Les vagues de tsunami sont des ondes longues générées par des événements géophysiques impulsifs de la croûte terrestre, de volcans, d’impacts d’astéroïdes et de glissements de terrain. Si la majorité des tsunamis sont d'origine tectonique, l'effondrement en masse d'un relief côtier peut constituer une source importante de l’aléa tsunami. Après une brève introduction sur les différentes générations de tsunamis dans l'histoire et les enjeux de cette thèse, le chapitre 1 présente les principaux résultats bibliographiques sur la génération et la propagation de tsunamis, ainsi qu’un rappel sur l’établissement des équations s’appliquant à l’étude des vagues extrêmes. Le second chapitre est dédié à la présentation des différents codes numériques utilisés dans ce manuscrit, à savoir, Gerris et SPHysics. Le chapitre 3 s'intéresse à la génération de tsunami par l’impact d’un bloc solide. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats numériques des deux codes. A partir de là, une étude systématique a été faite, menant à des lois d’échelles sur le temps d’arrivée et l’amplitude de la première vague générée. Dans le chapitre 4, les interactions entre le glissement de terrain et la vague générée sont étudiées expérimentalement à l'aide d'impact granulaire initialement sec dans l'eau. Une étude systématiques des différents paramètres met en lumière l'importance des propriétés du glissement sur la vague générée. Enfin, Le chapitre 5 est dédié à l’étude de l’effondrement du Cap Canaille à Cassis. Cette étude numérique utilise un modèle de génération et de propagation simplifié afin d'estimer le potentiel destructeur d'un éventuel effondrement majeur. / Tsunami waves are long waves generated by impulsive geophysical events of earth's crust, volcanoes, asteroids impacts or landslides. Even if most of the tsunamis are generated by submarine earthquakes, the massive collapse of coastal landscape may constitute an important source of tsunami hazard. After introducing historical tsunami events, chapter 1 presents a state-of-the-art on the generation and propagation of tsunami waves and the main equations dealing with extreme water waves. Chapter 2 presents the numerical codes used in this thesis: Gerris and SPHysics. Chapter 3 focuses on the generation of tsunami by a solid landslide. Experimental results are compared to numerical simulations obtained using both codes. From this results, we derive scaling laws on the arrival time and amplitude of the first generated wave. The chapter 4 deals with the interactions between the slide and the generated wave by taking into account the impact of an initially dry granular media into water. Systematic studies varying the different parameters exhibit the significance of the internal properties of the slide on the generated wave. Finally, chapter 5 is dedicated to the collapse of the Cap Canaille near Cassis. A idealized model for the generation and the propagation are used to estimate the hazard associated to such a massive collapse.

Ce manuscrit présente une étude expérimentale et théorique sur les écoulements granulaires immergés le long d'un plan incliné, modèle en<br />laboratoire des avalanches sous-marines. L'étude expérimentale porte sur un<br />écoulement granulaire stationnaire et uniforme, complètement immergé dans<br />de l'eau. Les mesures de vitesse et d'épaisseur montrent que la définition<br />d'un nombre sans dimension dépendant d'un rapport de deux temps caractéristiques permet de comprendre quantitativement de tels écoulements.<br />L'adaptation de ce nombre sans dimension à un écoulement sec ou immergé<br />permet de définir de manière universelle une rhéologie de friction. Intégrée<br />aux équations moyennées dans l'épaisseur, cette rhéologie permet de définir<br />un critère de stabilité entre les écoulements stationnaires et des écoulements<br />instables, en accord qualitatif avec les observations expérimentales. Pour<br />mieux comprendre le rôle du fluide interstitiel, nous avons étudié numériquement<br />la trajectoire d'un bloc poreux en écoulement le long d'une pente rugueuse.<br />Outre la dissipation visqueuse, la présence du fluide peut apporter une lubrification modifiant les trajectoires du bloc poreux, et les angles<br />d'écoulements stationnaires. La dernière partie du manuscrit présente des<br />perspectives sur les écoulements immergés instationnaires ainsi qu'un ensemble<br />de conclusions.

Pour comprendre la grande mobilité des écoulements naturels, nous nous sommes intéressés à l'étude des écoulements granulaires monodisperses et bidisperses. L'étude des écoulements granulaires monodisperses a montré l'existence d'un diamètre de billes pour lequel la friction est maximum. Ce diamètre dépend des caractéristiques du plan rugueux (diamètre des rugosités et espacement entre les rugosités), et peut être déterminé à l'aide d'un modèle de stabilité sans paramètre ajustable. L'étude des écoulements bidisperses a mis en évidence, du fait de la répartition inhomogène des billes lors de l'écoulement de nombreuses interactions, réparties suivant deux effets : les “effets de lignes” qui ont une influence sur la morphologie du dépôt (formation ou non de doigt) et les “effets d'interface” (interactions des petites billes avec le plan rugueux et interaction des petites billes avec les grosses billes) qui ont une influence sur l'épaisseur du dépôt et sur la rhéologie de ces écoulements.

