Ce travail de recherche est une contribution à l'étude de la propagation d'ondes élastiques dans les milieux granulaires. L'objectif principal est d'analyser deux aspects particuliers qui influencent la propagation, d'une part le degré de liberté en rotation des grains et d'autre part les non-linéarités de contact. Dans le cadre de ce travail, des structures granulaires périodiques et unidimensionnelles sont étudiées.L'apport principal de ce travail est la mise en évidence expérimentale et la modélisation d'ondes de rotation pures dans une chaîne granulaire composée de billes magnétiques. Le point de départ de la modélisation est la description du contact en torsion entre deux sphères jusqu'au premier ordre de non-linéarité. Pour un moment de torsion oscillant, il est montré un comportement de type purement hystérétique quadratique. Généralement, cette non-linéarité coexiste avec d'autres types de non-linéarités (quadratique, clappement, ...) et certains de ses effets n'ont jamais été observés. Pour la première fois, la distorsion d'ondes impulsionnelles par une non-linéarité hystérétique est mise en évidence et modélisée.D'autres effets liés à la dispersion et aux non-linéarités de contact dans une chaîne diatomique sont étudiés théoriquement et expérimentalement. En particulier, la génération de l'harmonique 2 des ondes de compression présente une richesse intéressante selon leur caractère propagatif, fortement dispersif ou évanescent.Outre les apports fondamentaux, les résultats obtenus peuvent trouver des applications dans le domaine du contrôle des ondes : filtres acoustiques dépendant de l'amplitude, convertisseurs de fréquences, rectificateurs et diodes acoustiques, ... . / This research is a contribution to the study of the propagation of elastic waves in granular media. The main purpose is to analyze two particular aspects that influence the propagation, first the rotation motion of grain and other nonlinearities of contact. As part of this work, the periodic one-dimensional granular structure is studied. The main contribution of this work is the experimental demonstration and modeling purely rotational wave in a granular chain composed of magnetic beads. The starting point of modeling is the description of the pure shear coupling at the contact between two spheres excited in torsion up to the first order of nonlinearity. For a oscillating torque, pure nonlinear quadratic hysteretic behaviour is shown. Generally, this nonlinearity coexists with other types of nonlinearities (quadratic, clapping, ...) and some of its effects have not been observed. For the first time, the transformation of pulse profile in a medium with pure hysteretic quadratic nonlinearity, essentially different from the distortion by classical nonlinearities, is reported.Other effects related to the dispersion and nonlinearity of contact in a diatomic chain are studied theoretically and experimentally. In particular, the generation of the 2nd harmonic wave compression presents an interesting behaviour according to their propagating nature, highly dispersive or evanescent. Apart from the fundamental interests, the results may find applications in the field of wave control: amplitude dependent filtering devices, rectifiers, actuating devices, acoustic diodes, ... .

