Intercaler une phase intermédiaire (gazeuse ou granulaire) entre une goutte et une surface crée une situation de mouillage nul. Nous étudions expérimentalement les conséquences de la présence de cette phase sur le mouvement des gouttes d'eau. Dans une première partie, nous nous intéressons à des situations de non-mouillage induites par la présence d'un film gazeux entre le liquide et la surface. Une conséquence de la présence de ce film est la mise en mouvement d'une goutte en caléfaction sur une surface chaude de profil périodique et asymétrique (en forme de toit d'usine). Nous mettons en évidence que l'écoulement asymétrique du gaz dans le film de vapeur entre la goutte et la surface provoque la propulsion de la goutte par effet fusée. À l'inverse, la faible épaisseur du film isolant peut induire une dissipation visqueuse supplémentaire que l'on observe par exemple lors du rebond d'une bulle de savon sur un liquide. La deuxième partie de ce travail est consacrée à une autre situation de non-mouillage réalisée par l'ajout de grains à la surface d'une goutte (appelée goutte enrobée). On forme alors une interface composite, à la fois capillaire et granulaire qui peut présenter un caractère fortement dissipatif : lorsque la densité de grains est faible, son comportement est celui du liquide qui la compose mais lorsque la densité de grains à la surface approche des densités du jamming, caractère granulaire de l'interface l'emporte. Le frottement entre grains détermine alors la forme ainsi que la dynamique des gouttes enrobées. Nous montrons que la rhéologie de ces interfaces est alors similaire à celle des écoulements granulaires denses.

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. / This work on the densification of a granular medium under horizontal vibrations was realised in the context of an industrial study on sand in fuses, undertaken by the firm MERSEN. The scientific purpose is the understanding of the mechanisms involved in horizontally vibrated granular media. Both experiments and computer simulations were used. Experiments were conducted with 500 µm silica grains. Sinusoidal accelerations up to 10 g were applied to a container of a few centimetres using frequencies between 20 and 200 Hz. The experimental device enables instantaneous force, acceleration, grain velocity on the walls (PIV) and mean bulk density to be measured. Discrete element method (DEM) was used for the computer simulations. Specific techniques were developed to analyse the results and compare them with experiments. Computer simulations provided data which are not experimentally available such as local values of density, velocities and stress inside the particle packing. In the case of an open container, simulation results are in good agreement with experimental ones (convection rolls, thresholds, effect of acceleration...). Original results are obtained in both experiments and simulations, such as a grain velocity increase with the container length. Simulation provided specific results such as the effect of friction coefficients on the direction of rotation of convection rolls and the characterization of stress inside the particle packing. The flowability of grains across circular holes of various sizes was also studied. The behaviour of sand in a closed container (confined medium) was studied during a progressive filling. Significant differences were observed when the filling rate becomes high. The dissipated energy and the apparent mass of the vibrated device were defined and measured using acceleration and force measurements. Specific models were built to analyse and understand the observed behaviour. Some results on the filling control were patented by MERSEN.

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

Ce travail porte sur la caractérisation, par une méthode acoustique, du comportement mécanique d’un milieu granulaire sous chargement cyclique. La propagation d’ondes ultrasonores, à travers le réseau des contacts supportant les efforts dans l’échantillon, permet de sonder les propriétés viscoélastiques de ces milieux hétérogènes. Dans une première partie, nous étudions le comportement visco-élasto-plastique d’un empilement de billes de verre lors d’un essai oedométrique. Nous examinons en particulier le tassement, ou la déformation résiduelle, et la dissipation hystérétique, en fonction du nombre de cycles, du taux de déformation et de l’état de surface des billes. Nous montrons que les modules déduits des donnés mécaniques (déformation e ~ 10?4-10?³) sont dix fois plus petits que ceux obtenus par les mesures acoustiques (e ~ 10?7) à cause de la réponse non linéaire du milieu. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au fluage et à la relaxation de contrainte du milieu. L’originalité de cette étude est le suivi par la mesure de la vitesse du son, qui présente une augmentation de type logarithmique dans les deux types d’essais. Le modèle basé sur la mécanique des microcontacts entre grains rugueux décrit bien nos résultats expérimentaux / This work deals with the characterization, by an acoustical method, of the mechanical behaviour of a dry dense granular medium under cyclic loading using an acoustic technique. The sound propagation through the contact-force network supporting the external load offers a non-invasive probe of the viscoelastic properties of such heterogeneous media. First, we study the visco-elasto-plastic response of the glass bead packing during an oedometric test and investigate the settlement or residual deformation and the hysteretic dissipation as function of loading cycles, strain rate and the surface state of the grains. We show that the modulus deduced from mechanical results (strain e ~ 10?4-10?³)) are about tens time smaller than those from acoustic measurements (e ~ 10?7) due to the nonlinear response of the material. Next, we examine creep and relaxation phenomena of the granular medium. The novelty of our study lies in the simultaneous monitoring of the sample using acoustic measurements. We find quasi-logarithmic increase of sound velocities in both mechanical tests. The model based on the mechanics of micro-contact between rough grains describes fairly well our experimental results

