Nous nous intéressons dans ce travail au cisaillement des matériaux granulaires. Les principales notions sur le cisaillement ont tout d’abord été rappelées. Ensuite, certains essais permettant d’étudier le cisaillement des granulaires ont été décrits, puis
nous avons présenté plus en détails le principe et l’exploitation des résultats de l’essai triaxial de révolution. Cet essai est l’un des plus couramment utilisés en laboratoire, notamment au sein du laboratoire du département GCE de Mines-Douai. Enfin, les travaux numériques visant à modéliser l’essai triaxial au moyen de la DEM ont été recensés. Les différentes conditions aux limites développées dans la littérature ont notamment été présentées. Cette étude bibliographique a montré que le comportement au cisaillement des matériaux granulaires homogènes a été abondamment étudié d’un point de vue macroscopique. De nouvelles techniques expérimentales, comme la tomodensitométrie de rayons X, permettent également d’en étudier la microstructure, mais ces méthodes sont encore lourdes et très coûteuses. La simulation numérique discrète permet toutefois une étude plus aisée de la microstructure.
A l’issue de cette étude de la littérature, plusieurs questions restent cependant ouvertes. Peu de travaux ont notamment été consacrés à la comparaison systématique entre des résultats expérimentaux obtenus sur des matériaux modèles et des résultats numériques réalisés dans des conditions similaires. L’influence des hétérogénéités de taille présentes au sein d’un granulaire sur son comportement au cisaillement a par ailleurs fait l’objet, à notre connaissance, très peu étudié. Les matériaux testés en laboratoire, dans des cellules de dimension fixée, sont pourtant souvent composés d’un mélange entre particules de dimensions différentes. Ainsi, nous proposons dans ce travail de répondre aux questions suivantes :
— La DEM permet-elle de reproduire correctement le comportement au cisaillement d’un matériau granulaire lors d’un essai triaxial de révolution ?
— Quelle est l’influence des paramètres micromécaniques (tels que le coefficient de frottement grain-grain ou le coefficient de roulement) sur le comportement macroscopique du matériau ?
— Jusqu’à quelle taille de particules peut-on utiliser une cellule triaxiale de dimension fixée pour identifier de manière reproductible le comportement d’un matériau granulaire homogène ?
— Quelle est l’influence des hétérogénéités de taille sur le comportement d’un matériau granulaire ?
Afin de répondre à ces questions, ce travail de recherche a été scindé en deux grandes parties : une phase expérimentale basée sur la réalisation d’essais triaxiaux de révolution et une phase numérique basée sur la simulation DEM de l’essai triaxial. Dans la phase expérimentale, nous avons effectué des essais triaxiaux sur des billes de verres. Les billes de verre sont sphériques (matériaux granulaires idéaux) afin de permettre une comparaison avec les simulations de l’essai triaxial par la DEM.
Dans le chapitre deux, plusieurs séries d’essais triaxiaux sont réalisées sur des billes de verre monodisperses dans différentes conditions expérimentales. On s’intéresse particulièrement à l’influence de l’indice des vides initial de l’empilement, à l’influence
de l’état de saturation (empilements complètement secs ou complètement saturés) et à l’influence de la texture de surface des particules sur le comportement au cisaillement. Dans chaque cas, les essais sont réalisés sous plusieurs pressions de confinement. Ce chapitre fournit ainsi une base de données importante qui permettra par la suite une confrontation avec les simulations numériques.
Dans le chapitre trois, nous tentons de reproduire numériquement certains essais triaxiaux réalisés au chapitre précédent. Le modèle numérique utilisé est tout d’abord présenté. Une condition limite de type paroi rigide cylindrique est implémentée pour modéliser l’essai triaxial. Les simulations sont menées en utilisant les mêmes paramètres que ceux des essais expérimentaux. Les résultats numériques sont ainsi comparés avec la base de données expérimentale pour confondre le code. Le tenseur de contraintes nous permet d’étudier l’empilement d’un point de vue microscopique.
La comparaison entre les résultats expérimentaux du chapitre deux et les résultats numériques du chapitre trois étant satisfaisante, le modèle est ensuite exploité dans le chapitre quatre afin d’étudier l’influence des hétérogénéités de taille sur le comportement au cisaillement des matériaux granulaires. L’influence du rapport de tailles entre les particules et la cellule triaxiale est tout d’abord étudiée sur des empilements monodisperses. L’effet d’une unique inclusion de grande taille sur le cisaillement est ensuite abordé. Enfin, le cisaillement de mélanges de billes bidisperses de composition variable est étudié. Dans chacun des trois cas, une campagne expérimentale est tout d’abord réalisée sous une unique pression de confinement afin de permettre une comparaison avec les résultats numériques. Puis le modèle est utilisé pour étudier également d’autres pressions de confinement.
2
Comportement mécanique de billes de
verres monodisperses sous sollicitations
triaxiales de cisaillement
2.1
Introduction et objectifs
C
e chapitre a pour objet de présenter une étude expérimentale du comportement mécanique sous cisaillement monotone de billes de verre monodisperses. Le travail expérimental réalisé en régime quasi-statique vise en priorité à établir les fonda- mentaux du comportement mécanique au triaxial des billes de verre sous cisaillement, à la fois en condition sèche et totalement saturée. De nombreux travaux traitent essentiellement le cas de matériaux modèles secs, mais d’autres études relèvent de l’influence de l’état de saturation des matériaux granulaires sur la réponse mécanique et son impact sur les caractéristiques mécaniques tels que les angles de frottement local et interne.Les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ce travail doivent servir de base solide pour la confrontation numérique, dans l’optique de valider le modèle numérique et les hypothèses associées présentées dans la suite du mémoire.
Comme précités dans le chapitre 1, plusieurs facteurs d’influence jouent un rôle ma- jeur sur la réponse mécanique des matériaux granulaires et des paramètres mécaniques. Dans ce contexte, les investigations expérimentales sont concentrées sur les facteurs suivants :
— Influence de la vitesse de cisaillement sur le stick-slip ; — Influence de la pression effective moyenne ;
— Influence de l’état hydrique ; — Influence de l’état de compacité ; — Influence de l’état de texture des billes.
Ce chapitre expérimental est articulé comme suit : en premier lieu, le matériau modèle utilisé pour l’étude ainsi que le dispositif expérimental et les procédures d’essais utilisés pour la réalisation de l’ensemble des tests triaxiaux de cisaillement sont présentés.
Dans une deuxième phase, le programme expérimental est explicité, avec la prise en compte des différents facteurs d’étude précités dans la programmation des tests.
La dernière partie est consacrée à l’analyse des résultats et leur discussion, compte tenu de l’état de l’art et des objectifs numériques de l’étude.