Ce travail de thèse est l'étude expérimentale de la propagation des ondes acoustiques dans un milieu granulaire sec et confiné. Ces ondes permettent de sonder de manière non invasive les propriétés viscoélastiques et la structure hétérogène du milieu, mais peuvent aussi être utilisées comme perturbation contrôlée pour étudier le réarrangement des réseaux des forces. Dans une première partie, nous nous intéressons à la propagation des ondes cohérentes dans les empilements des billes de verre et aussi dans ceux des grains irréguliers (sable). En régime linéaire, un très bon accord est retrouvé entre les vitesses d'onde de compression mesurées et celles prédites par la théorie des milieux effectifs, ce qui permet d'accéder au nombre de coordinance Z. En régime non linéaire, nous observons à la fois un softening et un hardening de la vitesse d'onde de compression à cause du changement de Z induit pat la forte vibration. La deuxième partie étudie la propagation des ondes multiplement diffusées. Nous montrons que le transport de ces ondes dans un milieu granulaire peut être décrit par le modèle de diffusion. Le coefficient de diffusion et l'absorption inélastique sont déterminés en fonction de la contrainte de confinement et de la fréquence d'onde incidente. Le libre parcours moyen versus la longueur d'onde relèvent deux régimes distincts du transport des ondes diffusées à basse et à haute fréquence. De plus, une décroissance non exponentielle est observée sur le profile d'intensité des ondes diffusées à temps long lorsque la fréquence de l'onde incidente devient importante. Une étude paramétrique basée sur la renormalisation du coefficient de diffusion est effectuée pour comprendre l'origine de ce transport diffusif anomal. Enfin, nous développons un dispositif (MRT) pour effectuer l'opération du retournement temporel dans un milieu granulaire. En régime linéaire, la recompression temporelle et la refocalisation spatiale sont vérifiées. Cependant, en régime non linéaire, nous observons que le processus du retournement temporel est brisé par l'interaction irréversible onde-matière, dû au changement ou réarrangement des réseaux des forces / This experimental work describes sound propagation in dry granular media. These sound waves provide a non invasive method to probe the viscoelastic properties and the heterogeneous structure of the materials. They may also be served as controlled perturbation to study the nonlinear response due to the rearrangements of the contact force networks. In the first part, we investigate the coherent wave propagation both in the packings of glass beads and those of irregular grains such as sands. In the linear regime, measured compressional wave velocities are in good agreement with the effective medium theory, giving access to the coordination umber Z. In the nonlinear regime, we observe both softening and hardening of the sound velocity, likely stemming from the change in Z caused by the strong vibration. In the second part, we study the multiple scattering of short-wavelength elastic waves in granular media. It is shown that the wave transport can be well described by the approximation of diffusion. We determine the diffusion constant and the inelastic absorption time as a function of the confining pressure and the frequency of the incident wave. The plot of the mean transport free path versus the wavelength shows two distinct regimes of transport in low- and high-frequency. Moreover, we find time-resolved intensity profile of multiply scattered waves exhibit a non exponential decay in long time, thus deviated from the classic diffusive transport. A parametric study using the renormalized diffusion constant is performed in order to understand the underlying physics of such anomaly wave transport. Finally, we perform a first experimental study of the time-reversal of ultrasound in glass bead packings. In the linear regime, we obtain by time-reversal processes both a temporal recompression and a spatial refocusing at the source transducer of an ultrasonic pulse transmitting through the disordered force networks. However, in the nonlinear regime, we observe a breakdown of the time-reversal of ultrasound due to the structural change of the materials, i.e. sound-induced rearrangement of the force networks

Ce travail de thèse a pour objet d’analyser le processus de dissipation d’énergie dans les amortisseurs par milieux granulaires. Des études de nature expérimentale, analytique et numérique ont été menées afin de pouvoir détecter les paramètres clefs agissant sur la dissipation; un modèle expérimental minimal a été présenté en premier lieu afin de mettre en évidence l’efficacité des milieux granulaire en tant qu’amortisseurs de vibrations. Un second modèle expérimental plus élaboré a été développé, avec de multiples protocoles expérimentaux, pour mener une étude paramétrique et détecter leurs impacts sur l’évolution du facteur de perte du système. On montre que le coefficient de perte ne dépend pas du matériau des particules ou leur nombre, mais dépend fortement de la masse totale des grains embarqués et sur l’amplitude du signal vibrant. Nos mesures montrent aussi la contribution de l'écoulement visqueux de l'air entourant les grains au facteur de perte globale des amortisseurs.La partie analytique à son tour a permis de retrouver le comportement obtenu expérimentalement par le billet du développement des équations du mouvement du système, celle des énergie cinétique et énergie dissipée afin de proposer enfin une équation maitresse qui décrit l’évolution du facteur de perte réduit au sein de notre système. Pour atteindre une plus grande précision, une modélisation du système granulaire par la méthode des éléments discrets (DEM) a permis de retrouver les mêmes conclusions et ainsi valider les constatations expérimentales et le modèle analytique proposé. / This thesis aims to analyze the process of energy dissipation in particle dampersExperimental, analytical and numerical studies have been conducted in order to identify key parameters influencing the dissipation; minimal experimental model was introduced first to highlight the efficiency of granular media as shock absorbers of vibrations. A second more sophisticated experimental model was developed, with multiple experimental protocols, to conduct a parametric study and detect their impact on the evolution of the system loss factor. It is shown that the loss coefficient is independent of the particle material or their number, but depends strongly on the total mass of embedded grains and on the amplitude of the vibrating signal. Our measurements also show the contribution of viscous flow of the air surrounding the grains to the overall loss factor.The analytical part in turn led to the discovery The behaviour obtained experimentally by the development of the equations of motion of the system, that of kinetic energy dissipated and energy to finally offer a mistress equation which describes the evolution of the loss factor reduced within our system. To achieve greater accuracy, a model of the granular system by the discrete element method (DEM) allowed to find the same conclusions and thus validate the experimental findings and the proposed analytical model.

