Étude de l'organisation des réarrangements d'un milieu granulaire sous sollicitations mécaniques

Abstract

The response to vibrations and the study of slope stability are a main topic in the study of granular media. On the one hand, these studies give information on the behavior of granular media submitted to these kind of sollicitations in nature (rockfalls, dune dynamics, earthquakes, ...) On the other hand, these studies allow a better understanding of granular matter in the framework of out of equilibrium systems like glassy systems. In a first part, we study experimentally the response of a granular medium to increasing inclination with acoustical and optical methods. The dynamics has two regimes: a regime with independent and localized small rearrangements and an intermittent regime with large events ("precursors") for inclination angles close to the angle of avalanche. The intermittent regime is constituted of collective motions of all grains at the surface of the packing. We point out the major role played by the microscopic details of the interaction between grains and by the boundary condition at the base of the packing during the inclination. The global dynamics of the system is characterized and compared with those obtained with a simple cellular automaton model. In a second part, we make a numerical study of the response of a vibrated granular medium. The system presents analogies with out of equilibrium systems (non-gaussian distributions of displacements, slowing down and heterogeneities of the dynamics, ...). We also discuss the influence of the rough bottom on the structure of the packing and on the dynamics. In particular, we observe that the bottom influences a volume whose thickness is about _ve grain diameters where heterogeneities and correlations appear.La réponse à des vibrations et l'étude de la stabilité des pentes ont une place particulière dans l'étude des milieux granulaires. Ces études peuvent d'une part nous renseigner sur le comportement des milieux granulaires présents dans le milieu naturel et souvent soumis à ces deux types de sollicitations (avalanches de grains, éboulements de roches, dynamique des dunes, tremblements de terre, ...). D'autre part, elles permettent d'appréhender ces milieux comme des systèmes modèles hors équilibre et d'analyser les résultats à la lumière de ceux obtenus sur la dynamique des systèmes vitreux. Nous avons tout d'abord étudié expérimentalement par des méthodes optiques et acoustiques la réponse d'un milieu granulaire lentement incliné. La dynamique présente deux régimes : un régime de petits réarrangements indépendants et localisés est suivi d'un régime intermittent caractérisé par de grands événements de type "précurseurs" au voisinage de l'angle d'avalanche. Ce régime dit de "précurseurs" correspond à un mouvement collectif de l'ensemble des grains situés à la surface de l'empilement. Nous mettons en évidence l'importance du détail microscopique de l'interaction entre les grains et de la condition à la limite à la base de l'empilement sur la dynamique du système dans ce régime. La dynamique globale du système a été étudiée et comparée à un modèle simple de type automate cellulaire. Dans un second temps, nous avons étudié numériquement la réponse d'un milieu granulaire soumis à des vibrations. Le comportement du système présente des caractéristiques qui sont communes à tous les systèmes hors équilibre (distributions non-gaussiennes des déplacements, ralentissement et hétérogénéités de la dynamique,...). L'influence de la condition à la limite au fond de l'empilement sur la structuration de celui-ci et sur le ralentissement de la dynamique a également été discutée. Nous avons, en particulier, mis en évidence une zone d'épaisseur environ égale à 5 diamètres de grains où des hétérogénéités dynamiques et de fortes corrélations entre les mouvements des grains apparaissent