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La capillarité dans un milieu granulaire est étudiée aux échelles locale et macroscopique dans le cas 3D polydisperse. A l'échelle locale, un modéle explicite de cohésion par capillarité est proposé. Il comprend une loi de comportement et un critère de rupture locaux fonctions des caractéristiques du doublet. La pertinence du modèle est vérifiée expérimentalement sur des billes de verre. Il est implémenté dans un code de calcul en éléments discrets, en association avec une gestion numérique de la répartition de l'eau dans le milieu. Des essais de compression sont réalisés numériquement et expérimentalement. Leur concordance a permis de valider l'approche en éléments discrets dans le cas de la capillarité, et d'envisager l'étude du comportement macroscopique des matériaux granulaires humides. Enfin, l'influence de certains couplages est abordée afin de montrer la sensibilité de la cohésion par capillarité aux conditions environnementales ainsi que les possibilités offertes par le code

L'étude des empilements de grains est importante pour la compréhension des propriétés des milieux granulaires. En particulier, la connaissance des aires de contact entre grains est utile pour décrire la cinétique d'une réaction solide-solide. Nous avons mis au point une méthode d'étude originale des caractéristiques d'un empilement de grains, fondée sur l'analyse d'images de sections de l'empilement enrobe dans une résine. A l'aide de cette méthode, nous avons développé deux protocoles d'analyse spécifiques. Le premier permet de définir complètement l'état d'homogénéité d'un mélange, en évaluant à la fois l'intensité et l'échelle de ségrégation. Le second permet d'estimer les nombres de contacts et les aires élémentaires de contact entre grains dans un mélange. La méthode a été appliquée à l'étude de mélanges de grains de WO₃ et de NiO. L'analyse de l'homogénéité a montré que l'agitation à l'aide d'un mélangeur " Turbula " conduisait a des mélanges peu homogènes. Nous avons pu atteindre un degré d'homogénéité plus avance d'une part en appliquant un mouvement d'agitation moins régulier, d'autre part en utilisant un ajout de liquide. Cependant, le mélangeage par agitation présente toujours une tendance à la démixtion, caractérisée par l'observation d'une ségrégation à large échelle après quelques heures d'agitation. L'analyse des contacts nous a permis de comparer les valeurs expérimentales des nombres de contacts dans nos mélanges avec des valeurs théoriques données pour des empilements de sphères. Certains écarts au modèle ont pu être expliques par les caractéristiques particulières du système granulaire utilise. Enfin, l'analyse de l'influence du mode de construction sur les caractéristiques de l'empilement a été effectuée, et comparée aux résultats d'une simulation numérique. Nous avons ainsi pu montrer les effets d'un mode de construction collectif sur les caractéristiques de l'empilement.

L'injection est un procédé largement utilisé et relativement ancien de renforcement des sols. Le plus souvent, on met en oeuvre des coulis de ciment formulés de façon à imprégner le réseau poreux. L'effet escompté de la prise du ciment faisant corps avec la structure granulaire est une augmentation de raideur et un gain de cohésion. On présente une étude expérimentale destinée à la caractérisation du comportement mécanique des milieux granulaires vierges et injectés. Une attention particulière est accordée à la non linéarité du comportement élastique et à la variation du comportement en fonction de la distance à la source d'injection. Une caractérisation microstructurale a été réalisée dans le but d'affiner la compréhension des mécanismes responsables du renforcement dû à l'injection et d'orienter les choix du modèle micromécanique. La caractérisation de la porosité finale du milieu a été abordée grâce à des techniques expérimentales (porosimétrie, analyse d'image) et à travers une modélisation basée sur une loi de filtration. Concernant la modélisation micromécanique, nous nous sommes intéressé au comportement du milieu granulaire vierge et injecté à la fois pour ce qui est des petites déformations et les caractéristiques de rupture. Nous avons proposé une première approche consistant à remplacer la phase solide du milieu granulaire par un matériau fictif continu choisi de façon à ce que le composite de même porosité que le milieu réel, ayant comme phase solide le matériau fictif, exhibe un comportement identique au milieu réel. Ce milieu fictif présente l'avantage d'être décrit de manière continue, ce qui nous a permis de mettre en oeuvre les techniques classiques d'homogénéisation des milieux aléatoires, pour modéliser les effets de l'introduction de la phase cimentaire. Dans une deuxième approche, le milieu granulaire est modélisé comme un polycristal poreux. Le comportement de l'assemblage granulaire est déduit à partir de la loi de contact intergranulaire régissant les discontinuités de déplacement dans les interfaces lors de l'application d'une charge. La problématique de la rupture a été abordée aussi bien pour le milieu granulaire vierge que pour le milieu injecté.

