Comportement d'un assemblage de billes non frottantes dans la limite géométrique

8 PAGESNational audienceNous étudions numériquement le comportement d'un matériau granulaire modèle constitué de billes sphériques élastiques identiques non frottantes dans la limite géométrique macroscopique (à savoir la triple limite où les sollicitations extérieures sont très lentes et les grains extrêmement rigides et très nombreux). Nous montrons que les coefficients de frottement macroscopique statique et dynamique coïncident, que l'assemblage ne présente aucune dilatance, que le matériau satisfait un critère de rupture de Lade-Duncan et que ces résultats ne sont pas affectés par la nature du contrôle (en contrainte ou en volume) imposé. La résistance au cisaillement s'explique par l'anisotropie géométrique et mécanique que développe le matériau sous sollicitation

Shear flow of sphere packings in the geometric limit

3 pagesInternational audienceWe investigate the behavior of a model granular material made of frictionless, nearly rigid equal-sized beads, in the quasistatic limit, by numerical simulation. In the macroscopic geometric limit (that is the macroscopic, rigid and quasistatic limits), with either volume or normal stress controlled simulations, static and dynamic macroscopic friction coefficients coincide, dilatancy vanishes and the material satisfies a Lade-Duncan failure criterion. The macroscopic shear strength stems from both contact network and force anisotropy

Simulations numériques du comportement de pâtes granulaires concentrées

Les suspensions non browniennes très concentrées en régime de Stokes sont étudiées par simulation numérique, en ne gardant que les interactions hydrodynamiques dominantes (lubrification) entre particules voisines. Le contact solide est possible en raison de leur rugosité de surface. En écoulement stationnaire on trouve des lois de comportement analogues à celles des matériaux granulaires, dont on met en évidence la sensibilité à la micromécanique du contact (rôle du frottement, effets non-newtoniens liés aux forces à courte portée) et les liens avec la microstructure

Frictionless bead packs have macroscopic friction, but no dilatancy

The statement of the title is shown by numerical simulation of homogeneously sheared packings of frictionless, nearly rigid beads in the quasistatic limit. Results coincide for steady flows at constant shear rate γ in the limit of small γ and static approaches, in which packings are equilibrated under growing deviator stresses. The internal friction angle ϕ, equal to 5.76 $\pm$ 0.22 degrees in simple shear, is independent on the average pressure P in the rigid limit. It is shown to stem from the ability of stable frictionless contact networks to form stress-induced anisotropic fabrics. No enduring strain localization is observed. Dissipation at the macroscopic level results from repeated network rearrangements, like the effective friction of a frictionless slider on a bumpy surface. Solid fraction Φ remains equal to the random close packing value ≃ 0.64 in slowly or statically sheared systems. Fluctuations of stresses and volume are observed to regress in the large system limit, and we conclude that the same friction law for simple shear applies in the large psystem limit if normal stress or density is externally controlled. Defining the inertia number as I = γ m/(aP), with m the grain mass and a its diameter, both internal friction coefficient $\mu$∗ = tan ϕ and volume 1/Φ increase as powers of I in the quasistatic limit of vanishing I, in which all mechanical properties are determined by contact network geometry. The microstructure of the sheared material is characterized with a suitable parametrization of the fabric tensor and measurements of connectivity and coordination numbers associated with contacts and near neighbors.Comment: 19 pages. Additional technical details may be found in v

Phase diagram of the random frequency oscillator: The case of Ornstein-Uhlenbeck noise

We study the stability of a stochastic oscillator whose frequency is a random process with finite time memory represented by an Ornstein-Uhlenbeck noise. This system undergoes a noise-induced bifurcation when the amplitude of the noise grows. The critical curve, that separates the absorbing phase from an extended non-equilibrium steady state, corresponds to the vanishing of the Lyapunov exponent that measures the asymptotic logarithmic growth rate of the energy. We derive various expressions for this Lyapunov exponent by using different approximation schemes. This allows us to determine quantitatively the phase diagram of the random parametric oscillator.Comment: to appear in Physica

