Soutenance de thèse de Abbas FARHAT

De nombreux sols naturels contiennent des matériaux granulaires (sable, gravier, cailloux, blocs, etc.) dont le comportement mécanique est principalement contrôlé par le frottement entre particules, mais peut aussi se caractériser à plus grande échelle par une cohésion. Celle-ci peut souvent être attribuée à l'existence entre les particules grossières d'un liant, par exemple de l'argile ou des ponts capillaires d'eau. Un cas particulier est celui des sols granulaires cémentés, dans lesquels des ponts solides relient les particules entre elles. Il est important de comprendre les processus géomécaniques, tels que l'érosion, l'excavation ou la fragmentation, pour ce type de matériau, qui se positionne entre un sol résistant et une roche tendre. Ici, nous utilisons des matériaux granulaires cémentés artificiels, préparés à partir d'un mélange de paraffine et de billes de verre sphériques. La force de cémentation de notre matériau est quantifiée à l'aide de tests de laboratoire conçus et réalisés pour des caractérisations à différentes échelles. Nous avons étudié le seuil de résistance à la traction à l'échelle macro d'un échantillon cémenté ainsi qu'à l'échelle microscopique entre une paire de particules, préalablement extraites de l'échantillon précédent. Nous avons également étudié cette résistance microscopique pour des sollicitations par cisaillement, flexion et torsion. Malgré une très grande dispersion des données expérimentales, nous observons approximativement une simple proportionnalité entre les différents seuils. En outre, nous proposons un modèle théorique pour la force microscopique de traction nécessaire à la rupture d'un pont solide, basé sur l'hypothèse d'une force adhésive uniforme par élément de surface. Un bon accord avec les résultats expérimentaux est trouvé. Pour les données à l'échelle macro, la dispersion est encore plus élevée, probablement en raison d'une combinaison de différentes causes, et ne permet pas de valider correctement la théorie. Le comportement hydromécanique de nos matériaux cémentés a été étudié au moyen d'expériences d'écoulement localisé, pour une couche cémentée immergée de hauteur variable. Le débit d'entrée, concentré au centre de l'échantillon, est régulé par une pompe à engrenages. Pour des conditions critiques, la couche cémentée est fracturée par l'écoulement avec trois types de déstabilisation différentes. Tout d'abord, il peut y avoir un soulèvement global de l'échantillon, nécessitant que les ponts solides aux parois soient préalablement rompues. Ensuite, nous avons observé soit une rupture de bloc, avec création d'une fracture depuis l'injection et soulèvement, soit un chemin fluidisé, qui se développe progressivement par fluidisation des particules le long d'un chemin préférentiel à une frontière. Par ailleurs, nous avons proposé de définir un nombre d'Archimède adhésif et trouvé ainsi une relation générale avec le nombre de Reynolds. Nous avons enfin réalisé une étude numérique 2D paramétrique sur la déstabilisation hydromécanique d'une couche granulaire cémentée en faisant varier le diamètre des particules, la hauteur de l'échantillont et la force de cémentation. Trois types déstabilisation différents ont été observés : une fracturation, lors de laquelle une double fracture se forme dans l'échantillon à partir de la zone d'injection ; une cheminée fluidisée, où les grains sont mis en mouvement approximativement de la même manière que pour un matériau granulaire ; une déstabilisation mixte qui est une combinaison des deux processus précédents. Même lorsque l'échantillon reste statique, de l'endommagement peut avoir lieu de manière plus ou moins homogène et avec une intensité croissante avec le chargement hydraulique. Enfin, une comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux est proposée. Pour finir, nous présentons brièvement l'extension 3D en cours de développement de cette étude numérique, basée sur le code opensource WalBerla.

Many natural soils contain granular materials (sand, gravel, pebbles, boulders, etc.) that are primarily regulated by frictional interaction at the particle contact scale but are also frequently influenced by bulk cohesion. This macro-scale cohesion can often be attributed to the existence of a binder between coarse particles, such as clay, or to capillary water bridges. A special case involves cemented granular soils, in which brittle solid bridges link the particles to one another. It is important to understand the geomechanical processes, such as erosion, excavation and fragmentation, for this type of material, which behaves between a resistant soil and a soft sandy rock. Here, we use homemade artificial cemented granular materials prepared from a mixture of paraffin and spherical glass beads. Our material's cementation strength is quantified utilizing laboratory tests designed and carried out for investigation at different scales. We investigated the tensile yield strength at the macroscale of a cemented sample as well as at the interparticle microscale, between two bonded particles removed from the preceding macroscale sample. We also investigated the yield micro-strength for solid bonds ruptured by shear, bending, and torsion. Despite the huge dispersion, we discovered a satisfactory one-to-one agreement between the tensile force and the other loadings in the experiments. Furthermore, we provide a theoretical model for the micro tensile force required to rupture a bond, based on the assumption of uniform adhesive strength, where a good agreement with the experimental results is found. For the macro scale data, dispersion is far too high for theory to be validated, probably due to a combination of different causes. The hydromechanical behavior of our cemented materials was investigated through localized underflow experiments, for an immersed cemented layer of varying height. The inlet flow rate is created locally, beneath the center of the sample, and is regulated by a gear pump. Under critical conditions, the cemented layer is hydraulically fractured and three different types of destabilization were observed. First, a global sample uplift was found, requiring that the bonds between the sample and the walls are broken beforehand. Then we have either a block rupture, in which a central crack occurs and a stack of blocks is lifted, or a fluidized path, which develops gradually by expanding a worming cavity along a preferential path at a boundary by eroding particle by particle. Interestingly, we proposed to define an adhesive Archimedes number and thus found a general relation with the Reynolds number. We have done a parametric 2D numerical study on the hydromechanical destabilisation of a cemented granular layer by varying the particle diameter, bed sample height, and cementation bond strength. Three different types of destabilization were observed: Fracture, which refers to a sample fracture/cracks in which two routes are formed from the inlet injection; Fluidized chimney, where grains that are set in motion in the same way as granular material after prior debonding; Mixed destabilization which is a combination of fluidized chimney and fracture instabilities inside the bed. Even when the sample remains static, damage can take place in a more or less homogeneous way and of increasing intensity with the hydraulic loading. Finally, a comparison between numerical and experiments results is proposed. Lastly, we briefly present the forthcoming 3D extension of this numerical study, using the WalBerla open-code with a preliminary simulation.