Les transformations physiques et chimiques qui apparaissent au sein de milieux granulaires réactifs induisent des réorganisations dynamiques et structurelles importantes. Largement utilisés pour des applications industrielles, le comportement de ces matériaux en évolution doit être compris. Dans ce travail, nous étudions expérimentalement les réarrangements d'un empilement granulaire modèle soumis à des transformations localisées d'un ou plusieurs grains. Les dispositifs expérimentaux mis au point permettent un suivi bidimensionnel de la structure environnante alors qu'un ou plusieurs grains réduisent de tailles et/ou sont tirés hors de l'empilement. La réponse moyenne du matériau aux temps longs s'apparentent aux écoulements quasi-statiques couramment observés dans les silos. Le comportement instantané de l'empilement est quant à lui très hétérogène dans l'espace et dans le temps. Il présente une dynamique intermittente avec des évènements décorrélés en temps et des ampleurs distribuées en loi de puissance. Les tailles des grains en évolution jouent un rôle important sur la réponse dynamique de l'empilement granulaire notamment en lien avec l'apparition de phénomènes de structuration pour les plus petits intrus. Par ailleurs, la présence d'un second grain en évolution à proximité d'un premier génère des effets coopératifs. Une distance caractéristique de séparation pour l'émergence de ces phénomènes est mise en évidence, elle ne dépend que de l'empilement et non de la taille des grains en évolution. Enfin, les évolutions instantanées des fractions volumiques locales montrent des distributions similaires suggérant un unique mécanisme de réarrangements structuraux. / Physical and chemical transformations appearing in reactive granular media yield strong dynamical and structural reorganizations. Widely used for industrial applications, the behavior of these evolving materials needs to be understood. In this work, we experimentally study the rearrangements of a model granular packing undergoing localized transformations of one or several grains. The experimental setups allow a two-dimensional tracking of the surrounding structure while one or several grains are either reducing in size or being pulled out of the packing. The average long-term response of the material is similar to quasi-static flows commonly observed in silos. The instantaneous behavior of the packing is heterogeneous in space and time. It shows an intermittent dynamic with events decorrelated in time whose amplitudes are power-law distributed. The sizes of the evolving grains play an important role on the dynamical response of the granular packing by the appearance of arches for the smallest intruders. Moreover, the presence of a second evolving grain generates cooperative effects. A characteristic distance between the two intruders is found, it does depend on the packing properties and not on the size of the evolving grains. Finally, instantaneous evolutions of local densities show similar distributions suggesting a unique mechanism in terms of structural reorganizations.

Les mécanismes élémentaires mis en jeu lors de l’érosion de surface d’un sol cohésif par un écoulement fluide demandent à être mieux connus dans le but d’améliorer la modélisation locale de l’érosion. En se basant sur une approche expérimentale, l’objectif de cette thèse vise à réaliser une étude paramétrique de l'érosion à l'aide de matériaux modèles, pour ensuite les soumettre à des sollicitations hydrodynamiques et mécaniques contrôlées. L'étude de matériaux granulaire sans cohésion a d'abord permis d'analyser la construction du nombre de Shields pour définir le seuil d'érosion. Ensuite, des essais de traction à différentes échelles ont permis de généraliser le nombre de Shields à des grains cohésifs par la relation entre seuil d'érosion et résistance mécanique. La mise au point de matériaux et d'essais d'érosion iso-indice a également permis de visualiser les mécanismes par lesquels l'écoulement conduit à l’arrachement de particules constitutives du matériau modèle lors d'essais de JET et de HET. Pour finir, d'autres types de matériaux cohésifs modèles ont été plus rapidement étudiés et révèlent de grandes perspectives d'études. / Elementary mechanisms involved during the surface erosion of a cohesive soil by a fluid flow ask to be better understood for improving the local modeling of erosion. It is the objective of this thesis which aims, by an experimental approach, at working out model materials to submit them to hydrodynamic stresses and controlled mechanic stresses. The study of cohesion-less granular material allowed, in a first approach, to analyse the Shields number formulation to define the erosion threshold. In a second time, the grains have been made cohesive with liquid or solid matrix, and mechanical tests at different scales allowed to generalise the Shields number to both cohesive and non-cohesive particles. The development of erosion tests adjusted in optical index also made possible to visualised the mechanisms by which the fluid flow erode the constitutive particles of the material during Jet Erosion Tests and Hole Erosion Tests. Finally, different kinds of cohesive model materials were tested and show excellent perspectives.