La bonne concordance entre résultats expérimentaux et numériques nous aura permis de valider et calibrer un modèle numérique qui, en retour, aura donc fourni une analyse viable des effets microstructurels pour la compréhension du comportement et la transition de l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique

  • Titre traduit

    Rheology of unsaturated granular materials


  • Résumé

    With this doctoral research, we report on the solid and liquid-like mechanical behaviors of wet granular materials, which exhibit viscous and capillary effects. Such systems, standing between dry and immersed granular materials, are studied both in experiments and discrete numerical simulations, from the microstructural aspects to the mechanical behavior. We therefore adopt a multiscale approach whose purposes are to understand the origins and roles of capillary and viscous effects in constitutive laws and to include a microstructural description within these laws. We are interested in the simple bridge model for the illustration of viscous and capillary effects in the case of quasistatic and inertial flows, where the confining forces, the Coulomb friction and the liquid quantity can vary. To answer such questions, this thesis is articulated around the 3 following topics :- A study based on macroscopic rheological experiments with a simple model material (monodisperse polystyrene beads, wetted with a Newtonian silicon oil) which enables us to distinguish the flow regimes and to characterize the influence of cohesive effects. The experimental framework allows for long time shearing experiments, where the materials can reach their steady state behavior. Alike dry systems, wet granular materials still exhibit a quasistatic and an inertial regime with increasing flow velocity. We show the noticeable influence of capillary effects which strongly increases the shear resistance and reduces the materials density.- X-ray microtomographic experiments enabling the microstructural study of static samples. We witness a good homogeneity of our samples whether slightly or strongly saturated. A non-negligible number of very complex capillary bonds were detected, which stresses, when compared with macroscopic rheological results, their lack of influence on the flow properties. This result is very noticeable as it demonstrates the ability of the simple bridge model to illustrate the behavior of materials which would not be included a priori within its reach.- Discrete numerical simulations allowing us to strongly improve the range of the parameters of the study, especially in the case of material characteristics such as Coulomb friction. The micromechanical study emerging from simulations, allows us to analyze anisotropy, coordination and capillary stresses questions. We underline the great importance of long-range capillary interactions when using an effective stress model. The limits of such model, usually adopted to describe the behavior in the quasistatic regime, are also tested and debated in the inertial regime. The good agreement between numerical and experimental results enabled us to validate and calibrate a numerical model which, in return, offered a reliable analysis of microstructural effects for the understanding of the mechanical behavior and for the transition from the microscopic to the macroscopic scale


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