Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Comportement quasi-statique des poudres cohésives : expériences et simulation numériques.

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Mécanique des matériaux et des sols, rhéologie des matériaux granulaires.

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE PARIS-EST

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu ROUX Jean-Noël  -  Université Gustave Eiffel  -  Navier

Co-directeur de thèse prévu TANG Ahn-Minh  -  Université  -  Navier

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

CONTEXTE. Les argiles, pourvu que l’on puisse identifier une taille caractéristique d’agrégats ; les ciments frais, assimilables à des suspensions de particules adhésives ; les poudres, dont les grains de taille mésoscopique sont sensibles aux forces de van der Waals ; les colloïdes avec interactions attractives à courte portée devant la taille des particules… tous ces matériaux peuvent être considérés comme constitués de grains solides interagissant par leurs contacts adhésifs. Les poudres modèles [1], assemblages de grains sphériques dont les contacts peuvent transmettre une traction, constituent un archétype de cette classe étendue de matériaux, pour lequel il est possible de relier les comportements macroscopiques à leurs origines micromécaniques, à l’échelle du réseau des contacts intergranulaires. Les grains macroscopiques, en présence de ponts capillaires [2,3,5,6], se comportent de manière analogue, mais les cohésions ainsi obtenues restent modérées (quelques kPa au plus pour des grains de 0.1mm de diamètre).
De tels systèmes ont été étudiés expérimentalement [1,2,3,4,5] et par la simulation numérique de type « éléments discrets » (DEM) [5,3,6,7] sous deux aspects : la compression isotrope ou œdométrique [7,3,2], dans laquelle l’intensité croissante des contraintes appliquée, dominant progressivement la force d’adhésion intergranulaire, conduit à l’effondrement des structures initialement lâches ; et le cisaillement maintenu (« état critique » au sens de la géomécanique) [3,6,5], qui se généralise aux écoulements inertiels. Entre ces deux situations extrêmes de l’évolution quasi-statique du matériau, telle qu’elle est traditionnellement étudiée en mécanique des sols [4], le comportement des assemblages granulaires non cohésifs, lors de l’application progressive d’un déviateur de contraintes est bien exploré, et relié aux évolutions internes du réseau des contacts. Mais celui des systèmes cohésifs, qui présentent, en raison de la stabilisation de configurations lâches une variété beaucoup plus étendue de microstructures possibles, reste peu connu.

OBJECTIFS, DÉROULEMENT DE LA THÈSE. Le but de cette thèse est d’explorer et de caractériser ce régime de comportement, d’identifier les paramètres importants, de relier les grandeurs macroscopiques (critère de plasticité, résistance au cisaillement, dilatance ou contractance) aux ingrédients microscopiques du modèle. Peut-on identifier un régime élastique et un comportement élastoplastique ? Retrouve-t-on un comportement de type Cam-clay ? Peut-on efficacement classifier les états initiaux par un petit nombre de variables internes (densité, coordinence, anisotropie de texture) ? Quelle est l’influence de caractéristiques des contacts comme la résistance au roulement ? Telles sont les questions que l’on compte traiter, le recours à la simulation numérique permettant une exploration détaillée de l’effet des paramètres micromécaniques. Les modèles traités par DEM auront vocation à s’appliquer à des situations génériques d’assemblages de particules cohésives non browniennes. L’étude du comportement en régime solide, quasi-statique, permettra de s’affranchir des effets de l’écoulement d’un éventuel fluide interstitiel.
En parallèle avec les simulations, conduites avec les outils numériques développés dans l’équipe Rhéophysique (J.-N. Roux), des expériences seront menées à bien dans les laboratoires de l’équipe Géotechnique (A.-M. Tang), sur différents systèmes bien choisis : poudres de bentonite ou argiles modèles, microbilles de polystyrène… Ces matériaux, dont on veillera à contrôler l’humidité (séchage à l’étuve pour éliminer l’eau adsorbée), seront assemblés par différentes techniques (pluviation sous vide, fluidisation et sédimentation). Ils seront soumis à des essais de compression œdométriques et triaxiaux. Il pourra être fait appel à la microtomographie X pour contrôler l’homogénéité des états initiaux et suivre l’’évolution de la structure interne pendant les essais. Lors de la compression triaxiale, la déformation volumique de l’échantillon (qui est normalement mesurée par le volume d’eau interstitielle drainée pour un échantillon saturé d’eau) sera suivie par un système de double cellule développé dans l’équipe Géotechnique [8].
La confrontation de simulations aux expériences doit dégager un petit nombre de paramètres sans dimension pertinents et une classification robuste des états initiaux, qui permettront une comparaison semi-quantitative des grands traits des comportements observés, dont on aura ainsi mieux identifié les relations aux constituants élémentaires des matériaux.

ENVIRONNEMENT SCIENTIFIQUE. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse pourront donner lieu à des échanges utiles avec nos collègues de l’équipe « multiéchelles » (L. Brochard) qui étudient les argiles à une échelle plus microscopique (moléculaire) des argiles. Les comportements macroscopiques des argiles sont par ailleurs caractérisés dans l’équipe géotechnique. Un projet (financé par le LABEX MMCD) en cours dans l’équipe Rhéophysique (J. Goyon, X. Chateau, A. Lemaître) sur les gels colloïdaux formés par des particules de silice (un matériau constitué de particules cohésives formant des structures lâches, dont on étudie la rupture et la mise en écoulement) permettra aussi d’intéressantes comparaisons des observations et des modèles.

