manuscrit de la thèse Résumé : Les matériaux granulaires possèdent des propriétés rhéologiques et mécaniques peu communes. Ils peuvent en effet s’écouler comme des liquides mais, sous certaines conditions, se bloquer et résister à des contraintes extérieures sans se déformer. Dans ce mémoire, nous étudions cette dualité solide/liquide à travers deux expériences dont la caractéristique majeure est de permettre la comparaison des comportements individuels des grains à ceux de l’empilement. La première partie du mémoire est consacrée aux écoulements à la surface d’un empilement incliné. Nous dérivons tout d’abord une description continue à partir des équations de conservations intégrées sur l’épaisseur en mouvement en étudiant les écoulements stationnaires dans un tambour tournant. Nous nous intéressons ensuite à la rhéologie du matériau et analysons les corrélations spatiales du champ de vitesse et les fluctuations de compacité. Nous montrons ainsi l’existence d’agrégats de grains trop denses pour pouvoir se déformer. La taille de ces agrégats est distribuée en loi de puissance, sans échelle caractéristique. Nous en discutons les implications sur les approches théoriques proposées pour décrire les écoulements denses. La deuxième partie porte sur les réarrangements internes dans un empilement apparemment statique soumis à une petite sollicitation. Une perturbation thermique de quelques degrés engendre des fluctuations électriques géantes dans un empilement de grains conducteurs. L’analyse statistique de ces fluctuations nous permet de relier cette sensibilité électrique à des fluctuations tribologiques locales et non pas à des réorganisations collectives des contacts comme cela a pu être suggéré par le passé. Nous visualisons dans un deuxième temps les micro-déplacements des grains engendrés par l’ajout d’une petite surcharge en surface. Cela nous permet de discuter la validité des différents modèles décrivant la répartition des contraintes dans un empilement statique. Résumé en anglais : Granular media exhibit non-intuitive rheological and mechanical properties. They can flow as liquids but, under specific conditions, they can jam and resist to external stress without shearing. In this thesis, the solid/liquid duality is investigated through two experiments whose main feature is to allow comparisons between the individual behaviour of beads and the one of the packing. The first part of the thesis is devoted to surface flows in inclined packings. A continuous description based on depth averaged conservation equations (Saint-Venant approach) is first derived from the study of steady surface flows in a rotating drum. We then focus on the internal rheology of these flows and investigate spatial correlation of the instantaneous velocity field and the fluctuations of the volume fraction. We demonstrate the existence of rigid clusters of grains embedded in the flows. Their size is power-law distributed from the grain size scale up to the thickness of the flowing layer. The implications of the absence of a characteristic length scale for available theoretical models of dense granular flows are discussed. The second part of the thesis deals with internal rearrangements in packings submitted to a small perturbation. Small thermal variations lead to giant electrical fluctuations in a pile of metallic beads. Statistical analysis of these fluctuations allows us to relate this electrical sensitivity to local tribological fluctuations rather than collective reorganizations of the contact network as proposed in the past. We then visualize the grain micro-displacements entailed by adding a small overload to the surface. This experiment allows us to discuss the validity of the different approaches proposed to describe stress distribution in static packings.
SPEC, CEA/Saclay, Université Paris Sud – Paris XI