Dispositif expérimental mécanique

Expérimentalement, l’échantillon de milieu granulaire est déposé dans un moule

pré-formé en latex (une description plus détaillée de la préparation des échantillons est donnée

en II.5). Un hublot en verre, permettant la visualisation optique, vient fermer l’ensemble.

Ce hublot permet également de relier l’échantillon à une pompe (N 816.3 KN.18, KNF

Laboport) par l’intermédiaire d’une électrovanne “tout ou rien” reliée à un capteur de

pression (DP2-40E, Panasonic). La mise en dépression de l’échantillon permet

d’appli-quer sur l’échantillon une contrainte de confinement quasi-constante directement reliée à

la différence de pression entre l’intérieur de l’échantillon et l’extérieur. Cette contrainte

correspond à la contrainte −σ

_xx

introduite précédemment : −σ

_xx

= ∆P

_conf

' cste. La

valeur de la différence de pression est déterminée directement sur le capteur de pression

où un intervalle[∆P

_conf^min

;∆P

_conf^max

]est rentré en consigne.

L’échantillon

6

(_Figure II.3) est ensuite placé dans un bâti

11

fixé à une table

optique pour s’affranchir des vibrations extérieures. La condition de déplacement nul aux

parois dans la direction (Oz) est assurée par le hublot en verre en face avant et par une

plaque métallique

9

à l’arrière dont on peut ajuster la position à l’aide d’une platine

de translation horizontale

7

. Toute translation de l’échantillon vers le bas est également

bloquée à l’aide d’une plaque inférieure

8

qui peut coulisser le long d’un axe

10

pour

ajuster sa position. La contrainte −σ

_yy

est appliquée par l’intermédiaire d’une plaque

supérieure

4

. L’ensemble {échantillon + hublot} est fixé au bâti à l’aide de quatre cales

12

. Un schéma de l’échantillon et des contraintes appliquées est donné en _FigureII.4.

Avec ce dispositif mécanique, deux types de chargement peuvent être fait : un

charge-ment à déformation imposée ou bien un chargecharge-ment à contrainte imposée.

Figure ^{II.3 – Plan du dispositif expérimental en vue de face et de côté.}

1

moteur

pas à pas,

2

platine de translation verticale,

3

capteur de force,

4

plaque

supé-rieure,

5

hublot,

6

échantillon,

7

platine de translation horizontale,

8

plaque

inférieure,

9

plaque arrière,

10

axe de positionnement,

11

bâti,

12

cales de fixation

du hublot.

Chargement à déformation imposée

Le dispositif pour réaliser des expériences à déformation imposée était déjà

parfai-tement opérationnel au début de ma thèse [LBAS

⁺

14b]. La plaque supérieure

4

est

fixée à une platine de translation verticale

2

(LNR50 Series Linear Long-Travel

Trans-lation Stage, Thorlabs) elle-même fixée au bâti

11

(_Figure II.3). Un moteur pas à pas

1

(DRV414 DC Servo Motor Actuator, Thorlabs) piloté par un contrôleur (BDC 101 DC

Motor Controller, Thorlabs) guide la platine de translation. Les données constructeur du

moteur pas à pas sont regroupées en _TableII.1.

II.1. LE TEST MÉCANIQUE 27

Figure ^{II.4 – Schéma de l’échantillon et des contraintes appliquées.} −σ

_xx

corres-pond à la contrainte de confinement imposée par le pompage dans l’échantillon et

−σ

_yy

correspond à la pression exercée par la plaque supérieure. Le déplacement nul

aux parois suivant la direction (Oz) est imposé grâce à la plaque située à l’arrière

et au hublot en verre en face avant non représenté ici.

Dans cette configuration, la platine de translation verticale se déplace, au cours du

temps, à vitesse constante sur une distance de l’ordre de 10% de la hauteur initiale de

l’échantillon.

Course maximale 50 mm

Résolution 0.3µm

Précision <1µm

Vitesse minimale 0.3µm·s

⁻¹

Chargement maximal 25 kg ≈245 N

Table^{II.1 – Données constructeur du moteur pas à pas (DRV414 DC Servo Motor}

Actuator, Thorlabs).

