Ce travail de recherche a pour objectif d'étudier le comportement au cisaillement des matériaux granulaires homogènes et hétérogènes par l'essai triaxial. Les travaux sont réalisés sur des billes de verre et comportent à la fois des essais triaxiaux de laboratoire et des simulations numériques en DEM (Discret Element Method). D'un point de vue expérimental, les essais sont tout d'abord réalisés sur des échantillons homogènes (billes monodisperses). Ensuite, on étudie des systèmes de billes monodisperses comportant une inclusion de grande taille et des mélanges de billes bidisperses pour représenter les cas hétérogènes. D'un point de vue numérique, une condition limite cylindrique paroi rigide, basée sur la formule de Lamé, est intégrée dans un code aux éléments discrets existant. Une série de procédures est proposée afin de modéliser l'essai triaxial dans des conditions comparables aux essais. Les résultats numériques et expérimentaux sont ensuite comparés, à la fois pour les systèmes monodisperses et pour les milieux hétérogènes. Le modèle numérique permet de reproduire de manière très satisfaisante la courbe déviatorique dans toutes les conditions expérimentales utilisées. Il permet également de décrire correctement les déformations volumiques de l'échantillon, malgré la simplicité de la condition aux limites utilisée. L'outil numérique développé constitue ainsi un complément intéressant aux essais expérimentaux. Il permet en effet d'étudier l'influence de paramètres micromécaniques sur le comportement global des matériaux.

LA DESCRIPTION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES MATERIAUX GRANULAIRES BASEE SUR LA NATURE DE CES MATERIAUX CONSTITUES DE GRAINS INDIVIDUELS OU DE PARTICULES DISCRETES EST UNE DEMARCHE JUSTIFIEE. UNE DOUBLE CARACTERISATION MECANIQUE ET MICROMECANIQUE DES MATERIAUX GRANULAIRES S'IMPOSE DANS LE CADRE DE L'ETUDE DE LEUR COMPORTEMENT. LA PREMIERE CONSISTE A IDENTIFIER LES PARAMETRES MACROSCOPIQUE STATIQUES ET CINEMATIQUES, BEAUCOUP DE LOIS DE COMPORTEMENT ET DE CRITERES ONT ETE PROPOSES DANS CE DOMAINE. LA SECONDE CARACTERISE LES PARAMETRES ET LES VARIABLES LOCAUX. LE PASSAGE DU MILIEU GLOBAL AU MILIEU LOCAL ET L'INVERSE EST UNE DIFFICULTE MAJEURE POUR CE GENRE DE MODELISATION. LA METHODE DES ELEMENTS DISTINCTS PROPOSEE ET DEVELOPPEE PAR CUNDALL UTILISE LE MEME PRINCIPE AVEC CERTAINES HYPOTHESES. CETTE TECHNIQUE PEUT ETRE AUSSI BIEN APPLIQUEE A DES DISQUE QU'A DES SPHERES. DEUX PROGRAMMES SONT TIRES DE CETTE METHODE: BALL ET TRUBAL. CE DERNIER PRESENTE CERTAINS AVANTAGES TEL QUE L'ELIMINATION DES FRONTIERES (PAROIS) ET PERMET DE SIMULER LE COMPORTEMENT DES PARTICULES SPHERIQUES DANS UN PLAN. DES SIMULATIONS NUMERIQUES ONT ETE EFFECTUEES SUR PLUSIEURS ECHANTILLONS DE BILLES DE VERRE A L'AIDE DU MODELE NUMERIQUE. LA COMPARAISON ENTRE CES SIMULATIONS ET DES ESSAIS REALISES AU LABORATOIRE TEL QUE L'ESSAI TRIAXIAL ET L'ESSAI DE CISAILLEMENT DIRECT DONNE UNE BONNE CONCORDANCE DES RESULTATS

