Perspectives expérimentales

Comme on l'a dit, l'étude présentée ici c'est limiter à l'analyse spatio-temporelle de la zone d'écoulement du fait de la diculté à suivre la cinématique du matériau tout au long d'un processus de déstabilisation. Si le dépouillement basé sur la masse mouvante s'est révélé très performant, il ne donne toutefois qu'une information partielle, celle liée à la localisation des grains en mouvement, et ne renseigne pas sur l'intensité de ce mou-vement. Pour cela, la procédure la mieux adaptée pourrait être d'utiliser l'algorithme de masse mouvante an de déterminer avec précision le créneau temporel au cours duquel la mobilisation maximale est atteinte. Dans un second temps, on peut alors analyser spéciquement les champs de vitesse instantanée correspondant an par exemple d'en extraire, avec la méthode détaillée au paragraphe 3.2.2, les valeurs de la vitesse maxi-male Vmax, du taux de cisaillement γ_max et de la hauteur de cisaillement h_cis−max qui doit être directement proportionnelle à hmax. Un calcul de l'énergie cinétique globale (ou limitée dans la zone d'écoulement dénie par l'algorithme de masse mouvante) peut également être envisagé. Si une étude systématique de cette cinématique reste à faire, des essais préliminaires ont été réalisés sur une série expérimentale à inclinaison variable et fraction volumique constante (Φ ≈ 0,539). Les résultats obtenus sont présentés sur les gures 3.79, 3.80 et 3.81.

On observe une augmentation de la vitesse maximale et de la profondeur maximale cisaillée avec l'inclinaison jusqu'à atteindre une saturation vers45(tanθ ∼1). L'inter-prétation de cette saturation reste la même que ce qui a été avancé au paragraphe 3.4.3. Sur la gure 3.80, on retrouve bien la proportionnalité attendue entre les deux valeurs de profondeur mobilisée calculée à partir de l'algorithme de masse mouvante (hmax) et du prol de vitesse (hcis−max). Notons que, dans la phase d'augmentation précédant la sa-turation, ces dernières valeurs sont nettement plus proches de la loi d'échelle 3.20. Enn, un des points nouveaux et très intéressants qui semble émerger de ces premiers résultats relatifs à la cinématique est l'existence d'un taux de cisaillement approximativement constant au maximum d'intensité de la déstabilisation. La valeur obtenue est de l'ordre

Figure 3.79 Dépendance de la vitesse maximale mesurée à partir du le prol de vitesse au pic de déstabilisation en fonction de la tangente de l'inclinaison.

Figure 3.80 Dépendance de la profondeur maximale de cisaillement mesurée à partir du prol de vitesse au pic de déstabilisation en fonction de la tangente de l'incli-naison. Les valeurs déduites de l'analyse par la masse mouvante ont également été représentées ainsi que la loi d'échelle 3.20 (courbe en pointillé).

deγ_max= 1,18s⁻¹. Ce dernier résultat demande conrmation et reste à interpréter. De la même façon, la complexité intrinsèque de la phénoménologie expérimentale a rendue dicile l'analyse des processus de déstabilisation et ne nous a pas laissé la temps

Figure 3.81 Dépendance du taux de cisaillement au pic de déstabilisation en fonction de la tangente de l'inclinaison. La courbe représente la valeur moyenne γ_max = 1,18s⁻¹.

d'aborder la question du couplage entre les grains et le liquide interstitiel, couplage dont on sait qu'il peut jouer un rôle déterminant au cours d'un écoulement granulaire en régime transitoire ([Iverson, 2004], [Pailha et al., 2008], [Pailha et Pouliquen, 2009]). Étant données la taille assez importante des grains du sable utilisé ici (beaucoup plus par exemple que pour [Pailha et Pouliquen, 2009]) et la viscosité limitée de l'eau, il est probable que ce couplage soit relativement faible dans nos expériences. Pour augmenter ce couplage, il est possible d'utiliser un liquide de viscosité plus élevée et/ou des grains plus ns. Des essais ont été réalisés en jouant sur ces deux paramètres, plus précisément avec un sable de type HN31 ayant un diamètre moyen de l'ordre 330µm et avec un liquide constitué d'un mélange eau/glycérine de viscosité à peu près égale à huit fois celle de l'eau (mesure par un viscosimètre à bille). Malheureusement, comme on l'a déjà précisé au paragraphe 2.6.4, ce sable plus n n'est pas bien adapté à un traitement PIV avec la géométrie imposée par la cellule. Nous nous sommes donc limités dans ce cas à des observations qualitatives qui vont toutes dans le sens d'un ralentissement de la dynamique, qui reste limité lorsque seule la viscosité est augmentée, mais devient beau-coup plus marqué pour les grains plus ns. La condition la plus défavorable, avec grains ns et liquide le plus visqueux, donne lieu à des durées de déstabilisation qui dépassent sensiblement la minute. Le couplage devient donc prédominant dès lors que la viscosité est importante et surtout que la taille des grains est faible.