VALORISATION. Des articles seront publiés dans des revues de physique générale, de géotechnique et d’ingénierie des procédés, dans un esprit transdisciplinaire conforme à la vocation du laboratoire Navier.

PROFIL DU CANDIDAT. La thèse convient à un(e) candidat titulaire d'un master 2, avec de solides connaissances en mécanique, physique des matériaux, géotechnique et/ou géophysique, apte à s'investir dans un travail numérique aussi bien qu'expérimental.

RÉFÉRENCES
[1] A. Castellanos. Advances in Physics, Vol. 54, No. 4, 263–376 (2005).
[2] V.-D. Than, Compression behavior of loose wet granular materials: experiment and discrete numerical simulation, thèse de doctorat, université Paris Est, 2017.
[3] V.-D. Than, S. Khamseh, A.-M. Tang, J.-M. Pereira, J.-N. Roux. Basic mechanical properties of wet granular materials : a DEM study, ASCE J. Engineering Mechanics, 143(1) Special Issue : SI, C4016001 (2017).
[4] J. K. Mitchell, K. Soga. Fundamentals of soil behavior. Wiley, 2005.
[5] M. Badetti, A. Fall, F. Chevoir, J.-N. Roux. Shear strength of wet granular materials : macroscopic cohesion and effective stress. Eur. Phys. J. E 41 : 68 (2018)
[6] S. Khamseh, J.-N. Roux, F. Chevoir, Flow of wet granular materials : a numerical study,.Physical Review E 92, 022201 (2015)
[7] F. Gilabert, J.-N. Roux, A. Castellanos, Computer simulation of model cohesive powders: Plastic consolidation, structural changes, and elasticity under isotropic loads, Physical Review E 78, 031305 (2008)
[8] Y. J. Cui, A. M., Tang, D. Marcial, J. Terpereau, G. Marchadier, X. Boulay. Use of a Differential Pressure Transducer for the Monitoring of Soil Volume Change in Cyclic Triaxial Test on Unsaturated Soils. Geotechnical Testing Journal, 30 (3), 227-233 (2007) 

Mots-clefs: poudres, argile, sols, cohésion, frottement, éléments discrets, simulation, élasticité, plasticité, agrégats colloïdaux, compression triaxiale, mécanique des sols, Cam-clay, état critique