Le déplacement pas à pas du moteur a été vérifié à l’aide d’un capteur de position

inductif (ECA100, Lion Precision) capable de mesurer des distances comprises entre50µm

et550µm. La réponse en tension du capteur en fonction de la distance est non-linéaire et

représentée en_Figure II.5. Localement, on peut faire l’hypothèse d’une réponse linéaire.

D’après le certificat de calibration, la réponse en tension attendue entre trois et quatre

volts est :

4.046−2.914

143.749−112.499 ^{= 0.036 V·µm}

−1

(II.1)

Figure ^{II.5 – Réponse en tension du capteur inductif en fonction de la distance.}

Les données sont issues du certificat de calibration fourni par le constructeur.

D’après les données constructeur, le pas minimal est de 0.3µm. On mesure alors la

distance entre le capteur inductif et la plaque supérieure lorsque cette dernière se déplace

à une vitesse de 0.3µm·s

⁻¹

. Le saut de tension attendue pour un pas du moteur est

de |δV|= 0.011 V. Dans le signal de sortie du capteur présenté en _Figure II.6, on peut

observer dix pas entiers. La_Table II.2 regroupe le temps et la tension correspondant au

début de chaque pas observés sur la_Figure II.6. La moyenne statistique sur ces dix pas

donne une durée de past = 1.02 set un saut de tension|δV|= 0.011 V. Ces résultats sont

en adéquation avec un déplacement d’un pas de0.3µmpar seconde.

Chargement à contrainte imposée

Durant ma thèse, j’ai commencé à modifier le dispositif expérimental afin de réaliser

des expériences à contrainte imposée. La volonté d’avoir des expériences les plus proches

possibles des réalités géophysiques a motivé cette modification. L’idée est d’appliquer sur

l’échantillon, toujours par l’intermédiaire de la plaque supérieure

4

et de la platine de

translation verticale

2

(_Figure II.3), une contrainte croissante continue et monotone.

Le moteur pas à pas est remplacé par un bloc de plomb de22 kg(L×l×h= 12×12×

II.1. LE TEST MÉCANIQUE 29

Figure ^{II.6 – Signal de sortie du capteur inductif pour un déplacement d’un pas}

de0.3µm pas seconde.

Temps (s) ^{Intervalle de}

temps (s) ^{Tension (V)}

Saut de

tension (V)

0.36 – 3.978 –

1.40 1.04 3.962 -0.016

2.40 1.00 3.957 -0.005

3.42 1.02 3.943 -0.014

4.46 1.04 3.934 -0.009

5.48 1.02 3.920 -0.014

6.46 0.98 3.915 -0.005

7.50 1.04 3.899 -0.016

8.56 1.06 3.891 -0.008

9.56 1.00 3.878 -0.013

Table ^{II.2 – Coordonnées temps/tension correspondant à chaque début de pas}

observés sur la _Figure II.6.

de corde et de poulies. Le contrepoids est un réservoir d’eau de25 L(Bonbonne en LPDE

25 L, Thermo Scientific Nalgene) que l’on vidange par un tube de diamètre interne de

1.6 mm(Tube Clear C-Flex1.6×3.2 mm, Saint-Gobain 06422-02). Ce diamètre de sortie,

en partie contraint par les diamètres de tubes commercialisés, a été déterminé de manière

à avoir des temps d’expériences similaires à contrainte imposée ou à déformation imposée.

Les durées typiques d’une expérience à déformation imposée sont de trois heures contre

deux heures et trente minutes pour les expériences à contrainte imposée.

Un chargement test sur un bloc déformable a été réalisé pour une vidange complète

du réservoir. La_FigureII.7 représente la contrainte déviatoriqueσ

xx

−σ

yy

appliquée sur

l’échantillon au cours du temps. Cette technique permet bien d’avoir une augmentation

de la contrainte appliquée continue et monotone atteignant les mêmes valeurs maximales

de la contrainte −σ

yy

avec une durée totale d’expérience proche de celles à déformation

imposée (Plus de détails sur les caractéristiques des expériences sont donnés au paragraphe

III.1).

Figure ^{II.7 – Contrainte déviatorique σ}

xx

−σ

_yy

appliquée sur un bloc déformable

en fonction du temps dans une configuration de chargement à contrainte imposée.

II.2 La spectroscopie par diffusion multiple de la

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