Solid behavior of anisotropic rigid frictionless bead assemblies

We investigate the structure and mechanical behavior of assemblies of frictionless, nearly rigid equal-sized beads, in the quasistatic limit, by numerical simulation. Three different loading paths are explored: triaxial compression, triaxial extension and simple shear. Generalizing recent results [1], we show that the material, despite rather strong finite sample size effects, is able to sustain a finite deviator stress in the macroscopic limit, along all three paths, without dilatancy. The shape of the yield surface is adequately described by a Lade-Duncan (rather than Mohr-Coulomb) criterion. While scalar state variables keep the same values as in isotropic systems, fabric and force anisotropies are each characterized by one parameter and are in one-to-one correspondence with principal stress ratio along all three loading paths.The anisotropy of the pair correlation function extends to a distance between bead surfaces on the order of 10% of the diameter. The tensor of elastic moduli is shown to possess a nearly singular, uniaxial structure related to stress anisotropy. Possible stress-strain relations in monotonic loading paths are also discussed

Le développent d'un guide méthodologique pour l'évaluation des performances des ouvrages de maîtrise à la source des eaux pluviales

Novatech 2019, LYON, FRANCE, 01-/07/2019 - 05/07/2019Evaluating the performance of sustainable drainage systems (SuDS) in a field context presents a number of methodological problems. For this reason, as a part of three French research projects focused on this type of evaluation, Matriochkas, Micromegas and Roulepur, a working group on methodological harmonisation was established in order to facilitate the inter-comparison of results between the projects and propose a methodological guideline for practitioners carrying out such evaluations. The guideline proposes an approach where performance is evaluated with respect to a service function that the SuDS aims to achieve, itself identified from local issues. Its first section presents the various service functions which may be assigned to these devices. Next, performance indicators are defined for a selection of the identified service functions, common within the French context and studied as a part of the three projects. Three categories of indicators are identified: hydrologic indicators (relative to water flows), pollutant indicators and socio-technical indicators. Examples of instrumentation and of the application of the proposed indicators drawn from the experience of the three projects are also presented.L'évaluation in situ des performances des ouvrages de maîtrise à la source des eaux pluviales pose un grand nombre de questions d'ordre méthodologique. Ainsi, dans le cadre de trois projets de recherche français dédiés à ce type d'évaluation, Matriochkas, Micromegas et Roulépur, un groupe de travail sur l'harmonisation des méthodes a été constitué afin de faciliter l'inter-comparaison des résultats issus des projets, mais aussi de rédiger un guide méthodologique à destination des acteurs opérationnels pouvant être amenés à faire ce type d'étude. Ce guide propose une démarche où la performance est évaluée pour chaque fonction de service visée pour l'ouvrage, en réponse à des enjeux locaux. La première partie du guide détaille les fonctions de service pouvant être attendues de ce type d'ouvrage. Ensuite, des indicateurs de performance sont déclinés pour une sélection de fonctions de service couramment rencontrées dans le contexte français et qui ont pu être abordées au cours des projets. Ces indicateurs se regroupent en trois catégories: les indicateurs hydrologiques (relatifs aux flux d'eau), les indicateurs pollutifs (relatifs aux polluants) et les indicateurs sociotechniques. Le guide s'appuie sur des exemples issus des trois projets pour présenter des cas pratiques de dispositifs métrologiques et d'application des indicateurs proposés

Development and analysis of the Soil Water Infiltration Global database

In this paper, we present and analyze a novel global database of soil infiltration measurements, the Soil Water Infiltration Global (SWIG) database. In total, 5023 infiltration curves were collected across all continents in the SWIG database. These data were either provided and quality checked by the scientists who performed the experiments or they were digitized from published articles. Data from 54 different countries were included in the database with major contributions from Iran, China, and the USA. In addition to its extensive geographical coverage, the collected infiltration curves cover research from 1976 to late 2017. Basic information on measurement location and method, soil properties, and land use was gathered along with the infiltration data, making the database valuable for the development of pedotransfer functions (PTFs) for estimating soil hydraulic properties, for the evaluation of infiltration measurement methods, and for developing and validating infiltration models. Soil textural information (clay, silt, and sand content) is available for 3842 out of 5023 infiltration measurements ( ∼ 76%) covering nearly all soil USDA textural classes except for the sandy clay and silt classes. Information on land use is available for 76% of the experimental sites with agricultural land use as the dominant type ( ∼ 40%). We are convinced that the SWIG database will allow for a better parameterization of the infiltration process in land surface models and for testing infiltration models. All collected data and related soil characteristics are provided online in *.xlsx and *.csv formats for reference, and we add a disclaimer that the database is for public domain use only and can be copied freely by referencing it. Supplementary data are available at https://doi.org/10.1594/PANGAEA.885492 (Rahmati et al., 2018). Data quality assessment is strongly advised prior to any use of this database. Finally, we would like to encourage scientists to extend and update the SWIG database by uploading new data to it