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Mécanique des matériaux et des sols, rhéologie des matériaux granulaires.
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE PARIS-EST
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	ROUX Jean-Noël - Université Gustave Eiffel - Navier
Co-directeur de thèse prévu	TANG Ahn-Minh - Université - Navier
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé CONTEXTE. Les argiles, pourvu que l’on puisse identifier une taille caractéristique d’agrégats ; les ciments frais, assimilables à des suspensions de particules adhésives ; les poudres, dont les grains de taille mésoscopique sont sensibles aux forces de van der Waals ; les colloïdes avec interactions attractives à courte portée devant la taille des particules… tous ces matériaux peuvent être considérés comme constitués de grains solides interagissant par leurs contacts adhésifs. Les poudres modèles [1], assemblages de grains sphériques dont les contacts peuvent transmettre une traction, constituent un archétype de cette classe étendue de matériaux, pour lequel il est possible de relier les comportements macroscopiques à leurs origines micromécaniques, à l’échelle du réseau des contacts intergranulaires. Les grains macroscopiques, en présence de ponts capillaires [2,3,5,6], se comportent de manière analogue, mais les cohésions ainsi obtenues restent modérées (quelques kPa au plus pour des grains de 0.1mm de diamètre). De tels systèmes ont été étudiés expérimentalement [1,2,3,4,5] et par la simulation numérique de type « éléments discrets » (DEM) [5,3,6,7] sous deux aspects : la compression isotrope ou œdométrique [7,3,2], dans laquelle l’intensité croissante des contraintes appliquée, dominant progressivement la force d’adhésion intergranulaire, conduit à l’effondrement des structures initialement lâches ; et le cisaillement maintenu (« état critique » au sens de la géomécanique) [3,6,5], qui se généralise aux écoulements inertiels. Entre ces deux situations extrêmes de l’évolution quasi-statique du matériau, telle qu’elle est traditionnellement étudiée en mécanique des sols [4], le comportement des assemblages granulaires non cohésifs, lors de l’application progressive d’un déviateur de contraintes est bien exploré, et relié aux évolutions internes du réseau des contacts. Mais celui des systèmes cohésifs, qui présentent, en raison de la stabilisation de configurations lâches une variété beaucoup plus étendue de microstructures possibles, reste peu connu. OBJECTIFS, DÉROULEMENT DE LA THÈSE. Le but de cette thèse est d’explorer et de caractériser ce régime de comportement, d’identifier les paramètres importants, de relier les grandeurs macroscopiques (critère de plasticité, résistance au cisaillement, dilatance ou contractance) aux ingrédients microscopiques du modèle. Peut-on identifier un régime élastique et un comportement élastoplastique ? Retrouve-t-on un comportement de type Cam-clay ? Peut-on efficacement classifier les états initiaux par un petit nombre de variables internes (densité, coordinence, anisotropie de texture) ? Quelle est l’influence de caractéristiques des contacts comme la résistance au roulement ? Telles sont les questions que l’on compte traiter, le recours à la simulation numérique permettant une exploration détaillée de l’effet des paramètres micromécaniques. Les modèles traités par DEM auront vocation à s’appliquer à des situations génériques d’assemblages de particules cohésives non browniennes. L’étude du comportement en régime solide, quasi-statique, permettra de s’affranchir des effets de l’écoulement d’un éventuel fluide interstitiel. En parallèle avec les simulations, conduites avec les outils numériques développés dans l’équipe Rhéophysique (J.-N. Roux), des expériences seront menées à bien dans les laboratoires de l’équipe Géotechnique (A.-M. Tang), sur différents systèmes bien choisis : poudres de bentonite ou argiles modèles, microbilles de polystyrène… Ces matériaux, dont on veillera à contrôler l’humidité (séchage à l’étuve pour éliminer l’eau adsorbée), seront assemblés par différentes techniques (pluviation sous vide, fluidisation et sédimentation). Ils seront soumis à des essais de compression œdométriques et triaxiaux. Il pourra être fait appel à la microtomographie X pour contrôler l’homogénéité des états initiaux et suivre l’’évolution de la structure interne pendant les essais. Lors de la compression triaxiale, la déformation volumique de l’échantillon (qui est normalement mesurée par le volume d’eau interstitielle drainée pour un échantillon saturé d’eau) sera suivie par un système de double cellule développé dans l’équipe Géotechnique [8]. La confrontation de simulations aux expériences doit dégager un petit nombre de paramètres sans dimension pertinents et une classification robuste des états initiaux, qui permettront une comparaison semi-quantitative des grands traits des comportements observés, dont on aura ainsi mieux identifié les relations aux constituants élémentaires des matériaux. ENVIRONNEMENT SCIENTIFIQUE. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse pourront donner lieu à des échanges utiles avec nos collègues de l’équipe « multiéchelles » (L. Brochard) qui étudient les argiles à une échelle plus microscopique (moléculaire) des argiles. Les comportements macroscopiques des argiles sont par ailleurs caractérisés dans l’équipe géotechnique. Un projet (financé par le LABEX MMCD) en cours dans l’équipe Rhéophysique (J. Goyon, X. Chateau, A. Lemaître) sur les gels colloïdaux formés par des particules de silice (un matériau constitué de particules cohésives formant des structures lâches, dont on étudie la rupture et la mise en écoulement) permettra aussi d’intéressantes comparaisons des observations et des modèles. VALORISATION. Des articles seront publiés dans des revues de physique générale, de géotechnique et d’ingénierie des procédés, dans un esprit transdisciplinaire conforme à la vocation du laboratoire Navier. PROFIL DU CANDIDAT. La thèse convient à un(e) candidat titulaire d'un master 2, avec de solides connaissances en mécanique, physique des matériaux, géotechnique et/ou géophysique, apte à s'investir dans un travail numérique aussi bien qu'expérimental. RÉFÉRENCES [1] A. Castellanos. Advances in Physics, Vol. 54, No. 4, 263–376 (2005). [2] V.-D. Than, Compression behavior of loose wet granular materials: experiment and discrete numerical simulation, thèse de doctorat, université Paris Est, 2017. [3] V.-D. Than, S. Khamseh, A.-M. Tang, J.-M. Pereira, J.-N. Roux. Basic mechanical properties of wet granular materials : a DEM study, ASCE J. Engineering Mechanics, 143(1) Special Issue : SI, C4016001 (2017). [4] J. K. Mitchell, K. Soga. Fundamentals of soil behavior. Wiley, 2005. [5] M. Badetti, A. Fall, F. Chevoir, J.-N. Roux. Shear strength of wet granular materials : macroscopic cohesion and effective stress. Eur. Phys. J. E 41 : 68 (2018) [6] S. Khamseh, J.-N. Roux, F. Chevoir, Flow of wet granular materials : a numerical study,.Physical Review E 92, 022201 (2015) [7] F. Gilabert, J.-N. Roux, A. Castellanos, Computer simulation of model cohesive powders: Plastic consolidation, structural changes, and elasticity under isotropic loads, Physical Review E 78, 031305 (2008) [8] Y. J. Cui, A. M., Tang, D. Marcial, J. Terpereau, G. Marchadier, X. Boulay. Use of a Differential Pressure Transducer for the Monitoring of Soil Volume Change in Cyclic Triaxial Test on Unsaturated Soils. Geotechnical Testing Journal, 30 (3), 227-233 (2007)
Mots-clefs:	poudres, argile, sols, cohésion, frottement, éléments discrets, simulation, élasticité, plasticité, agrégats colloïdaux, compression triaxiale, mécanique des sols, Cam-clay, état critique

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