Reproduction de : Thèse de doctorat : Dynamique des fluides : Toulouse, INPT : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 74 réf.

Une assemblée d’objets solides de taille typique d’une fraction de millimètre n’est pas sensible à l’agitation thermique. En effet, ces éléments sont trop massifs pour être mis en mouvement par le chaos moléculaire. Cependant, un tel empilement est susceptible de se réorganiser sous la seule influence des variations de température ambiante. Ces dernières induisent des changements de longueur certes relativement petits (coefficient de dilatation typique de l'orde de 10-5 K-1) mais, compte tenu de la rigidité de ces matériaux (module d’Young de l’ordre de 1011Pa), les déformations associées sont suffisantes pour créer des efforts capables de déplacer des grains de manière irréversible. Nous étudions expérimentalement la compaction d’une colonne de billes de verre soumise à des cycles de température. Imposer les variations de température par un fil tendu placé au centre de la colonne et alimenté par un courant sinusoïdal de fréquence assez haute permet de minimiser les effets de la dilatation du récipient. La dynamique du système est étudiée en fonction des caractéristiques du chauffage et des conditions mécaniques. Par ailleurs, d'un point de vue théorique, nous nous intéressons aux effets des variations de température sur un système discret modèle, des patins liés par des ressorts en contact frictionnel avec un plan incliné. Nous étudions l’influence de l’angle d'inclinaison et des caractéristiques des variations de température sur la reptation du système. Nous observons que proche d’une amplitude critique, entre mouvement et arrêt du système, ce dernier exhibe une dynamique intermittente. / An assembly of solid objects of typical size, a fraction of a millimeter is not sensitive to thermal agitation. Indeed, these elements are too massive to be moved by the molecular chaos. However, such a stack is likely to reorganize under the influence of ambient temperature variations. The latter lead to changes in length relatively small (coefficient of expansion typical of order 10-5 K-1), but, due to the rigidity of these materials (Young's modulus of about 1011Pa) deformations associated are sufficient to create stresses capable of moving grain irreversibly.We study experimentally the compaction of a column of glass beads subjected to temperature cycles. The temperature variations imposed by a stretched wire placed at the center of the column supplied by a high frequency sinusoidal current minimize the effects of expansion of the container. The dynamic of the system is studied for different heating and mechanical conditions.Moreover, from a theoretical point of view, we consider the effects of temperature variations on a discrete model system, sliders connected by springs in frictional contact with an inclined plane. We study the influence of the inclination angle and the characteristics of temperature variations on the creep of the system. We observe that close to a critical amplitude, between motion and rest, the system exhibits an intermittent dynamic.

Cette thèse porte sur le développement de méthodes et techniques expérimentales pour mieux connaître les principes à l’oeuvre dans les glissements de terrains, les avalanches, les écoulements granulaires qui ont un grand rôle dans la liquéfaction des sols, ayant pour conséquences possibles la chute ou l’enfoncement de bâtiments. On conjugue ici des expériences de géophysique expérimentale avec des expériences de physique des milieux granulaires, et en parallèle on développe des appareils de mesure basés sur des microcontrôleurs et capteurs embarqués. / The subject of this thesis are the methods and experimental technics to help in the assessment of the underlying principles for the landslides, runaways and the other phenomena playing a main role in soil liquefaction and hence, on the falling or settling of buildings. This thesis conjugates geophysics’ to granular materials physics’ experiments, and it allowed to develop new measurement devices based on embedded microcontrollers.

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.

Cette thèse porte sur la cristallisation bidimensionnelle de particules dipolaires. La première partie concerne les systèmes à un composant. L’idée d’utiliser des matériaux granulaires secs comme substituts de suspensions colloïdales mouillées y est exploitée pour aborder le phénomène de cristallisation. Des systèmes granulaires athermaux bidimensionnels sont alors exposés à un bruit mécanique extérieur conduisant à un mouvement de type brownien des grains. En utilisant des interactions interparticulaires répulsives via un champ magnétique externe imposé, on montre que la microstructure observée dans les suspensions colloïdales peut être retrouvée quantitativement à l’échelle macroscopique. A cette fin, des expériences sur des granulaires (réalisées au laboratoire GRASP à Liège) et sur des systèmes colloïdaux constitués de particules magnétiques ainsi que des simulations numériques sont effectuées et comparées. Un excellent accord pour toute la gamme de couplage dipolaire est obtenu pour les fonctions de distribution de paires ainsi que pour les fonctions de corrélation orientationnelles. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour explorer efficacement et aisément les transitions de phase, la cristallisation, la nucléation, etc. dans des géométries confinées. Le second volet de cette thèse concerne les systèmes à deux composants. Des mélanges binaires constitués de particules pourvues de moments dipolaires similaires sont examinés. En utilisant des simulations Monte Carlo, une analyse structurale détaillée basée sur les fonctions de distribution de paires partielles et les clichés de microstructures est présentée pour un couplage dipolaire fort. Pour une composition équimolaire, la coexistence entre des super-réseaux triangulaires avec une stoechiométrie AB2 et A2B est mise en évidence, où A(B) dénote les grands (faibles) moments dipolaires. Ce résultat est en très bonne adéquation avec les prédictions théoriques à température nulle / This thesis deals with two-dimensional crystallization of dipolar particles. The first part of the manuscript treats one component systems. There, the idea of using excited dry granular media as substitutes of wet colloidal suspensions is exploited to tackle the problem of crystallization. Athermal two-dimensional granular systems are exposed to external mechanical noise leading to Brownian-like motion. Using tunable repulsive interparticle interaction via an external imposed magnetic field, it is shown that the same microstructure as that observed in colloidal suspensions can be quantitatively recovered at a macroscopic scale. To that end, experiments on granular (realized by the GRASP group in Liège) and colloidal systems made up of magnetized particles as well as computer simulations are performed and compared. Excellent agreement throughout the range of the dipolar coupling is found for the pair distribution as well as the bond-orientational correlation functions. This finding opens new ways to efficiently and very conveniently explore phase transitions, crystallization, nucleation, etc in confined geometries. The second part of this thesis addresses two component systems. Binary mixtures made up of particles carrying similar dipole moments are investigated. Using Monte Carlo simulations, a detailed structural analysis based on partial pair distribution functions and microstructure snapshots is presented for high dipolar coupling. At equimolar composition, the relevance of the coexistence of triangular superlattices with stoichiometry AB2 and A2B is revealed, with A(B) standing for the large(small) dipole moments. This finding is in excellent qualitative agreement with the zero temperature theoretical predictions

La mise en place de trains à grande vitesse a rendu de plus en plus cruciale la compréhension et la prévision du comportement dynamique à long terme des voies ferrées. En particulier, le tassement des infrastructures conditionne le coût de maintenance des voies. Ce tassement d’infrastructure est par ailleurs étroitement lié aux propriétés des matériaux constitutifs sollicités par le chargement cyclique. La thèse décrit les résultats obtenus pour la caractérisation d’un matériau de type « micro-ballast » de constitution semblable à celle d’un ballast utilisé en infrastructure ferroviaire, mais de taille de grain réduite (d/D=6/24). L’expérimentation utilise des appareils triaxiaux de deux diamètres F300mm et F100 mm. 1. Essais sous sollicitation monotone: Les essais poussés jusqu’à rupture ont permis de mettre en évidence une courbure de la courbe intrinsèque sous faible niveau de chargement et un effet d’échelle sensible entre les deux tailles d’échantillon. 2. Essais sous chargement cyclique: Le plan d’expériences a permis de prendre en compte l’influence de la fréquence d’application de la sollicitation cyclique, de la pression de confinement, de la charge appliquée et du nombre de cycles. Les résultats obtenus sont interprétés dans le cadre d’une loi de comportement adaptée à l’étude de sollicitations cycliques à grand nombre de cycles / The use of high-speed trains makes it crucial to understand and predict the long term dynamic behavior of railway tracks. In particular, the settlement of infrastructures incurs track maintenance costs. This settlement of infrastructure is besides closely linked to the physical properties of the material, when stressed by a cyclic loading. The thesis describes the experimental results obtained on a so called « micro-ballast » material whose grain properties are similar to those of a ballast used for train tracks, but having reduced grain size (d/D=6/24) . Experiments are performed by using triaxial testing on tow diameters (300 mm and 100 mm). 1. Tests under monotone compression: failure tests provided evidence for a curvature of the failure envelop and a significant scale effect between both sample sizes. 2. Tests under cyclic loading: The experimental plane took into account the influence of the application frequency used for the cyclic loading, the confining pressure, the applied charge and the number of cycles. An interpretation of the results in the context of constitutive equations which can be used for the simulation of a high number of cycles is presented

