Investigations expérimentales des effets de la microstructure sur le comportement des milieux granulaires et sur l'instabilité de liquéfaction - Ecole Centrale de Marseille Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2012

Experimental investigations of microstructural effects on the mechanical behaviour of granular materials and flow liquefaction instability

Investigations expérimentales des effets de la microstructure sur le comportement des milieux granulaires et sur l'instabilité de liquéfaction

Résumé

The rheology of granular materials depends strongly on their initial state in terms of void ratio and effective stresses. However, the mode of deposition has also considerable influence on their mechanical behavior because it induces initial structures clearly differentiated. This difference is observed across the geometrical arrangement of the grains in the granular packing. This work aims to achieve a better experimental characterization of the undrained behavior of the Hostun HN31 sand at the local (microscopic) scale, depending on the different procedures used for sample reconstitution. We particularly highlight the influence of the microstructure on the mechanical behavior of sand especially in relation to liquefaction instability. The key point of this work consists of the use of piezoelectric transducers to measure shear wave velocities within triaxial sand specimens. These specimens have been prepared by different methods, namely: moist tamping, dry pluviation and water pluviation. Wave velocities are basic property of soil that is influenced by several factors and among them the microstructure. The obtained results highlight the considerable influence of the deposition mode on the mechanical behavior of sand. They show that for the same initial density, and at the same confining pressure, the mechanical behavior is very different from the three preparation methods. Sand prepared by moist tamping induces a contracting unstable behavior with strain softening and liquefaction instability, whereas dry and water pluviation lead to a dilative, more stable behavior with strain hardening. Furthermore, the values of shear wave velocity are different from one deposition mode to another. Concerning the anisotropy, the material prepared by moist tamping presents an inherent degree of anisotropy, which it is however minimal. On the other hand, dry pluviation and water pluviation induce more isotropic initial structures. Moreover, the initial anisotropy is less important than the anisotropy induced by loading. The shear wave velocity measurements were made during the shear loading, and show that the induced anisotropy is more significant at the beginning of the test. This is probably due to the distribution of grains contacts and their strong reorganization caused by shearing. These experimental results indicate that the initial state of a granular medium can not be described by only couple of scalar variables of initial density and confining pressure: a variable that can reflect the initial microstructure and an evolution law of this variable are necessary to model the experimental observations.
La rhéologie des matériaux granulaires dépend fortement de leur état initial en termes d’indice des vides et d’état de contraintes effectives. Cependant, le mode de déposition a également une influence considérable sur leur comportement mécanique du fait qu’il induit des structures initiales bien différenciées au sens de l’arrangement géométrique des grains dans l’empilement granulaire. Le travail présenté dans ce mémoire a pour objectif d’aboutir à une meilleure caractérisation expérimentale du comportement non drainé du sable d’Hostun HN31 à l’échelle locale (microscopique), en relation avec les différentes méthodes de reconstitution utilisées. On vise en particulier à mettre en évidence la façon dont la microstructure influence les propriétés des sols granulaires, notamment vis-à-vis de l’instabilité de liquéfaction. Le point clé de ce travail consiste en l’utilisation de capteurs piézoélectriques pour mesurer les vitesses d’onde de cisaillement au sein d’éprouvettes triaxiales reconstituées par trois techniques différentes à savoir le damage humide, la pluviation à sec et la pluviation sous eau, les vitesses d’onde étant une propriété de base du sol qui est influencée par plusieurs facteurs, et parmi elles la microstructure. Les résultats obtenus mettent en évidence l’influence considérable du mode de fabrication sur le comportement mécanique du sable. Ils montrent que pour une même densité initiale, et à même pression de confinement, le comportement mécanique observé est très différent selon les trois modes de préparation. Le sable préparé par damage humide présente toujours un comportement à caractère contractant et liquéfiant, nettement différent du sable préparé par pluviation, qui lui, est dominé par une structure présentant un comportement dilatant et stable. De même, les valeurs de vitesses d’onde de cisaillement enregistrées sont différentes d’un mode de déposition à un autre. Concernant l’anisotropie, le matériau préparé par damage humide présente un certain degré d’anisotropie inhérente, qui est toutefois minimal. En revanche, la pluviation à sec et la pluviation sous eau induisent des structures initiales plus isotropes. Par ailleurs, l’anisotropie initiale est toujours moins importante que l’anisotropie induite par le chargement. Le suivi de l’évolution de cette dernière durant la phase de cisaillement a permis de montrer que l’anisotropie induite est plus importante en début de chargement. Ceci est probablement dû à une première phase importante d’arrangement et d’organisation structurale des particules de sable, qui affectent directement la distribution des contacts inter granulaires provoqués par le cisaillement. Ces résultats expérimentaux démontrent que l’état initial d’un milieu granulaire ne peut être décrit par le seul couple de variables scalaires densité initiale et pression de confinement: une variable capable de refléter la microstructure initiale et une loi d’évolution de cette variable sont nécessaires pour que la modélisation puisse reproduire les observations expérimentales.
Fichier principal
Vignette du fichier
These-Mohamed ARIS.pdf (4.9 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates et versions

tel-01337567 , version 1 (27-06-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01337567 , version 1

Citer

Mohamed Aris. Investigations expérimentales des effets de la microstructure sur le comportement des milieux granulaires et sur l'instabilité de liquéfaction. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Aix Marseille Université, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01337567⟩
259 Consultations
275 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More