LA THEORIE DES MILIEUX CONTINUS N'ETANT PAS SUFFISANTE POUR EXPLIQUER LE COMPORTEMENT DES MATERIAUX GRANULAIRES, IL EST NECESSAIRE DE TENIR COMPTE DE LA NATURE DISCRETE DE CES MILIEUX. UNE METHODE QUI REPOND A CE SOUCI EST LA METHODE DES ELEMENTS DISTINCTS. LA SIMULATION NUMERIQUE DU COMPORTEMENT DES MATERIAUX ANALOGIQUES DE SCHNEEBELI (2D) ET DES MATERIAUX GRANULAIRES (3D) EST EFFECTUEE PAR LA METHODE DES ELEMENTS DISTINCTS EN UTILISANT LE PROGRAMME TRUBAL AFIN DE REPRODUIRE NUMERIQUEMENT CERTAINS ESSAIS EXPERIMENTAUX DE CARACTERISATION DES MATERIAUX GRANULAIRES. LES ESSAIS DE COMPRESSION BIAXIALE ET DE CISAILLEMENT SIMPLE SONT EFFECTUES AVEC DES ROULEAUX DE P.V.C. ET DE VERRE ET L'ESSAI TRIAXIAL EST SIMULE AVEC DES BILLES DE VERRE. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX VALIDENT LA METHODE EXPLOITEE ET PERMETTENT AINSI D'OBTENIR PAR LE CALCUL LES PARAMETRES CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX: L'ANGLE DE FROTTEMENT INTERNE ET LA VARIATION DE VOLUME POUR DIFFERENTS CHEMINS DE CHARGEMENT. L'EXPLOITATION DES RESULTATS NUMERIQUES MET EN EVIDENCE LE ROLE FONDAMENTAL DU FROTTEMENT INTERGRANULAIRE ET DE LA DENSITE DU MATERIAU, POUR CARACTERISER LE MILIEU GRANULAIRE, TOUT EN PERMETTANT L'ANALYSE DES PHENOMENES DE DILATANCE, DE LOCALISATION ET DE BANDE DE CISAILLEMENT. ENFIN NOUS AVONS APPLIQUE CETTE ETUDE AU COMPORTEMENT DES MATERIAUX GRANULAIRES SOUMIS AUX EFFETS DE POUSSEE ET BUTEE, ET DANS LE CAS DU STOCKAGE DES MATERIAUX ENSILES

Cet ouvrage est destiné aux étudiants, chercheurs et ingénieurs intéressés par les matériaux granulaires, sables, sols, amas de blocs, etc., constitués de grains élémentaires soumis à des interactions de contact, de frottement, de cohésion et autres interactions mécaniques. Des idées de base mais aussi des résultats de recherche récents sont présentés. Les comportements ordinaires et particuliers de ces matériaux tels qu’on peut les observer dans la pratique, dans des expériences de physique et en simulation numérique sont décrits. Une partie de l’ouvrage est consacrée à la modélisation et, en vue de faire un lien avec la mécanique des milieux continus, à la notion de tenseur et aux techniques d’homogénéisation. Une autre partie traite de la simulation numérique avec des modèles de grains rigides ou déformables et diverses méthodes explicites ou implicites. L’accent est mis sur leurs avantages et inconvénients et de nombreux exemples illustrent la manière dont les résultats des simulations numériques doivent être interprétés. Quelques résultats mathématiques viennent à l’appui de ces considérations.

L'objectif de la thèse est la simulation du comportement des matériaux granulaires à interactions à distance à l'aide du code de calcul TRUBAL développé par Peter Cundall. Ce logiciel qui est à la base de ces simulations numériques est tout d'abord décrit en rappelant le principe de la Méthode dite des Eléments Discrets (M.E.D.) et les différentes particularités de ce logiciel. Dans cette méthode, le mouvement des particules est décrit par la résolution des équations du mouvement et les forces de contact s'obtiennent par implication d'une loi de contact. L'approche théorique développée, à l'Ecole Centrale de Lyon, qui relie le comportement global d'un milieu granulaire à son comportement local est ensuite présentée: l'approche par homogénéisation statistique. Le premier milieu étudié est le milieu forme de bulles de savon pour lequel de nombreuses expériences menées au Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes a l'Ecole Centrale de Lyon ont servi de support. L'interaction entre les bulles de savon comporte un terme attractif à longue distance, qui a nécessité des modifications du logiciel, et un terme répulsif à courte distance. Les simulations homogènes effectuées ont montré que le comportement simulé est représentatif du comportement habituellement observé. L'effet de l'ensemble des forces d'attraction est décrit par un tenseur de contraintes de cohésion qui a été défini par homogénéisation. L'expression de celui ci est obtenue en utilisant une fonction de distribution radiale. L'utilisation de l'approche par homogénéisation a permis également de définir le comportement global du milieu à partir d'une loi locale élastique: les résultats numériques sont en bon accord avec la théorie. Deux essais non homogènes sur ce milieu ont montré la capacité de la M.E.D. à simuler des problèmes réels sur les interfaces: l'essai d'indentation d'une couche mince par un indenteur cristallin et l'essai d'usure au cours d'un cisaillement alterné (probleme du troisième corps). Le deuxième milieu étudié est le milieu granulaire en présence de forces capillaires. La modélisation de la force capillaire par la relation de Laplace-Young a permis de réaliser des simulations homogènes et non-homogènes sur ce type de milieu. Un essai triaxial non confiné montre l'influence de la présence d'eau sur le comportement du milieu. Par contre, sous un confinement important, cette influence est faible. Des essais non-homogènes concernent les écoulements bidimensionnels dans les silos, en présence ou non de cohésion capillaire, en fonction de la taille d'ouverture et de l'inclinaison du fond. La formation de voûtes est étudiée en particulier ainsi que la distribution des contraintes le long des parois. L'ensemble de ces résultats montre l'intérêt de la méthode des éléments discrets pour l'analyse fine du comportement des milieux granulaires à interaction à distance.

