Le comportement mécanique des matériaux granulaires, et en particulier des poudres métalliques ductiles, peut être appréhendé par l'intermédiaire de simulations discrètes dans lesquelles les grains sont modélisés. Cette méthode a l'avantage de permettre l'exploration de chemins de chargement inaccessibles à une approche expérimentale. La méthode développée dans cette thèse consiste à modéliser des assemblages de sphères maillées dans le logiciel d'éléments finis ABAQUS pour effectuer des simulations en appliquant divers chemins de chargement. La première partie de ce travail consiste à utiliser cette méthode pour enrichir la méthode des éléments discrets en l'étendant au domaine de la compression à haute densité relative. La méthode de simulations discrètes par éléments finis donne des informations précieuses sur les déformations non-linéaires des grains aux contacts. Ces informations permettent de proposer un modèle de contact qui gère les interactions complexes entre les diérents contacts à haute densité relative. Par la suite, ce modèle est introduit dans le code d'éléments discrets YADE, et les résultats des deux méthodes peuvent être comparés. Dans la seconde partie de cette thèse, un échantillon numérique est soumis à des sollicitations dans toutes les directions de l'espace des contraintes, pour obtenir les surfaces de charge macroscopiques. L'accent est mis sur l'évolution des surfaces de charge lors de chargements complexes, avec des changements de direction, afin d'obtenir des indications sur la mémoire du matériau. Enfin, l'observation de la microstructure de l'échantillon permet de comprendre les phénomènes micromécaniques qui sont à l'origine de l'évolution macroscopique des surfaces de charge.

L'étude acoustique des milieux granulaires secs a jusqu'alors fait l'objet de peu d'études. Celles-ci se repartissent en deux familles théoriques et expérimentales. La première, basse fréquence (à la limite quasi-statique), accorde une importance majeure au contact de hertz qui relie la déformation de la zone commune et le rapprochement des centres de deux sphères homogènes en fonction de la contrainte imposée sur celles-ci. Des théories de milieux effectifs peuvent alors être utilisées pour la propagation de la déformation de la zone de contact au milieu global. L'approche expérimentale explore un domaine haute fréquence (HF) de longueurs d'onde comparable à la taille des grains du milieu. Seule l'approche de la diffusion multiple apporte alors un cadre théorique pour ces milieux granulaires secs confinés sous contrainte. Dans cette thèse, nous présentons une expérience qui permet de généraliser la propagation acoustique pour différentes dimensions topologiques (1D et 3D), en utilisant à la fois des techniques classiques (transducteurs ultrasonores) ainsi que des techniques acousto-optiques. Dans un premier temps, nous nous intéressons à des ensembles de billes de verre et de billes d'acier calibrées en contrôlant les arrangements du milieu global. Nous sommes partis du problème simplifié à l'extrême de la bille seule. Nous avons ensuite étudié des colonnes de billes, des macro-cristaux ordonnés ainsi que des milieux désordonnés et nous avons pu obtenir les résultats suivants. Premièrement, nous avons pu montrer qu'en contradiction partielle avec un travail récent et en accord avec un second travail que la propagation d'ondes de surface sur les billes du milieu est effective quelle que soit la dimension topologique du milieu même si elle devient difficile dans le cas où le désordre est élevé. Deuxièmement, la transmission de l'énergie acoustique (BF), ne s'effectue pas préférentiellement le long des chaînes de force du milieu.

Nous étudions dans ce travail expérimental les lois d'écoulement de suspensions granulaires. Pour cela, nous utilisons une suspension modèle isodense, non-Brownienne et monodisperse, constituée de sphères dans une huile de silicone et dont la fraction de grains $\phi$ est variée entre 30 et 61%. Le comportement de cette suspension est caractérisé via deux expériences originales : l'écoulement sous cisaillement sur plan incliné et l'écoulement en élongation lors du détachement de gouttes. Nous montrons que le plan incliné permet d'explorer le passage continu des lois d'écoulement d'un régime de type fluide visqueux (couches épaisses) à un régime "pseudo-granulaire" (couche fine). Nous mettons en évidence une longueur mésoscopique qui sépare les deux régimes et diverge quand la fraction s'approche de la transition de blocage. De plus, nous montrons que la rhéologie des suspensions isodenses est quasi-newtonienne, c'est-à-dire sans seuil, mais que la viscosité peut dépendre de la hauteur de la couche. La migration de particules pouvant être négligée, ce dispositif permet, contrairement à un rhéomètre "classique", de mesurer directement la viscosité de la suspension jusqu'à des fractions de 61%. Dans le cas du détachement de gouttes, nous ne mesurons pas de viscosité élongationnelle plus importante que dans le cas d'un fluide newtonien. En revanche, le détachement final est accéléré par la présence des grains et est indépendant de la concentration de la suspension, mais dépendant de la taille des grains.