L'objectif de cette thèse est de déterminer expérimentalement les effets des réactions de dissolution/précipitation de la calcite (CaCO3) en milieux poreux sur les observables géophysiques, à différentes échelles. Elle s'inscrit dans le cadre de la recherche sur le stockage géologique du dioxyde de carbone (CO2). La première partie est consacrée à la conception et la réalisation d'expériences de percolation réactive de fluide riche en CO2 sur des échantillons décimétriques de carbonates, avec suivi en temps réel de la conductivité électrique de la roche et du fluide, du pH du fluide, de la perméabilité de la roche, mesures ponctuelles au cours des expériences de l'alcalinité et de la composition du fluide, et acquisition de profils de vitesses et d'atténuation des ondes sismiques le long de l'échantillon. Ceci, associé à une caractérisation quantitative des échantillons avant et après expérience à différentes échelles, a permis de montrer que l'évolution de la porosité dans les échantillons déterminée par les méthodes électriques et sismiques est en très bonne adéquation avec celle obtenue par la composition des prélèvements chimiques en sortie d'échantillon. À plus grande échelle, nous avons conçu et assemblé une cuve cylindrique, équipée pour effectuer des tomographies de résistivité électrique (ERT) 3D, et pour un suivi par Potentiel Spontané (PS) en surface. Le but de ce dispositif est de réaliser des expériences de précipitation de calcite en milieu granulaire (sable de Fontainebleau), avec un suivi géoélectrique des injections et de l'évolution de la porosité. Les développements expérimentaux, logiciels et tests présentés ont permis de rendre ce dispositif opérationnel pour l'imagerie géoélectrique d'expériences de percolation réactive. Enfin, sur le terrain, nous avons effectué une campagne d'acquisition multiparamètres autour de la source chaude de Syabru-Bensi, au Népal, sous la direction de Frédéric Perrier. Cette mission a consisté en la cartographie multi-méthodes du sous-sol d'un site comprenant une source d'eau chaude et un fort dégagement gazeux, avec notamment d'importantes concentrations de CO2, en faisant un analogue naturel de fuite lors d'un stockage géologique. Un objectif de cette étude est la compréhension de cette zone complexe, du couplage entre les différents phénomènes observés pour comprendre l'origine et le chemin permettant à ces quantités de gaz de parvenir en surface. s'agit également de déterminer la contribution de cette zone au bilan de carbone régional, et d'utiliser ce site pour déterminer la possibilité d'employer la mesure du flux de radon au sol comme précurseur sismique, pour la prédiction du futur grand séisme Himalayen.

Les mouvements collectifs observés dans la nature, tels les nuées d'étourneaux ou les bancs de poissons, peuvent être décrits dans le cadre d'un nouveau type de matière condensée fondamentalement hors d'équilibre : la matière active polaire. Elle est constituée de particules, dites polaires, capables d'utiliser de l'énergie qu'on leur injecte pour se mouvoir dans une direction propre. Nous avons réalisé un système bidimensionnel de disques polaires soumis à une vibration homogène qui n'interagissent que par contact. Ces disques se comportent comme des marcheurs aléatoires, dont les trajectoires présentent une longueur de persistance grande devant leur taille et contrôlée par les fluctuations angulaires de la polarité des disques. Les modes d'alignement résultant du couplage entre la persistance du mouvement et l'interaction de coeur dur entre les particules sont complexes. En particulier, nous observons que seules 10% des collisions se traduisent par un alignement effectif de type ferromagnétique. Pourtant, nous observons l'émergence de mouvements collectifs spontanés au sein du système caractérisés par des fluctuations géantes de densité. Ces résultats montrent la robustesse de l'ordre polaire observé dans les modèles théoriques et numériques de la matière active polaire 2D sur substrat.

