q
A1
.
5
k
pd
B
q(a) Composante linéaire à 1.5 kHz.
0 5 10 15 20 25
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
θ
p qA1
pd
B
q(b) Composante non linéaire à1.5 kHz.
Figure4.10 – Évolution de la composante fréquentielle à1.5kHz pour deux
expériences distinctes réalisées dans les même conditions pour un
empile-ment de taille 30
10
11cm3. (a) Composante engendrée linéairement. (b)
Composante engendrée par effet non linéaire.
Une partie des réponses sucitées peut être expliquée dans la formulation
suivante. Quelque soit la nature de la génération des fréquences induites
dans le milieu (linéaire ou non linéaire), si les fréquences concernées sont
inférieures à la fréquence de coupure fc de la fonction de transfert, elles
sont censées se comporter de la même façon au cours de leur propagation.
Toutefois, il n’est pas possible d’engendrer la même fréquence à la fois par
effet linéaire et par effet non linéaire (i.e. dans la même expérience, pour la
même zone sondée). Mais étant donné la relativement bonne reproductibilité
des mesures, il est possible de comparer qualitativement ces deux aspects
(Fig. 4.10). La même composante fréquentielle induite dans le milieu par
effet linéaire ou non linéaire se comporte de façon similaire au cours de la
déstabilisation. On peut donc supposer qu’en sondant le volume en basses
fréquences, les ondes sont sensibles à toutes modifications des contacts, qu’ils
soient faibles ou forts.
4.3 Précurseurs miroirs
Dans cette section les effets mémoire appelés précurseurs miroirs sont
ana-lysés. Un empilement est tout d’abord incliné pour observer des précurseurs
sans aller jusqu’à l’avalanche (Fig. 4.11a). Ensuite, le sens d’inclinaison est
inversé sans temps d’attente pour rétablir l’empilement à l’horizontale (Fig.
4.11b). Dans cette seconde phase, des précurseurs sont observés pour les plus
petits angles de façon symétrique avant que l’empilement ne revienne en
po-sition horizontale. En fait, au cours de la première inclinaison, l’empilement
a gardé en mémoire l’orientation de la gravité changeant avec l’angle via la
composante du poids suivant la normale à la paroi avant. Les contacts ont
ainsi été amenés à avoir une orientation définie par le sens angulaire pour
maintenir au mieux la stabilité de l’empilement. Lorsque le sens d’inclinaison
est inversé, l’empilement se retrouve tout d’abord à nouveau dans une
posi-tion stable. Ensuite, lorsque l’empilement tend à se rapprocher de la posiposi-tion
horizontale, les contraintes devenant trop importantes, les contacts critiques
se rompent, et des précurseurs apparaissent ainsi aux petits angles.
Kiesgen de Richter et al. (2010) ont déjà observé de tels précurseurs
mi-roirs par méthode acoustique non linéaire dans le volume. Cependant ces
auteurs supposent que cet effet ne concerne que le volume, alors qu’en réalité
ces précurseurs miroirs sont également visibles à la surface de l’empilement.
La figure 4.11 présente trois inclinaisons et inclinaisons inverses successives.
Le sondage acoustique est ici effectué par la propagation d’un signal
sinusoï-dal de fréquence1.5kHz. L’amplitude acoustique associée tend à décroître de
la même façon que les surfaces réarrangées. Ces cycles permettent de
prati-quement faire disparaître les précurseurs. Les effets mémoires deviennent en
fait de plus en plus importants, ce qui permet de minimiser l’énergie
néces-saire pour le maintien de la stabilité de l’empilement. Après ces trois cycles,
l’empilement est incliné jusqu’à avalanche (Fig. 4.11h). Dès que l’angle
d’ar-rêt des précédents cycles d’inclinaison est dépassé (24.5
), l’activité granulaire
reprend avec un précurseur d’énergie importante, suivi ensuite de l’avalanche.
Ce regain d’activité est observé car le milieu n’a pas eu au cours des cycles
précédents à dépasser l’angle d’arrêt.
Le phénomène de précurseurs est lié à l’anisotropie des forces de
frotte-ment qui est principalefrotte-ment orthogonale par rapport au sens de la
compo-sante du poids parallèle au fond de l’empilement (Staron et al., 2006). Ainsi,
lorsque l’orientation de cette composante du poids est inversée, via le sens de
l’angle d’inclinaison, l’anisotropie des forces de frotement tend à s’inverser,
ce qui provoque des précurseurs miroirs. Il aurait aussi été intéressant
d’incli-ner l’empilement pour des angles négatifs, ce que ne permet pas le montage
expérimental. Un comportement hystérétique serait alors attendu (Deboeuf
et al., 2005).