En 1970, George K. Batchelor suggérait que la connaissance des lois de l'hydrodynamique rendait possible la dérivation de propriétés rhéologiques macroscopiques telle la viscosité, à partir de la connaissance de la microstructure d'une suspension de particules. Quarante ans plus tard, ses espoirs ne se sont pas concrétisés et la rhéologie des suspensions,notamment en régime concentré, reste un domaine de recherche très actif.Considérant des suspensions modèles de particules non colloïdales dans un liquide newtonien, le travail expérimental réalisé au cours de cette thèse s'est d'abord attaché à unifier les concepts classiquement définies en rhéologie des suspensions et ceux issus des récentes avancées sur les écoulements granulaires. Dans ce but, un dispositif original de cisaillement à pression imposée a été développé et a permis une caractérisation claire des équations constitutives en régime très dense.Par la suite, des configurations d'écoulements à surface libre ont été utilisées pour la mesure des deux différences de contraintes normales.Enfin, la mise en cohérence de l'ensemble des résultats expérimentaux donne une formulation complète et cohérente de la rhéologie des suspensions non colloïdales. / In 1970, George K. Batchelor suggested that the knowledge of the laws of hydrodynamics made ​​possible the derivation of macroscopic rheological properties such as the effective viscosity, from the knowledge of the microstructure of a suspension of particles. Forty years later, his hopes have not materialized and the rheology of suspensions, particularly in the concentrated regime, remains an area of ​​active research. Considering suspensions of non-colloidal particles in a Newtonian liquid, the experimental work in this thesis was first attached to unify the concepts traditionally defined rheology of suspensions and those from recent advances on granular flows. For this purpose, an original of shear imposed pressure was developed and showed a clear characterization of constitutive equations in the dense regime. Subsequently, the configurations of free surface flows have been used for the measurement of both normal stress differences. Finally, the coherence of all the experimental results gives a complete and consistent formulation of the rheology of non-colloidal suspensions.

Bien qu'intervenant dans de nombreuses situations industrielles et géophysiques, les écoulements granulaires sont aujourd'hui encore mal compris. Dans cette thèse, nous étudions deux instabilités qui apparaissent lorsque l'on fait couler un milieu granulaire par gravité sur un plan incliné rugueux. Nous avons tout d'abord étudié une nouvelle instabilité observée dans le régime d'écoulement rapide et dilué, lorsque le plan est fortement incliné. Cette instabilité se manifeste par l'apparition spontanée de vortex longitudinaux au sein de l'écoulement. A partir de mesures expérimentales, nous proposons un mécanisme d'instabilité qui fait appel au concept de "température granulaire". Ce mécanisme est ensuite validé par une analyse de stabilité dans le cadre de la théorie cinétique des milieux granulaires. La deuxième instabilité que nous avons étudiée apparaît dans le régime d'écoulement dense. Dans certains cas, on observe la formation de vagues de grande longueur d'onde qui se propagent dans la direction de l'écoulement. Nous avons étudié expérimentalement la formation de ces ondes de surface en forçant l'instabilité, dans l'esprit des expériences sur les systèmes ouverts en mécanique des fluides. Les résultats sont ensuite confrontés à une approche moyennée dans l'épaisseur. Cette étude montre que les propriétés de l'instabilité "classique" en ondes de surface peuvent être profondément modifiées par la rhéologie des écoulements granulaires denses.

Les études présentées dans ce mémoire portent sur la simulation numérique et l'analyse physique des milieux granulaires immergés dans un fluide. Des développements numériques ont été réalisés pour coupler la méthode Lattice Boltzmann pour la dynamique du fluide avec la méthode de Contact Dynamics en 2D et avec la méthode Molecular Dynamics en 3D pour la dynamique des grains. Ces outils numériques ont été utilisés pour étudier l'initiation des avalanches sur un plan incliné en fonction de la compacité initiale et de l'angle d'inclinaison en 3D. Les résultats sont en bon accord quantitatif avec les expériences et ont permis de mettre en évidence la stabilisation de la pente granulaire par une pression négative du fluide interstitielle induite par la dilatance, et l'évolution spatiotemporelle des grandeurs telles que la compacité et la déformation de cisaillement. Ces évolutions dans la phase de fluage qui précède la rupture de pente ont pu être mises à l'échelle par un modèle théorique incorporant la loi de Darcy et l'effet de la dilatance sur l'angle de frottement interne. L'analyse de la texture granulaire a révélé la distorsion du réseau des contacts pendant le fluage et la saturation de l'anisotropie comme un critère de rupture. La propagation des avalanches granulaires a été étudiée dans la configuration 2D pour deux géométries différentes : 1) l'effondrement et l'étalement d'une colonne sous son propre poids, 2) l'étalement d'une pente sous l'effet d'une énergie cinétique injectée. Nous avons en particulier montré que la distance et la durée d'étalement obéissent à des lois de puissances en fonction du rapport d'aspect initial ou de l'énergie injectée. Le fluide exerce deux effets contradictoires : réduire les temps de relaxation et lubrifier les contacts. Ces effets ont été analysés dans le régime visqueux en fonction des conditions initiales et la viscosité du fluide. / By means of numerical simulations, we investigate the behavior of granular materials immersed in a fluid. Numerical developments were carried out to interface the Lattice Boltzmann Method for fluid dynamics with the Contact Dynamics method in 2D and with the Molecular Dynamics method in 3D for the simulation of the grains. Extensive simulations were applied to study the initiation of avalanches in a granular bed inclined at an angle above its angle of repose as function of the initial packing fraction and slope angle in 3D. The results are in excellent quantitative agreement with the reported experimental data, and show the stabilization of the granular bed by a negative pore overpressure induced by the dilatancy of the bed and the spatiotemporal evolution of the packing fraction and the shear deformation. The time evolution of these variables during the creeping phase before slope failure is scaled by a theoretical model accounting for darcian drag forces and the effect of dilatancy on the internal friction coefficient. We also analyzed the granular microstructure, which shows a gradual distortion of the contact network during creep at nearly a constant connectivity and the saturation of the anisotropy at failure. The runout of granular avalanches were investigated in 2D for two different configurations : 1) the collapse of a granular column under its own weight and 2) the runout of a granular pile as a result of kinetic energy supplied directly to the grains. We find power-law dependence of the resulting runout lengths and times with respect to the initial geometry or energy of the system. The time scales are shown to be consequence of two competing effects of the fluid on the grains : reducing relaxation times by viscous friction and the lubricating the contacts between grains.