Une promenade entre transport de masse en milieu poreux et analyse de nanoparticules

Le parcours scientifique que j'ai emprunté depuis ma thèse m'a conduit à structurer la synthèse de mes travaux, qui relèvent de l'application des sciences physiques à des problématiques issues des sciences de l'environnement, en trois axes. Le premier porte sur l'étude du transport de masse en milieu poreux hétérogène à l'échelle de la colonne de laboratoire, le second sur le transport d'eau et de contaminants au sein d'un ouvrage décentralisé de gestion des eaux pluviales et le troisième sur l'analyse de nanoparticules individuelles par spectrométrie de masse.Les processus de transport de contaminants en milieu poreux de manière générale, et dans les sols en particulier, dépendent de la nature des espèces chimiques et de la matrice solide. Je me suis intéressé à des systèmes modèles hétérogènes présentant un intérêt du point de vue de la physique des sols, allant au-delà du paradigme d'un empilement de billes de verre, tout en restant suffisamment simples pour que leur comportement puisse être modélisé de façon détaillée. La démarche que j'ai poursuivie a reposé sur l’utilisation et la simulation numérique de modèles à base physique permettant d’évaluer de façon contrôlée et vérifiable expérimentalement l’importance de tel ou tel processus de transport. J'ai également collaboré avec des expérimentateurs pour ouvrir la « boîte noire » que constituent ces systèmes, afin d’obtenir des données complémentaires des courbes de percée (comme par exemple l’évolution temporelle du champ de concentration en contaminant à l'intérieur même de la colonne), pouvant être confrontées à des résultats issus de simulations numériques. Ce travail a mis en évidence la phénoménologie riche de la forme des courbes de percée mesurables en sortie de colonne hétérogène, en l’occurrence un milieu poreux homogène entourant un macropore, même en conditions saturées et lorsque le transport est non réactif. Il a également permis de montrer l’inadéquation des modèles de transport macroscopiques existants, qui ne permettent pas de reproduire certaines caractéristiques des courbes de percée mesurées. Ce constat est lié au rôle majeur joué par la diffusion moléculaire, processus dont le rôle est généralement négligé en physique des sols au profit de la seule dispersion. En outre, même si le transport dans une colonne garnie d'un milieu poreux contenant un macropore est bien entendu affecté par le macropore lui-même, il peut également l'être par un effet de taille finie lié aux extrémités du système, du fait d'une certaine complexité de l’écoulement en milieu poreux hétérogène lorsque des dispositifs annexes classiquement employés pour procéder à des élutions sont utilisés. Étudier de manière plus approfondie les effets de taille finie d'une part, et le couplage entre réactivité des contaminants vis-à-vis de la matrice solide et hétérogénéité du milieu poreux d'autre part, constituent des perspectives de recherche stimulantes.J'ai également étudié le fonctionnement ainsi que les performances hydrauliques et épuratoires d'ouvrages alternatifs (vis-à-vis d'une solution « tout-tuyau ») de gestion des eaux pluviales, en l'occurrence des noues, dont le fonctionnement repose partiellement sur l'infiltration d'eaux pluviales potentiellement contaminées dans un sol.Les performances épuratoires d'une noue sont étroitement liées à son fonctionnement hydraulique ainsi qu'à la contamination des eaux alimentant l'ouvrage. La grande majorité des noues ayant fait l'objet d'études sont des ouvrages déjà en service, soumis aux conditions météorologiques ambiantes. Cela ne va pas sans poser un certain nombre de problèmes méthodologiques puisque chaque événement pluvieux est unique et contient une charge polluante propre. C'est pour étudier en détail les fonctionnements hydraulique et épuratoire de ces ouvrages qu'un dispositif pilote, constitué de deux noues instrumentées et d'un système permettant de les alimenter de manière contrôlée, a été construit. Il a notamment permis de mettre en évidence de grandes disparités de performances épuratoires entre les deux noues. Grâce à ce dispositif pilote pouvant être alimenté en tête ou latéralement pour étudier la qualité des eaux infiltrées, nous avons en effet pu quantifier l'efficacité de traitement de ces deux ouvrages en termes d'abattements en concentration et en masse vis-à-vis d'un contaminant métallique, le zinc, de deux hydrocarbures aromatiques polycycliques, le pyrène et le phénanthrène, et d'un pesticide, le glyphosate.Ces dernières années, j'ai enfin activement développé la théorie afférente à une technique de chimie analytique qui connaît un grand essor depuis une décennie, l'analyse de nanoparticules individuelles par spectrométrie de masse (connue sous l'acronyme sp-ICP-MS, pour single particle inductively coupled plasma-mass spectrometry). Cette technique permet de mesurer la densité particulaire et, sous certaines hypothèses, la taille et la composition chimique de nanoparticules.J’ai notamment montré qu’il existe une correspondance univoque entre les temps auxquels les pics apparaissent dans un signal temporel sp-ICP-MS mesuré expérimentalement et les points de discontinuité d’une réalisation d’un processus de Poisson unidimensionnel et homogène. Ces fondements théoriques m'ont ensuite permis de calculer analytiquement le biais de comptage qui affecte les mesures sp-ICP-MS et de caractériser certaines propriétés statistiques (nombre moyen de nanoparticules associées, durée moyenne) des pics individuels détectables dans un signal sp-ICP-MS résolu en temps. Ces prédictions ont été confrontées avec succès à des résultats expérimentaux obtenus à partir de dispersions de nanoparticules d'or de synthèse et à des simulations Monte-Carlo. Je compte à l'avenir travailler sur le traitement des signaux sp-ICP-MS et appliquer cette technique pour mieux caractériser la fraction nanoparticulaire d'échantillons naturels d'eaux

