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Theses Year : 1999

Experimental study of mechanical equilibrium in a granular material : the silo and the sandpile

Etude expérimentale de l'équilibre mécanique d'un milieu granulaire : exemples du silo et du tas de sable

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Abstract

Experiments show that contact forces in a granular medium are very inhomogeneous and form a network of "force chains" bearing the major part of the stress. This thesis is aimed at understanding how important the force chains are in the description of the mechanical equilibrium properties of a granular material.

Measuring forces in a granular material is tricky due to a fundamental coupling between the sensor deformations and the mobilization of friction forces inside the granular material or at a boundary wall. However, it is possible to get reproducible and significant results when using a well-defined measurement procedure.

We have been interested in studying the links between the structure of the granular packing and the stress distribution. The equilibrium of a granular material in a silo is very sensitive to shearing or vibrations which also affect the structure of the packing as shown by local and average density measurements. Below the apex of a sandpile formed with avalanching grains, we observe a pressure minimum or "dip", but the pressure is a maximum when the grains are deposited in horizontal layers. Residual pressure fluctuations have been measured as a function of the grain size or the filling height of the silo.

Most of our observations are qualitatively and quantitatively well-described by the OSL model where the stresses propagate along two directions, one of them corresponding to the mean direction of force chains. The idea of force propagation allows us to understand the pressure distribution below a sandpile or the shape of the pressure saturation curve in a silo, including the pressure oscillations when there is a surcharge.

We also propose a model of arch hardening which explains the existence of a fragmentation mode when turning a tube filled with grains uspside down.
Les forces de contact dans un milieu granulaire se répartissent de façon très inhomogène en un réseau de "chaînes de forces" qui supporte la plus grosse partie des contraintes. Il est primordial de bien comprendre l'influence du désordre des forces à l'échelle du grain sur les propriétés d'équilibre mécanique d'un milieu granulaire à l'échelle macroscopique.

La mesure de forces dans un milieu granulaire est délicate à cause d'un couplage fondamental entre les déformations du capteur et la mobilisation des forces de friction entre grains ou entre grains et paroi. Cependant, en définissant proprement le protocole de mesure, nous avons pu améliorer de façon très significative la reproductibilité des résultats en comparaison des mesures que l'on trouve dans la littérature.

Nous nous sommes intéressé aux liens qui existent entre la structure de l'empilement granulaire et la répartition des contraintes. Sous l'effet d'un cisaillement ou de vibrations, l'équilibre d'une colonne granulaire dans un silo évolue considérablement ainsi que la structure de l'empilement comme le révèlent des mesures de densité moyenne et locale. Sous le sommet d'un tas de sable formé par écoulement des grains en avalanches, j'ai observé très clairement un minimum ou "trou" de pression, alors que la pression est maximum si les grains sont déposés en couches horizontales. Nous avons aussi mesuré les fluctuations résiduelles de la pression en fonction de la taille des grains ou de la hauteur de remplissage du silo et ai observé que leur dépendance avec la taille des grains montrent une régression statistique anormale en comparaison de celle déduite de la distribution des forces à l'échelle du grain.

La plupart des observations sont qualitativement et quantitativement bien reproduites par le modèle OSL dans lequel les contraintes se propagent selon deux directions dont l'une s'identifie à la direction moyenne des chaînes de forces. La notion de propagation anisotrope de forces permet de comprendre la distribution de pression sous un tas ou la forme de la courbe de saturation de la pression dans un silo, y compris les oscillations de la pression en présence d'une surcharge.

Nous avons proposé en outre un modèle de durcissement d'arches qui permet d'expliquer l'existence d'un mode d'écoulement fragmentaire après renversement d'un tube rempli de grains et met en évidence le rôle non négligeable de l'élasticité des parois.
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Dates and versions

tel-00258084 , version 1 (21-02-2008)

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  • HAL Id : tel-00258084 , version 1

Cite

Loïc Vanel. Etude expérimentale de l'équilibre mécanique d'un milieu granulaire : exemples du silo et du tas de sable. Analyse de données, Statistiques et Probabilités [physics.data-an]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1999. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00258084⟩
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