Cette étude de la compaction d'un empilement granulaire par vibrations horizontales a été réalisée dans le cadre d'un partenariat avec le groupe MERSEN pour une application au sable contenu dans ses fusibles. L'objectif scientifique est de développer la compréhension des mécanismes mis en jeu dans un milieu granulaire vibré horizontalement. Deux approches ont été utilisées en parallèle, l'une expérimentale, l'autre par simulation numérique. L'approche expérimentale a été réalisée sur des grains de silice de diamètre moyen 500 m. Un récipient de quelques centimètres est soumis à un mouvement sinusoïdal de fréquence comprise entre 20 et 200 Hz avec des accélérations allant jusqu'à 10 g. Le dispositif instrumenté permet la mesure instantanée de la force et de l'accélération, la vitesse des grains aux parois (PIV) ainsi que la densité globale du milieu. L'approche numérique est basée sur la méthode des éléments discrets (DEM). Des méthodes spécifiques d'analyse des résultats ont été développées pour assurer la comparaison avec l'expérience. Elles permettent d'obtenir des informations qui ne sont pas accessibles expérimentalement comme les densités, vitesses et contraintes locales dans l'ensemble de l'empilement. Dans le cas d'un récipient ouvert, la simulation permet de retrouver les résultats expérimentaux : rouleaux de convections, seuils de comportement, influence de l'accélération... Des résultats originaux ont été établis dans les expériences et les simulations comme une croissance de la vitesse des grains avec la longueur du récipient. La simulation a aussi permis d'obtenir des résultats spécifiques comme l'influence du coefficient de friction sur le sens des rouleaux et la caractérisation des contraintes au sein de l'empilement. L'écoulement des grains à travers des orifices circulaires de différentes dimensions a été également étudié. Le comportement du sable dans un récipient fermé (milieu confiné) a été étudié au cours d'un remplissage progressif. Des différences significatives ont été constatées lorsque le taux de remplissage devient élevé. Des mesures d'accélération et de force sur l'ensemble du dispositif ont permis de définir et de mesurer une masse apparente et l'énergie dissipée par le dispositif. Des modèles descriptifs ont permis de comprendre les comportements observés. Ces résultats sont à l'origine d'un brevet déposé par le groupe MERSEN sur le contrôle du remplissage.

Cette thèse s'intéresse au comportement mécanique de géocellules constitutives de merlons pare-blocs. Ces ouvrages sont des digues placées sur la trajectoire potentielle des blocs rocheux et visant leur arrêt. Les géocellules sont des structures métriques associant enveloppe préfabriquée et matériau granulaire. <br />Les cellules étudiées sont cubiques et constituées de grillage à maille hexagonale et de géotextile, et remplies de matériau granulaire grossier, de sable ou de mélange sable-pneus déchiquetés.<br />Le comportement de cellules individuelles a été étudié expérimentalement pour des chargements pseudo-statique et dynamique. Il apparaît que la réponse de la cellule à faible déformation, sous compression pseudo-statique, dépend principalement des caractéristiques du matériau de remplissage. Celles de l'enveloppe interviennent en grandes déformations. Sous impact, par une sphère de 250kg, la capacité d'une cellule à limiter les contraintes transmises à son support dépend des conditions aux limites de la cellule et, dans une moindre mesure, du matériau de remplissage. La configuration optimale est une cellule remplie du matériau granulaire grossier libre de se déformer latéralement.<br />Les modèles numériques de comportement mécanique des matériaux et des cellules, de type éléments discrets, ont été calés et validés grâce aux résultats de ces expérimentations.<br />Les résultats ont été extrapolés à l'échelle de l'ouvrage dans le but d'orienter les choix structurels en vue d'expérimentations sur ouvrage vraie grandeur.

Les matériaux granulaires composites sont fréquemment utilisés dans les ouvrages géotechniques. Ces matériaux, composés de constituants de natures et de tailles différentes, ont une rhéologie complexe difficile à appréhender expérimentalement. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur la méthode des éléments discrets est développé et une démarche spécifique est proposée afin de simuler le comportement mécanique de ces matériaux sous sollicitation triaxiale.<br />Le modèle repose sur l'utilisation d'éléments discrets de formes simples non convexes et sur une procédure de calibration des paramètres. Il a été validé par des essais expérimentaux réalisés pour diverses densités sur des matériaux granulaires homogènes. Le modèle est appliqué aux mélanges sable – gravier et sable – pastilles de pneu pour diverses proportions et comparé à des résultats expérimentaux. L'influence de la forme et de la taille relative des éléments est discutée.