Etude du comportement et du compactage de pâtes granulaires par simulation numérique discrète

Highly concentrated suspensions are commonly encountered materials, e.g. in civil engineering. This work is devoted to the numerical simulation of the behavior and the compaction of 2D non-Brownian and noncolloidal very concentrated suspensions made of rough circular grains embedded in a highly viscous Newtonian liquid. We use a model in which the sole effect of the liquid is to introduce lubrication interactions between neighbouring grains and we present a quasistatic simulation technique enabling to simulate the behavior of such a system when it is subjected to a given stress state. Thanks to this method, we show that when an isotropic pressure is applied on a material sample, it behaves, when the grain roughness vanishes, as a dry granular assembly made of frictionless grains. The behavior of a 3D dry granular material made of frictionless grains is consequently investigated. This model granular material is submitted to static anisotropic loads and to simple shear tests in the quasistatic limit. In this limit, static and dynamic macroscopic friction coefficients are nonzero and coincide, dilatancy vanishes, and the material satisfies a Lade-Duncan failure criterion. Then the behavior of a 2D highly concentrated lubricated suspension made of rough grains subjected to simple shear tests is studied. Results are compared with those obtained from similar tests performed on 2D dry granular assemblies. Eventually, a study of the compaction of a highly concentrated lubricated suspension is done and we show that compaction is related to the decrease of the mobilization of intergranular friction.De nombreux matériaux du génie civil, comme le béton ou les enrobés bitumineux, sont des pâtes granulaires, c'est-à-dire des suspensions dont la concentration volumique en inclusions solides est très élevée. Ce travail porte sur la modélisation et la simulation numérique discrète du comportement et du compactage de pâtes granulaires 2D non browniennes et non colloïdales constituées de grains élastiques rugueux de forme circulaire, baignant dans un liquide newtonien de très grande viscosité. Après avoir introduit un modèle de pâte granulaire dans lequel le seul effet du liquide est d'induire des interactions de lubrification entre paires de grains proches, nous présentons une méthode numérique quasi-statique permettant de simuler le comportement de ces systèmes lorsqu'ils sont soumis à un état de contrainte donné. L'étude de l'état d'équilibre adopté par une pâte granulaire lubrifiée lorsqu'on lui applique une pression isotrope montre que, dans la limite où la rugosité des grains est nulle, un tel système se comporte comme un assemblage sec de grains non frottants. C'est la raison pour laquelle nous étudions ensuite le comportement de ces assemblages en 3D lorsqu'on les soumet à des chargements statiques anisotropes ainsi qu'à des essais de cisaillement simple dans la limite quasi-statique. Nous montrons en particulier que les coefficients de frottement interne statique et dynamique sont non nuls et coïncident, que ces assemblages ne présentent aucune dilatance et qu'ils satisfont un critère de rupture de Lade-Duncan. Le comportement d'une pâte granulaire lubrifiée 2D faite de grains de rugosité finie soumise à un cisaillement maintenu est ensuite analysé et nous comparons nos résultats avec ceux obtenus en cisaillant des assemblages granulaires secs 2D. Finalement, nous étudions de manière détaillée les paramètres influençant le compactage d'une pâte granulaire lubrifiée et mettons en évidence la réduction de la mobilisation du frottement intergranulaire accompagnant la densification du matériau