Étude expérimentale et numérique de la cohésion géométrique dans les systèmes granulaires composés de particules hautement non convexes

Experimental and numerical investigation of geometric cohesion in granular systems composed ofhighly non-convex particles

• Auteur / Autrice : David Aponte
• Direction : Emilien Azéma, Nicolás Estrada Mejía
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Universidad de los Andes (Bogotá, Colombia ; 1948-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Breul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Ruiz, Stéphanie Debœuf, Bernardo Caicedo, Mathieu Renouf, Jonathan Barés
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Bonelli, Riccardo Artoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Particules (matière)

Milieux granulaires

Mots clés libres

Cohésion géométrique

Non convexes particules

Matériaux granulaires

Geometric cohesion

Non-Convex particles

Granular materials

Résumé

La résistance au cisaillement dans les matériaux granulaires s'explique souvent à l'aide du critère de rupture de Mohr-Coulomb. Ce critère repose sur deux paramètres clés : l'angle de frottement interne et la cohésion. L'angle de frottement interne est généralement lié à la rugosité et à la forme des particules, tandis que la cohésion est associée aux forces d'adhérence agissant entre les grains. Des recherches récentes ont introduit un nouveau domaine d'étude, mettant l'accent sur le potentiel des effets cohésifs dans les matériaux granulaires, sans nécessiter de forces d'adhérence. Ces études ont montré que dans les systèmes composés de particules de formes allongées (telles que les particules en forme de bâtonnet) ou de formes très non convexes (comme les particules en forme d'étoile), des effets cohésifs macroscopiques peuvent se développer en conséquence de la forme des particules et du frottement de contact. Cette thèse présente une étude sur ce phénomène, communément appelé ``cohésion géométrique''.Nous avons étudié la stabilité des systèmes colonnaires en utilisant à la fois des expériences et des simulations numériques. Notre objectif est d’explorer la relation entre la forme des particules et le développement de la cohésion géométrique au sein du système.Nos résultats réaffirment, dans la continuité des études précédentes, que la forme des particules est un facteur clé dans l’émergence de la cohésion géométrique et apportent un nouvel éclairage sur ce phénomène. En faisant varier systématiquement la forme des particules au sein d'une famille géométrique donnée, nous avons pu déterminer les formes optimales pour lesquelles les effets de cohésion sont maximisés. Nous avons également mis en évidence une relation claire entre le frottement de contact et la cohésion géométrique.Enfin, nous avons analysé la densité et la connectivité des systèmes bidimensionnels, en identifiant les caractéristiques microstructurales qui favorisent l’émergence d’un comportement de type solide dans ce type de systèmes granulaires

Shear strength in granular materials is often explained using the Mohr-Coulomb failure criterion.This criterion relies on two key parameters: internal friction angle and cohesion.The internal friction angle is typically linked to the roughness and shape of the particles, while cohesion is related to the adhesive forces acting between the grains.Recent research has introduced a new area of study, emphasizing the potential for cohesive effects in granular materials without the need for adhesive forces.These studies have shown that in systems composed of particles with elongated shapes (such as rod-shaped particles) or highly non-convex shapes (like star-shaped particles), macroscopic cohesive effects can develop as a consequence of particle shape and contact friction.This thesis presents an investigation on this phenomenon, commonly termed ``geometric cohesion''.We investigated the stability of columnar systems using both experiments and numerical simulations.Our objective was to investigate the relationship between particle shape and the development of geometric cohesion within the system.Our results reaffirm, in line with previous studies, that the shape of the particles is a key factor in the emergence of geometric cohesion, shedding new light on this phenomenon.By systematically varying the shape of the particles within a given geometric family, we were able to determine the optimal shapes for which the cohesive effects are maximized.We also found a clear relationship between contact friction and geometric cohesion.Finally, we analyzed the density and connectivity of two-dimensional systems, identifying the microstructural features that enable the emergence of solid-like behavior in this type of granular systems.