Les enrochements sont des matériaux granulaires constitués de blocs rocheux dont la taille peut atteindre plusieurs dizaines de centimètres. Les barrages en enrochements, constitués par ces matériaux grossiers, présentent des déformations relativement importantes au cours du temps et peuvent également tasser au moment de leur remplissage ou lors d'une crue accidentelle. Ces déformations semblent liées à des ruptures de blocs à l'intérieur de l'ouvrage, mais ne sont malheureusement pas connues après la construction. <br /><br />La prévision de ces tassements est donc particulièrement importante pour s'assurer de l'intégrité structurelle de l'ouvrage à long terme.<br /><br />Le comportement des matériaux granulaires étant fortement lié à la nature discrète du milieu, un modèle discret est proposé afin de prendre en compte les particularités des enrochements avec des paramètres locaux au sens physique clairs. Les phénomènes de rupture sont les principales caractéristiques des enrochements. La démarche retenue dans ce travail s'est attachée à développer un modèle numérique discret capable de prendre en compte la fissuration progressive et différée des blocs rocheux. Chaque bloc est représenté par un assemblage de particules, initialement liées par une cohésion qui peut diminuer progressivement au cours du chargement. Un modèle d'endommagement interfacial est proposé pour décrire cette décroissance progressive au cours du temps. Le modèle comporte deux surfaces seuil (endommagement et de rupture). Un temps caractéristique d'endommagement règle la vitesse d'endommagement. L'effet de l'eau est introduit par couplage avec les paramètres du modèle de cohésion, par la diminution des forces de pesanteur et du coefficient de frottement local. La modélisation adoptée est de type « Non Smooth Contact Dynamics », où les grains et particules sont supposés rigides. Le modèle est implémenté sur la plateforme logicielle LMGC90. <br /><br />Des simulations numériques à l'échelle des contacts, à l'échelle du bloc et à l'échelle de l'enrochement sont effectuées. Des premières simulations consistent à simuler un ensemble de blocs rocheux incassables placés dans une colonne d'enrochements progressivement remplie en eau. Les simulations révèlent que la prise en compte du déjaugeage et d'une diminution réaliste du coefficient de frottement local ne génèrent que des déplacements faibles dans le milieu. Ces simulations permettent de vérifier que le phénomène essentiel à l'origine des tassements dans un barrage en enrochement est lié à la rupture des blocs rocheux.<br /><br />Des simulations de compression de blocs cassables (constitués de particules) et de compression œdométrique d'un ensemble de ces blocs sont réalisées. Les essais montrent que le temps caractéristique d'endommagement permet de mettre à l'échelle le comportement du matériau. Les résultats indiquent que l'histoire des évènements de rupture et des déformations sont bien corrélées. Les simulations numériques d'essais de compression œdométrique d'enrochements modèles de barrage mettent en évidence des réponses assimilables au fluage ou à la relaxation. Ces essais reproduisent les phénomènes de base avec très peu de paramètres.

Cette thèse aborde le comportement vitreux des systèmes athermiques à travers le cas des matériaux granulaires. Le dispositif expérimental consiste en un empilement horizontal bidimensionnel de 8000 cylindres métalliques, cisaillé cycliquement et de manière quasi-statique dans un cadre articulé, le mouvement des grains d'un cycle à l'autre étant enregistré. Par une étude détaillée des propriétés de diffusion des grains et une comparaison avec des études sur des systèmes thermiques modèles (colloïdes) et des simulations numériques, nous montrons d'abord que l'analogie entre matière granulaire au voisinage de la transition de jamming et systèmes vitreux trouve son origine à l'échelle de la particule. Nous nous intéressons ensuite au phénomène d'hétérogénéités dynamiques, responsable de la relaxation non exponentielle de ce type de système. Au-delà de la mesure de quantités importantes comme la taille ou le temps de vie typiques des hétérogénéités, que nous comparons à nouveau avec les systèmes vitreux thermiques, nous avons mesuré pour la première ois de manière directe sur des données expérimentales des fonctions de corrélation à 4 points. Le comportement e ces fonctions est confronté aux prédictions théoriques. Nous avons également étudié en détail la structure de l'empilement, du point de vue des défauts dans le nombre de voisins des particules. Ces défauts présentent ne structure et une dynamique hétérogènes. La recherche de corrélations possibles avec les hétérogénéités dynamiques a été menée. Enfin, nous proposons, parfois en nous appuyant sur des premiers essais expérimentaux, de futures pistes de recherche offertes par notre dispositif.

Une étude théorique, basée sur la méthode des mobilités de surface, et expérimentale de la transparence acoustique des doubles parois est présentée. L'étude de la diffusivité du champ acoustique pariétal d'excitation est aussi réalisée à l'aide d'un nouvel indice permettant d'expliquer la dispersion des mesures de transparence acoustique inter-laboratoires. L'ajout de matériaux granulaires est ensuite étudié, et un modèle basé sur une simplification du modèle de Biot est proposé. Il permet d'utiliser une méthode de résolution très performante en terme de temps de calcul. Des méthodes de mesure inverse sont alors utilisées afin de déterminer les caractéristiques de ces matériaux, et donnent des résultats probants. Enfin, l'amélioration de l'isolation acoustique par optimisation de la position de liens mécaniques est étudiée, et les solutions théoriques sont ensuite testées expérimentalement.

Reproduction de : Thèse doctorat : Acoustique : Le Mans : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre.