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Natural soil deposits such as carbonate sands in the marine environment may show an effective cohesion due to intergranular solid bridges formed by calcareous precipitation. Such cementation effect endows the granular material with the ability to resist some degree of tensile stress in addition to the compressive and shearing resistance proper of uncemented frictional sands. tensile resistance of such materials may be quantified based on measures of debonding force at the micro-scale and using appropriate homogenization techniques. However, it is still a challenge to assess the influence of solid intergranular cohesion on the mechanical behaviour of soils in many practical engineering problems. Recent advances both in computational hardware and parallelization strategies make it nowadays possible to address such problems from a micromechanical perspective. Here we introduce a simple model for solid cohesion and its implementation within a 3D discrete element framework. The model involves a classical viscoelastic bond rheology and specific debonding modes for tensile, shearing, bending and torsional solicitations. We finally present a calibration of the model to match experimental data from an artificial granular soil made out of cemented glass beads and a validation of the approach with a macro-mechanical application.

This thesis presents an experimental study on the drop impact of yield-stress fluids. Beyond applications (solid ink-jet printing, lab modelling of high-speed collision of solids), this study offers a mean to probe the role of the elasticity on the short-time behaviour of these complex fluids. We have first studied drop impacts on solid rigid surfaces. Using different model yield-stress fluids (clay suspensions, Carbopol micro-gel) and impacted surfaces (partially wettable, super-hydrophobic), we have observed a rich variety of behaviours ranging from irreversible viscoplastic coating to giant elastic spreading and recoil. A minimal model of inertial spreading, including an elasto/viscoplastic rheology, allows explaining in a single framework the different regimes and scaling laws. In this study, we identified a specific phenomenon with Carbopol: for large impact velocities, the drop spreads much more on rough hydrophobic surfaces than on smooth surfaces. This apparent reduction of the basal friction is discussed in terms of slip length and splash instability. Endly, we investigated the impact of a drop onto a pool of the same fluid, using a transparent yield-stress fluid (Carbopol). The combination of scaling laws, micro-gravity experiments and local deformation measurements shows that the transient crater is dominated by elasticity, even beyond the flow threshold. These results could have implications for impact cratering in Planetary Sciences., Cette thèse présente une étude expérimentale de l'impact de gouttes de fluides à seuil. Au-delà des applications (impression à jet d'encre solide, modélisation d'impact solide à grandes vitesses), cette étude permet de sonder le rôle de l'élasticité sur le comportement à temps court de ces fluides complexes. D'abord, nous nous sommes intéressés aux impacts sur une surface rigide. L'utilisation de fluides à seuil modèles (solutions concentrées d'argiles, micro-gel de Carbopol) et de surfaces d'impact variées (partiellement mouillante ou super-hydrophobe), révèle une grande variété de comportements, allant de l'étalement viscoplastique irréversible jusqu'à des déformations élastiques géantes. Un modèle minimal d'étalement inertiel, incluant une rhéologie élasto/viscoplastique, permet de décrire dans un cadre unique les principaux régimes observés. Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence un phénomène spécifique avec le Carbopol : pour des grandes vitesses d'impact, on observe un étalement beaucoup plus grand sur des surfaces rugueuses hydrophobes que sur des surfaces lisses. Cette réduction apparente du frottement basal est discutée en termes de longueur de glissement et d'instabilité de " splash ". Enfin, nous avons étudié l'impact d'une goutte de fluide sur un sol constitué du même fluide, en utilisant un fluide à seuil transparent (Carbopol). La combinaison de lois d'échelle, d'expériences en " micro-gravité " et de mesures locales du champ de déformation montre que la dynamique du cratère transitoire est dominée par l'élasticité, même au-delà du seuil d'écoulement. Ces résultats pourraient avoir des implications dans le contexte des impacts de météorites en astrophysique.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; L’érosion induite par les écoulements gravitaires rapides de fluides complexes, tels que les laves torrentielles ou les avalanches, reste très mal comprise à l’heure actuelle. Une spécificité de ces écoulements naturels est que, le plus souvent, le matériau composant le substratum présente des propriétés mécaniques similaires à celles du matériau qui s’écoule (boue/boue, neige/neige). Notre étude propose de mettre en œuvre des fluides à seuil pour modéliser à la fois l’écoulement érodant et le substratum érodé. L’originalité de notre approche consiste à appréhender le processus d’érosion en termes de transition solide-fluide. L’hydrodynamique d’érosion étudiée est l’écoulement dans un canal incliné d’un fluide à seuil modèle sur une couche épaisse du même fluide possédant une contrainte seuil égale ou supérieure à celle de la coulée. Dans cette étude expérimentale, nous utilisons un micro-gel polymère (Carbopol) choisi pour sa rhéologie élasto-viscoplastique et pour sa propriété transparente, nécessaire à l’application de techniques de visualisation interne telle que la Particle Image Velocimetry (PIV). Notre démarche est de combiner la caractérisation fine au rhéomètre des propriétés rhéologiques du fluide à seuil (loi de Hershel-Bulkley), à l’observation de l’évolution morphologique du système substratum/écoulement et à la mesure locale des paramètres hydrodynamiques, pour investiguer les mécanismes physiques dominants dans le phénomène d’érosion. L’objectif est notamment de relier la loi d’érosion, à l’interface substratum/écoulement, avec la loi de comportement du fluide complexe en jeu, afin d’affiner celle-ci au voisinage de la transition entre le régime solide quasi-statique et le régime liquide.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Nous étudions expérimentalement l’impact d’une goutte de fluide à seuil sur une surface rigide. En utilisant des fluides modèles et des surfaces super-hydrophobes, différents régimes d’impact sont observés allant de l’étalement irréversible au rebond élastique. Un modèle simple utilisant une rhéologie élasto-visco-plastique permet de reproduire semi-quantitativement les observations et révèle le rôle de l’élasticité dans l’hydrodynamique à temps court de ces fluides complexes.