Le malaxage est une étape clé de la fabrication des bétons. Il consiste à distribuer de façon homogène et à mouiller tous les constituants présents dans le malaxeur. Ce travail de thèse a été réalisé en utilisant des matériaux modèles (billes de verre), des matériaux de référence présent dans la composition du béton (calcaire, ciment, sable) et différents liquides (eau, isopropanol, glycérol). Cette étude a permis d’identifier les leviers d'optimisation de l’opération de malaxage, et de clarifier la notion de bonne ou mauvaise malaxabilité d'un système granulaire. D’autre part, il a apporté des éléments de compréhension pour réduire la dépense énergétique et la durée du malaxage. Nous avons montré que le comportement du milieu granulaire en cours de malaxage (résistance au cisaillement, cinétique de mouillage, compacité), est très largement affecté par les propriétés du mélange et les caractéristiques du malaxeur, particulièrement lors de la transition “granulaire sec / granulaire humide”. Une étude (paramétrique) a permis de hiérarchiser ces grandeurs qui ont été classifiées parmi les propriétés individuelles des poudres (taille, forme), les propriétés collectives (empilement), les propriétés du liquide mouillant (viscosité, tension superficielle, présence d’un adjuvant), les propriétés d’interface liquide/solide (angle de contact), et les paramètres opératoires (mode d’addition du liquide). Deux niveaux d’analyse complémentaires ont été utilisés pour étudier l'impact de ces différents paramètres. Le régime dynamique (utilisation d’un malaxeur planétaire de laboratoire) a permis de caractériser le comportement du milieu granulaire malaxé grâce à la mesure de la dépense en intensité. Le régime quasi-statique (cellule annulaire de Schulze) a été utilisé afin de réaliser une approche du malaxage et des contraintes locales de façon simplifiée ( plan de cisaillement de surface connue et vitesse très faible). Ce système a permis de distinguer les parts frictionnelles et cohésives mises en jeu au cours du malaxage. Parallèlement, la porosité du lit granulaire a été mesurée en cours de malaxage. Cette porosité évolue avec la quantité de liquide additionnée, et conditionne en grande partie l’évolution de la résistance au malaxage. / Mixing is an important operation in the elaboration of concrete. It creates a homogeneous distribution of solids and liquid. This work was carried out with model materials (glass beads), reference materials present in the concrete composition (calcite, cement, sand) and different liquids (water, isopropanol, glycerol). This study allowed us to optimize the mixing operation, and to clarify the difference between good and bad mixing. Moreover, the study offered informations allowing to reduce the energy consumption and the mixing time. We showed that the granular medium behaviour during the mixing (shear resistance, wetting kinetic, compacity), is affected a lot by the granular medium properties and by the mixer parameters, particularly during the “dry granular medium / wet granular medium” transitional period. A systematic study allowed us to classify these parameters among the individual powders properties (size, shape), the collective properties (packing), the wetting liquid properties (viscosity, superficial tension, liquid with an adjuvant), the liquid/solid interface properties (contact angle), and the process parameters (liquid addition method). Two complementary analysis levels were used to study the influence of these different parameters. The dynamic regime (using of a laboratory planetary mixer) allowed us to characterise the granular medium behaviour during the mixing, using the intensity consumption measure. The quasi-static regime (Schulze annular shear cell) was used in order to achieve a simplified approach to the mixing and to the local stresses (shear plan with a known surface and low velocity). This system allowed us to distinguish the frictional and cohesive interactions that take place during the mixing. In addition, the porosity of the granular medium was measured during the mixing. This porosity changes with the added liquid amount, and is partially responsible of the shear resistance modifications.

Etude réalisée à partir de travaux de recherche effectués au Centre Expérimental du Bâtiment et des Travaux Publics pour la compréhension du comportement mécanique des sols en tant que milieux granulaires. Le problème de contact intergranulaire est abordé du point de vue de la mécanique rationnelle et du point de vue de la loi de comportement. Formulation de caractéristiques statistiques de l'état mécanique d'un milieu granulaire. Il s'agit du prolongement à un milieu des paramètres d'état d'un système en vue de faire intervenir ces paramètres dans des lois statistiques qui régissent le comportement d'un milieu granulaire. Compte-rendu et interprétation d'essais effectués au CEBTP sur un nouveau matériau granulaire artificiel.

L'étude du comportement de l'argile de l'Aptien, utilisée en couverture d'étanchéité des ISD, proche de la saturation et soumise à la flexion et au cisaillement est principalement traitée dans le cadre de ce travail. Des expériences conventionnelles (compression simple, essais triaxiaux) et non conventionnelles (traction directe, essais brésiliens) en laboratoire ont été réalisées pour déterminer les paramètres importants. Une amélioration du comportement mécanique de l'argile par l'addition de fibres de différentes natures a été envisagée. Les résultats ont été interprétés afin d'optimiser la mise en oeuvre des matériaux. Cependant, les expériences en laboratoire ne sont pas suffisantes et dans certain cas particulièrement difficile à conduire ce qui explique que parfois elles peuvent être sujettes à caution. Une modélisation numérique a donc été envisagée. La méthode des éléments discrets a été utilisée. Elle permet de reproduire le comportement mécanique des matériaux granulaires et cohésifs de l'échelle du laboratoire à l'échelle de l'ouvrage ou d'une partie de l'ouvrage. Une attention particulière a été portée à la modélisation de l'argile qui peut être soumise simultanément à de la traction et de la compression. La microstructure du matériau argileux n'a pas été reproduite mais modélisée par un assemble des particules en interaction. Plusieurs lois de contact ont été utilisées. L'influence des paramètres microscopiques du modèle sur le comportement macroscopique des échantillons numériques a été étudiée. Une extension de ces résultats à la modélisation d'un essai de soulèvement en vraie grandeur in situ a été réalisée. Il s'agit là d'une première réponse au comportement réel de la couverture argileuse du site.

