Etude expérimentale des effets de la forme des particules et de la friction sur la mécanique des milieux granulaires

Experimental investigation of the effects of particle shape and friction on the mechanics of granular media

• Auteur / Autrice : Gustavo Adolfo Pinzon Forero
• Direction : Gioacchino Viggiani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 14/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Gaël Combe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine O'Sullivan, Antonio Gens, Stephen A. Hall
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Farhang Radjaï, Jean-Michel Pereira

Mots clés

Mots clés contrôlés

Milieux granulaires

Mots clés libres

Tomographie rayons x

Milieux granulaires

Localisation des déformations

X-Ray tomography

Granular media

Strain localisation

Résumé

Cette thèse de doctorat étudie l'effet de la forme des particules et de la friction sur le comportement mécanique des milieux granulaires lorsqu'ils sont soumis à un chargement déviatorique. Plus précisément, la cinématique des particules, l'évolution de la microstructure et l'émergence de la localisation des déformations sont étudiées à l'aide d'essais de compression triaxiale. La tomographie à rayons X est utilisée pour imager les spécimens en plusieurs points le long de l'essai, permettant des mesures à différentes échelles.Les échantillons sont constitués de particules elliptiques en polyoxyméthylène (POM), fabriquées par moulage par injection, ce qui permet de contrôler la morphologie des particules, ainsi que les caractéristiques de surface. Trois rapports d'aspect et deux coefficients de friction, donnant six types de particules, sont utilisés pour étudier, dans des conditions contrôlées, l'impact de chaque paramètre indépendamment. Le montage traditionnel de compression triaxiale est modifié par l'ajout d'une base coulissante à l'une des extrémités, afin d'induire l'émergence d'une bande de cisaillement unique et d'obtenir des valeurs locales de déformation déviatorique plus élevées que dans un équipement d'essai conventionnel. Les échantillons présentent une taille qui correspond aux dimensions standard de 70mm de diamètre, et 140mm de hauteur, et sont imagés à une résolution suffisamment élevée pour que tous les grains (de l'ordre de trente mille) puissent être correctement identifiés. Chaque spécimen est scanné tous les 0.5% de raccourcissement axial, ce qui donne plus de 30 images par essai.Les grains individuels sont identifiés à l'état initial et suivis tout au long de l'essai à l'aide d'une technique de corrélation d'images numériques, ce qui facilite la segmentation des images suivantes. L'étiquetage consécutif, qui résulte de la segmentation basée sur le suivi, permet de mesurer des quantités á l'echelle des grains, telles que l'orientation des particules et les contacts interparticulaires. Il permet également de faire des mesures à méso-échelle, telles que les champs de déformation incrémentaux et les cartes de porosité. Une évaluation détaillée de l'évolution du réseau de contacts est présentée, montrant son évolution morphologique en termes d'anisotropie, d'orientation principale et de forme. Elle est alors couplée aux évaluations statistiques de la création, de la perte et de la réorientation des contacts. En outre, la cinématique des particules, ainsi que les contacts interparticulaires, sont utilisés pour identifier plusieurs modes de déformation à l'échelle du contact, notamment le glissement et le roulement du contact. Une attention particulière est accordée à l'émergence et à l'évolution de la localisation des déformations, en analysant la morphologie de la bande de cisaillement à la fin de l'essai, et son effet sur l'évolution de la microstructure. Les résultats sont comparés entre les différents tests, mettant en évidence les mécanismes basés sur les particules responsables du comportement à l'échelle macroscopique. Plus précisément, la différence de rotation et de glissement des particules, qui résulte à la fois de la forme des particules et de la friction interparticulaire, est utilisée pour expliquer les différences dans les processus de déformation et l'évolution de la microstructure.

This doctoral thesis investigates the effect of particle shape and friction on the mechanical behaviour of granular media when subjected to deviatoric loading.Specifically, the kinematics of particles, the evolution of the microstructure, and the emergence of strain localisation are studied using triaxial compression tests.X-ray tomography is used to image the specimens at several points along the test, enabling measurements at different scales.The specimens consist of polyoxymethylene (POM) ellipsoidal particles, manufactured using injection moulding, allowing the control of the morphology of the particles, as well as the surface characteristics.Three aspect ratios and two friction coefficients, yielding six types of particles, are used to explore the study under controlled conditions and the impact of each parameter independently.The traditional triaxial compression setup is modified by adding a sliding base on one of the ends, to induce the emergence of a unique shear band and achieve higher local values of deviatoric strain than in the conventional testing equipment.The specimens present a size which corresponds to the standard dimensions of 70mm in diameter, and 140mm in height, and are imaged at a sufficiently high resolution such that all the grains (in the order of thirty thousand) can be properly identified.Each specimen is scanned every 0.5% of axial shortening, resulting in more than 30 images per test.Individual grains are identified at the initial state and followed throughout the test using a digital image correlation technique, easing the segmentation of the subsequent images.The consecutive labelling that results from the tracking-based segmentation enables the measurement of grain-based quantities, such as particle orientation and inter-particle contacts, as well as mesoscale measurements such as incremental strain fields and porosity maps.A detailed assessment of the evolution of the contact network is presented, showing its morphological evolution in terms of anisotropy, main orientation and shape, coupled with the statistic evaluation of the creation, loss and reorientation of contacts.Moreover, the particle kinematics, along with the inter-particle contacts, is used to identify several deformation modes at the contact scale, including contact sliding and rolling.Special attention is given to the emergence and evolution of strain localisation, analysing the morphology of the shear band at the end of the test, and its effect on the evolution of fabric.The results are compared among the different tests, highlighting the particle-based mechanisms responsible for the behaviour at the macroscopic scale.Specifically, the difference in particle rotation and sliding, which emerges both from particle shape and inter-particle friction, is used to explain the differences in the deformation processes and the evolution of microstructure.