Mesoscopic scale analysis of inertial transition in granular materials
Analyse mésoscopique de la transition inertielle dans les milieux granulaires
Résumé
One of the remarkable characters of granular materials behaviour is their capacity to behave like a solid or a fluid. This is this property which leads to snow avalanches or landslides for example. The inertial transition, which is the transition from a quasi-static regime to a dynamical regime, is considered as a sudden change in the behaviour, from solid to fluid. This is the subject of this PhD thesis. As first clues of inertial instability, bursts of kinetic energy are studied at the mesoscopic scale in different quasi 2D volumes of granular materials, under shearing with or without gravity. Grain loops are important structures allowing a sharp analysis of the media evolution at an intermediate scale, between the grain scale and the scale of a representative elementary volume. On this basis, a mesoscopic scale is defined, and new mesoscopic quantities, in particular a mesoscopic stress tensor and a second-order
mesoscopic work. In the context of a biaxial test without gravity, bursts of kinetic energy are shown to appear in a loose area, where the proportion of critical contacts (close to sliding) is higher than in the rest of the granular specimen. Meso-strucure evolutions underline the time and space dynamics of microscopic reorganizations induced by localized bursts of kinetic energy. These observations show that the second-order work criterion can be applied at the mesoscale and that the vanishing of the second-order mesoscopic work is a precursor of bursts of kinetic energy. Similar results are found for the triggering of slope sliding subjected to gravity. The steeper the slope is, the more frequent the reorganizations linked to bursts of kinetic energy are, until the end of the inertial transition marked by a overall displacement of all grains.
L’un des caractères remarquables du comportement des milieux granulaires est leur capacité à se comporter comme un solide ou un fluide. C’est cette propriété qui est à l’origine des avalanches ou des glissements de terrain par exemple. La transition inertielle, qui est le passage d’un régime quasi-statique à un régime dynamique, est assimilable à un brusque changement de comportement, de solide à fluide. C’est l’objet d’étude de cette thèse. Les bouffées d’énergie cinétique, premiers signes d’une instabilité, sont analysées à l’échelle mésoscopique en simulant des matériaux granulaires en conditions quasi 2D, soumis à un cisaillement, avec ou sans gravité. Les cycles de grains sont des structures importantes permettant une analyse fine de l’évolution du milieu à une échelle intermédiaire, entre l’échelle des grains et celle du volume élémentaire représentatif. Sur cette base, une échelle mésoscopique est définie, et de nouvelles grandeurs sont définies à cette échelle, notamment un tenseur des contraintes mésoscopique et un travail du second-ordre mésoscopique. Dans le contexte d’un essai biaxial sans gravité, il est observé que des bouffées d’énergie cinétique apparaissent dans des zones lâches, où les contacts sont plus proches du seuil de glissement que dans le reste de l’échantillon. L’évolution des méso-structures illustre les réorganisations microscopiques localisées dans le temps et dans l’espace créées par une bouffée localisée. Ces observations montrent que le critère du travail du second ordre est aussi applicable à l’échelle mésoscopique et que son annulation est un précurseur à l’apparition d’une bouffée d’énergie cinétique. Des résultats similaires sont retrouvés lors de l’analyse du déclenchement du glissement d’une pente soumise à la gravité. Plus la pente augmente, plus
les réorganisations liées aux bouffées d’énergie cinétique sont fréquentes, jusqu’à un glissement généralisé qui marque la fin de la transition inertielle.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)