La dynamique granulaire amenant à l'état critique présente un intérêt dans la compréhension de la déstabilisation menant à l'avalanche. Son étude permet d'avoir des pistes de compréhension sur des mécanismes plus complexes telles les catastrophes géophysiques (séismes, glissements de terrain, éboulements). Ainsi, lorsqu'un milieu granulaire tridimensionnel sous gravité est quasi-statiquement incliné, des précurseurs sont observés à partir d'une dizaine de degrés avant l'avalanche. Ces précurseurs correspondent à des réarrangements collectifs de grains observés à la surface qui apparaissent pseudo-périodiquement avec l'angle d'inclinaison. Cette thèse fournit une caractérisation expérimentale des précurseurs détectés à la surface par méthode optique et dans le volume par méthodes acoustiques (linéaire et non linéaire). Tout d'abord, de bonnes corrélations sont trouvées entre les réarrangements à la surface et dans le volume. Dans un second temps, l'étude est poursuivie avec une liste non exhaustive de paramètres influant sur les propriétés des précurseurs. L'état de surface des grains est crucial pour la dynamique des précurseurs. Puis, une tentative de description de la déstabilisation est réalisée avec notamment la mesure de la variation des paramètres élastiques. Les précurseurs d'avalanches correspondent à des pertes successives de rigidité du système, suivies du renforcement de ce dernier.

Ce travail de thèse concerne l'étude numérique du transport par charriage d'un lit de grain dans un écoulement de Couette laminaire. La méthode numérique employée est un modèle de type Euler-Lagrange, où la taille de la cellule de calcul eulérienne est supérieure mais du même ordre de grandeur que le diamètre moyen des grains. Elle repose pour la phase fluide Eulérienne sur les équations de Navier-Stokes moyennées par un terme de porosité et pour la phase solide Lagrangienne sur les équations de Newton résolues pour chaque particule via une méthode aux éléments discrets. Un terme d'interaction fluide-particule permet de coupler les deux phases. Dans un premier temps, des simulations en petit domaine sont effectuées afin d'étudier l'influence du nombre de Shields , du nombre de Reynolds particulaire Rep et du rapport de densité p/f sur le transport granulaire. Nous montrons, en particulier, que ce modèle numérique permet de retrouver le seuil de mise en mouvement du lit granulaire et les lois de débit granulaire fonction de comme obtenus dans la littérature. De plus, il est mis en évidence que ce débit granulaire q ne dépend que plus faiblement de Rep et p/f. Dans un second temps, des simulations sur de longs domaines permettent d'observer l'influence de ces mêmes paramètres sur le développement d'instabilités. Plus particulièrement, le développement de l'instabilité de lit sur les temps courts et sur les temps longs sont discutés. / This work deals with local numerical simulations of laminar shear flow eroding a bed of spherical particles. The numerical method used is an Euler-Lagrange model, based on the resolution of the Navier-Stokes equations, averaged over cells containing several particles, and Newton's equations for the solid phase using the discrete element method (DEM). The averaging procedure brings out a solid volume fraction term for the fluid phase, which mimics the porosity of the effective medium. A fluid-particle interaction term enables a two-way coupling. Firstly simulations are performed on a relatively small domain, allowing to reach a steady state without any instability development. The influence of the Shields number , the particle Reynolds number Rep and the density ratio p/f is observed independently from each other. Simulations agrees well with experiments and lower scale simulations, giving a granular transport largely governed by the Shields number compared to the other dimensionless numbers and a pretty good estimation of the threshold Shields number c, which delineates static and moving bed. Secondly, simulations on a larger domain are performed in order to capture the formation and the development of ripples. The influence of the three dimensionless numbers on the ripple characteristics, such as wavelength or amplitude, is investigated. These preliminary results seems to be in a reasonable agreement with experimental and simulation data. In particular, the relative influence of and Rep is discussed.