Vers un lien entre propriétés mécaniquesde sédiments cohésifs et leur érodabilité : étude macroscopique et locale du comportement en rhéométrie et en érosion de matériaux modèles

Towards a link between mechanical properties and erodibility of cohesive sediments : Macroscopic and local study of rheometric and erosion behaviors of model materials

• Auteur / Autrice : Kéang Sè Pouv
• Direction : Sylvain Guillou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des milieux fluides
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Thixotropie

Fluides complexes

Sédiments marins

Rhéologie

Érosion

Résumé

Une préoccupation environnementale majeure des espaces littoraux concerne le déplacement et le dépôt des vases. La maîtrise de la gestion de ces régions nécessite de mieux comprendre ces processus complexes et leur dépendance vis-à-vis des propriétés mécaniques des vases. Cette thèse constitue une étude expérimentale sur la problématique de l’érosion et le lien avec les propriétés rhéologiques des sédiments cohésifs. On considère que le phénomène d’érosion correspond à une transition solide-liquide du matériau qu’il faut caractériser à la fois macroscopiquement et localement. On fait le choix d’utiliser des matériaux modèles stables et reproductibles pour simuler les sédiments cohésifs. Deux dispositifs ont été employés : un RhéoScope1 et un mini-canal annulaire à érosion. Les techniques de µPTV et de PIV ont été mises en œuvre pour caractériser respectivement les déformations du matériau et le champ hydrodynamique. Deux fluides modèles transparents, utilisant le carbopol et la laponite, ont également été mis au point. Ces fluides se caractérisent par des valeurs voisines de contrainte seuil et par des propriétés thixotropes différentes. Grâce aux techniques rhéo-physiques présentées, il a été montré que les conditions aux limites des expériences, comme l’état de surface de la géométrie utilisée en rhéométrie ou l’état de confinement de la section de mesure en étude d’érosion, conditionnent le comportement en transition. Outre la résistance mécanique du matériau, le caractère thixotrope affecte fortement la dynamique de transition. Les essais en canal d’érosion ont mis en évidence le rôle déstabilisateur des phénomènes d’échange à l’interface du fond sédimentaire.

A major environmental issue of littoral zones concerns the mud displacement and deposit. The proficient management of these regions requires a better understanding of these complex processes and the dependence of the mechanical properties of the mud. This thesis deals with an experimental study of the erosion and its relationship with the rheological properties of cohesive sediments. We consider that the erosion phenomenon corresponds to the solid-liquid transition of the material that is to be investigated at both macroscopic and local scales. We opt to use stable and reproducible model materials as cohesive sediments. Two instruments were used: a RheoScope1 and a mini-annular flume. The µPTV and PIV techniques were employed for characterizing respectively the deformation of the material and the hydrodynamic field. Two kinds of transparent model fluid which contain carbopol polymer and laponite clay were also prepared for this study. These fluids are characterized by close yield stress values and different thixotropic properties. Thanks to the presented rheo-physical techniques, it has been shown that the boundary conditions of experiments such as the surface roughness of geometry for the rheometry or the confinement state of the measurement section for erosion study impact the transition behavior. Besides the mechanical strength of material (yield stress), the thixotropic character affects strongly the transition dynamics. The experiments with erosion flume have highlighted the destabilizing role of the exchange phenomena at the interface of the sedimentary bed.