CETTE ETUDE ESSENTIELLEMENT EXPERIMENTALE S'INTERESSE AU COMPORTEMENT MECANIQUE DE MATERIAUX GRANULAIRES DITS NON CONVENTIONNELS. ELLE A ETE ABORDEE A PARTIR D'UNE TRES GRANDE BOITE DE CISAILLEMENT, CONCUE ET REALISEE AU LIRIGM. LES ORIGINALITES DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL SONT : LA POSSIBILITE D'EXPERIMENTATION SUR ECHANTILLON DE GRANDE ECHELLE, L'ASSEMBLAGE MODULABLE DES ELEMENTS CONSTITUTIFS QUI PERMET UN TRANSPORT FACILE DE L'APPAREIL SUR SITE, ET LE DEMONTAGE LATERAL POUR VISIONNER LA BANDE DE CISAILLEMENT. L'ETUDE COMPORTE TROIS PARTIES PRINCIPALES : LA PREMIERE PARTIE EST RELATIVE A LA VALIDATION DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL. DES ESSAIS DE CISAILLEMENT ONT ETE REALISES SUR LE SABLE DE LEUCATE ET CONFRONTES AUX RESULTATS OBTENUS DANS DEUX BOITES DE CISAILLEMENT DIRECT CONVENTIONNELLES (300*300 MM 2 ET 100*100 MM 2). DES ESSAIS COMPLEMENTAIRES DE FROTTEMENT D'INTERFACE ONT ETE EFFECTUES ET COMPARES A D'AUTRES OBTENUS SUR UNE GRANDE BOITE DE CISAILLEMENT (400*250 MM 2) AVEC LES MEMES MATERIAUX. LA SECONDE PARTIE, CONSACREE A LA CARACTERISATION MECANIQUE EN LABORATOIRE DE DEUX SOLS A FORTE GRANULARITE (D M A X = 100 MM). LES EXPERIENCES VISAIENT D'UNE PART A DETERMINER LE COUPLE DE PARAMETRES MECANIQUES C ET CORRESPONDANTS, ET D'AUTRE PART METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DE CERTAINS FACTEURS (TAILLE DU BOITIER, CONDITIONS D'ESSAIS ? PLAQUES LISSES, PLAQUES RUGUEUSES ?, HAUTEUR DE L'ECHANTILLON, TENEUR EN EAU, ETC). DES TESTS SPECIFIQUES D'INTERFACE SOL-GEOSYNTHETIQUE (GEOTEXTILE OU GEOGRILLE) ONT ETE AUSSI EFFECTUES. LA DERNIERE PARTIE, SE RAPPORTE A LA CARACTERISATION IN-SITU A L'AIDE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL, DE DECHETS STOCKES DANS LES CENTRES DE STOCKAGE DE CLASSE II : DECHET INDUSTRIEL BANAL (D.I.B) ET DECHET MENAGER (O.M). LES RESULTATS DES ESSAIS DE COMPRESSIBILITE ET DE CISAILLEMENT DIRECT MENES SUR CES MATERIAUX DECHETS, FORTEMENT HETEROGENES, MONTRENT UN COMPORTEMENT SE DEMARQUANT DE CELUI DES SOLS CLASSIQUES. DES VALEURS DE C ET SONT DONNEES ET CONFRONTEES A CELLES DE LA BIBLIOGRAPHIE.

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