Les travaux réalisés dans le cadre de cette maîtrise s'inscrivent dans le vaste projet CARRLo (Chemin d'Accès aux Ressources et Routes LOcales) visant à améliorer la qualité des routes non revêtues en contexte climatique nordique canadien. À cause entre autres de l'achalandage réduit et de l'éloignement de la plupart des routes non revêtues, le pavage de ces dernières est une tâche ardue et dispendieuse qui est très peu réaliste, du moins à grande échelle. Toutefois, devant la place sans cesse grandissante qu'occupe la sécurité dans les transports, le contrôle de la stabilisation des routes non revêtues et de la poussière engendrée par la circulation est devenu nécessaire. De plus, face à la rigueur du climat nordique le défi n'est pas seulement de contrôler la poussière, mais aussi de stabiliser les chemins non revêtus en trouvant des produits efficaces dans un contexte de gel et de dégel afin d'augmenter la période où les routes sont praticables. Plusieurs travaux portent sur la performance de divers agents stabilisants et produits d'abat-poussière. Le caractère novateur du présent travail se situe dans l'étude de l'influence de la granulométrie et de la minéralogie sur le comportement d'un matériau granulaire stabilisé ou traité à l'aide d'abat-poussière. Pour ce faire, un programme expérimental d'envergure comprenant des essais de module réversible modifié, de capacité portante, de compression non confinée et de cisaillement direct sont réalisés. Une validation des résultats du programme expérimental sera également effectuée en conditions réelles à l'aide de planches d'essais. L'objectif final des travaux consiste à être en mesure de proposer des familles de produits stabilisants et d'abat-poussière dans un contexte minéralogique et granulométrique précis et en fonction d'objectifs déterminés. Les résultats montrent une réelle influence de la granulométrie et de la minéralogie sur le comportement d'un matériau granulaire stabilisé ou traité à l'aide d'abat-poussière. De plus, les agents stabilisants à l'étude ont démontré qu'ils contribuent à améliorer de manière considérable les propriétés mécaniques d'un matériau granulaire.

Cette thèse, composée de deux parties, porte sur l’étude d’instabilités au sein d’un milieugranulaire.La première partie de cette thèse est consacrée à l’instabilité de tôle ondulée, c’est-àdirel’apparition d’un motif de rides sur une piste soumise au passage répété de véhicules.Nos travaux expérimentaux ainsi que des simulations numériques de dynamique moléculairenous ont permis de progresser dans la compréhension de ce phénomène. Pour uneroue rigide tirée à vitesse constante, nous avons étudié quantitativement l’impact de lacohésion du milieu granulaire sur les caractéristiques de l’instabilité : vitesse critique, longueurd’onde et taux de croissance. Nous avons enfin entrepris des études préliminairessur un fluide à seuil simple : un microgel de carbopol.Dans la seconde partie, nous étudions la ségrégation granulaire au sein des astéroïdeslâches. Plusieurs indices montrent qu’un grand nombre d’entre eux sont des empilementsde grains, sans cohésion interne et liés par la gravité. Leur répartition n’est pas homogène,avec des zones lisses recouvertes de fines poussières et d’autres où s’accumulent les grosblocs. Nous avons simulé numériquement un empilement granulaire et nous l’avons soumisà des secousses répétées : nous avons réussi à reproduire la ségrégation. Nous avonsétudié l’influence des paramètres physiques et numériques sur le niveau de ségrégation etla dynamique du phénomène. Nous nous sommes aussi intéressés aux phénomènes physiquespouvant causer la ségrégation : convection granulaire, tamisage cinétique, pressionde déplétion, etc. Enfin, nous avons mis en évidence une instabilité azimutale qui peutexpliquer les observations faites pendant les missions spatiales. / This thesis, consisting of two parts, is focusing on instabilities into a granular assembly.The first part deals with washboard road instability, which is the growth of a ripplepattern on a track subjected to repeated passages of vehicles. Our experimental work aswell as soft spheres numerical simulations provide us a better understanding of this phenomenon.In the case of a rigid wheel dragged at constant velocity, we quantitatively studiedthe impact of the cohesion into the granular media on the main features of the instability :critical velocity, wavelength and growth rates. Finally, we have begun preliminary studieson a yield stress fluid, namely a carbopol microgel.The second part is devoted to the granular segregation in asteroids. Several keys showthat a significant part of them are rubble-piles, without internal cohesion and held togetherby their weak self-gravity. The distribution of grains is heterogeneous : while some regionsconsist in fine sand or powder, large boulders seem to accumulate in other parts. Wenumerically simulated a granular pile and subjected it to repeated quakes : we managedto reproduce segregation. We studied the influence of physical and numerical parameterson the segregation level and the dynamics of the phenomenon. We also investigate variouscauses of the segregation : granular convection, kinetic sieving, depletion pressure, etc.Finally, we highlighted an azimuthal segregation which can explain observations duringspatial missions.