0 5 10 15 20
10
010
210
4S
{S0
A
A (a)
-40
-20
20 15 10 5 0
10
010
210
4S
{S0
A
A
1 , 5 k (d B )(b)
-40
-20
0 5 10 15 20
10
010
210
4S
{S0
A
A
1 , 5 k (d B )(c)
-40
-20
20 15 10 5 0
10
010
210
4S
{S0
A
A
1 , 5 k (d B )(d)
-40
-20
0 5 10 15 20
10
010
210
4S
{S0
A
A
1 , 5 k (d B )(e)
-40
-20
20 15 10 5 0
10
010
210
4S
{S0
A
A
1 , 5 k (d B )(f)
-40
-20
0 5 10 15 20 25
10
010
210
4S
{S0
A
A
1 , 5 k (d B )(g)
Figure4.11 – Mise en évidence de l’effet miroir des précurseurs. (a) Première
inclinaison de 0 à24.5
avant avalanche. (b) Première inclinaison inverse de
24.5à0
. (c) Seconde inclinaison de0à24.5
. (d) Seconde inclinaison inverse
de 24.5 à0
. (e) Troisième inclinaison de 0à 24.5
. (f) Troisième inclinaison
inverse de 24.5 à 0
. (g) Quatrième inclinaison de 0
Étude paramétrique des
précurseurs
5.1 Paramètres
Les précurseurs d’avalanches dépendent de nombreux paramètres (Sec.
2.2). On peut penser tout d’abord à la forme et la granulométrie des grains.
Le matériau constituant les grains est également important. Pour resteindre
la diversité amenée par les paramètres cités précédemment, les milieux
gra-nulaires étudiés dans cette thèse sont constitués de billes de verre sphériques
monodisperses de taille millimétrique. Dans ce chapitre, l’influence de la
pré-paration de l’empilement sur la dynamique des précurseurs est tout d’abord
étudiée (Sec. 5.2). Ensuite l’effet de l’état de surface est abordé conjointement
avec celui de la taille de l’empilement (Sec. 5.3). Puis le rôle des conditions
hygrométriques et de température est aussi étudié (Sec. 5.4).
En premier lieu, un des paramètres prépondérants agissant sur la
dyna-mique de déstabilisation d’un empilement granulaire est la préparation de ce
dernier, et indirectement sa compacité. En effet, la préparation conditionne
la répartition des chaînes de force au sein de l’empilement. La préparation de
la majorité des empilements étudiés est identique entre expériences afin de
contrôler la compacité et ainsi obtenir des comportements physiques
repro-ductibles (Sec. 3.2). Toutefois, l’effet des conditions appliquées à la surface
libre de l’empilement est étudié (Sec. 5.2) : sa préparation et son affleurement
avec les bords de la boîte.
Par ailleurs, l’état de surface des grains est aussi un paramètre important
73
(Sec. 5.3). Ce paramètre, souvent négligé pour les études d’avalanches, se
révèle crucial pour la dynamique des réarrangements.
Ensuite, la « géométrie » de l’empilement est également étudiée pour des
volumes parallélipédiques. L’influence des différentes dimensions est ainsi
ca-ractérisée (Sec. 5.3.3).
De plus, les variations des conditions atmosphériques (humidité et
tempé-rature) interviennent aussi dans la modification des propriétés observées (Sec.
5.4). Ces paramètres ne sont souvent pas mentionnés ou sont mal contrôlés
dans les travaux expérimentaux avec des grains de taille millimétrique, là où
les effets cohésifs sont largement sous-estimés. Pourtant ils rentrent bien en
jeu dans la dynamique des réarrangements.
Enfin, la vitesse d’inclinaison est aussi essentielle, pour savoir si le
mou-vement peut être considéré comme quasi-statique. La limite est observée à
environ 3.5˚/s, vitesse à partir de laquelle la dynamique des réarrangements
commence à être affectée par des effets intertiels. Cela se traduit par une
augmentation de l’activité, des précurseurs plus fréquents, et une avalanche
précoce.
Dans le document
Dynamique granulaire à l'approche de l'état critique
(Page 72-77)