Enn, un dernier point à discuter ici concerne le choix de la fraction volumique pour rendre compte de la résistance mécanique du matériau vis à vis de la gravité et pour décrire la dynamique d'une coulée. S'il est certain qu'un lien doit exister avec la fraction volumique, c'est plus au niveau de la microstructure que doivent se trou-ver les paramètres les plus pertinents comme par exemple le nombre moyen de contact ou l'anisotropie de la distribution des forces de contact exprimée à travers la texture

([Andreotti et al., 2011]). Une mise en évidence de l'insusance de la fraction volumique en tant que paramètre de contrôle a été réalisée comme suit. Trois échantillons ont été préparés avec une même fraction volumique initiale Φ≈0,555 mais par des protocoles diérents. Le premier protocole, noté P₁, est celui utilisé dans tout ce travail et corres-pondant à une uidisation, suivie d'une redéposition progressive et ensuite de quelques coups de maillet. Le second protocole P₂, proche du premier, est aussi constitué d'une uidisation suivie d'une redéposition sauf qu'une grille avait été placée au préalable à la base de l'échantillon. La n du protocole se fait alors en remontant lentement cette grille jusqu'au haut de l'échantillon, ce qui permet ainsi de décompacter légèrement ce der-nier. Enn, le troisième mode de préparationP₃ est totalement diérent : il s'agit d'une technique de damage humide (voir par exemple [Benahmed, 2001]) où 8 couches de 250g sable chacune, légèrement humidiées (environ4% d'eau en masse), sont successivement compactées à l'aide d'une dame, les unes après les autres et les unes au-dessus des autres. L'échantillon ainsi créé n'est pas saturé immédiatement mais on y fait d'abord circuler pendant environ une demie heure du dioxyde de carbone qui est soluble dans l'eau et va éviter le piégeage de bulles d'air lors de la saturation nale. Les résultats obtenus pour une inclinaison de60sont présentés sur la gure 3.82.

Figure 3.82 Evolutions temporelles de la masse mouvante obtenues avec les 3 protocoles de préparation (P₁ : notre protocole usuel,P₂: notre protocole usuel suivi d'un pas-sage dans l'échantillon d'une grille,P₃ : damage humide) avec des échantillons de fraction volumique φ≈0,555 et pour une inclinaison θ = 55. Les courbes en pointillé correspondent à la mobilisation en profondeur initiale de la zone de coulée, quasi-linéaire, avec une pente égale àC_m. Pour les diérents protocoles on trouveC^P1

m ≈C^P2

m ≈4C^P3

m .

mal-gré une même valeur de densité, peut induire des diérences extrêmement fortes avec, notamment, un facteur de l'ordre de 4 sur la vitesse initiale de mobilisation en pro-fondeur de la zone de coulée lorsque les modes de préparation sont très diérents ! Au contraire, lorsque les protocoles sont assez similaire, comme pour P₁ etP₂, les résultats restent assez bien comparables. Notons par ailleurs que, dans les analyses réalisées au cours de ce travail, des comportements atypiques avaient souvent été observés pour les échantillons les moins consolidés n'ayant pas été sollicités par des coups de maillet. Il est fort probable que cela s'explique par des eets microstructurels, le tout premier coup maillet entraînant au niveau de la microstructure des modications très importantes qui ne peuvent être prises en compte par un simple décalage de la fraction volumique.

Chapitre 4

Tassement d'un échantillon de sable

A travers ce chapitre, la compressibilité d'un milieu granulaire sera étudiée en consi-dérant plusieurs types de chargement.

4.1 Cadre théorique