Les travaux réalisés dans le cadre de cette maîtrise visent entre autres une gestion durable des matières résiduelles des chantiers de construction routiers. Également, ce projet cherche à montrer si les matériaux granulaires recyclés peuvent substituer en partie ou en totalité les matériaux actuellement utilisés en structure de chaussée. Le Québec réalise présentement des travaux routiers d'envergure car il devenait urgent de moderniser massivement son réseau routier qui date de plus de 30 ans. Toutefois, chacun de ces nombreux chantiers génèrent une quantité colossale de matériaux dont il faut disposer. C'est pourquoi il devient important de s'attarder à la réutilisation de l'ensemble de ces matériaux à même la construction et la réhabilitation de structures de chaussées que ce soit pour des considérations budgétaires, logistiques et même par souci de développer les infrastructures de façon durable. La possibilité que certains de ces matériaux recyclés (MR) puissent être réutilisés dans une chaussée, conformément aux normes en vigueur, a déjà été envisagée. Les premiers travaux de recherche effectués par le ministère des Transports du Québec (MTQ) concernant les MR, ont mené à une classification préliminaire de ces matériaux. L'intérêt de ce projet de maîtrise si situe au niveau des propriétés réelles, qui pour la plupart, restaient à être définies. Les MR classifies par le MTQ doivent donc être caractérisés dans le but de vérifier leur possible utilisation au sein d'une structure de chaussée et comparer au matériau granulaire « standard » (MG-20). Cette classification des MR (type 2 à 6, non stabilisé) est faite en fonction de leur teneur en béton de ciment (BC), enrobé bitumineux (EB) et granulats naturels (GN). Les résultats obtenus sont optimistes quant à l'utilisation des matériaux granulaires en fondation routière. Bref, la caractérisation et l'évaluation des propriétés hydrique, thermique et mécanique des MR permettent de comprendre davantage le comportement de ces matériaux. Le projet de recherche fourni des connaissances détaillées de la performance des matériaux granulaires recyclés et ceci permettra très certainement d'aider le MTQ lors d'analyses ultérieures pour émettre des recommandations précises quant à leur utilisation dans les structures de chaussée.

De nombreux matériaux du génie civil, comme le béton ou les enrobés bitumineux, sont des pâtes granulaires, c'est-à-dire des suspensions dont la concentration volumique en inclusions solides est très élevée. Ce travail porte sur la modélisation et la simulation numérique discrète du comportement et du compactage de pâtes granulaires 2D non browniennes et non colloïdales constituées de grains élastiques rugueux de forme circulaire, baignant dans un liquide newtonien de très grande viscosité. Après avoir introduit un modèle de pâte granulaire dans lequel le seul effet du liquide est d'induire des interactions de lubrification entre paires de grains proches, nous présentons une méthode numérique quasi-statique permettant de simuler le comportement de ces systèmes lorsqu'ils sont soumis à un état de contrainte donné. L'étude de l'état d'équilibre adopté par une pâte granulaire lubrifiée lorsqu'on lui applique une pression isotrope montre que, dans la limite où la rugosité des grains est nulle, un tel système se comporte comme un assemblage sec de grains non frottants. C'est la raison pour laquelle nous étudions ensuite le comportement de ces assemblages en 3D lorsqu'on les soumet à des chargements statiques anisotropes ainsi qu'à des essais de cisaillement simple dans la limite quasi-statique. Nous montrons en particulier que les coefficients de frottement interne statique et dynamique sont non nuls et coïncident, que ces assemblages ne présentent aucune dilatance et qu'ils satisfont un critère de rupture de Lade-Duncan. Le comportement d'une pâte granulaire lubrifiée 2D faite de grains de rugosité finie soumise à un cisaillement maintenu est ensuite analysé et nous comparons nos résultats avec ceux obtenus en cisaillant des assemblages granulaires secs 2D. Finalement, nous étudions de manière détaillée les paramètres influençant le compactage d'une pâte granulaire lubrifiée et mettons en évidence la réduction de la mobilisation du frottement intergranulaire accompagnant la densification du matériau.