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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.

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International audience; Sinkhole formation caused by human activities or natural hazard has not been completely known, especially because the underground process remains invisible from the surface. Thus, physically understanding the internal evolution and the final collapse is necessary to improve risk assessment. The present 2D numerical modeling studies gravity-driven flow of grains at a sample scale by combining Discrete Element Method (DEM) and Lattice Boltzmann Method (LBM), where DEM is used to deal with the solid phase and LBM for modeling fluid phase. The destabilization of granular sample is simulated for both the case of non-cohesive and cohesive granular layers. Discharge rate related to terminal falling speed of grain vt, ratio of orifice diameter D to grain size d and grain density is investigated. In addition, a parametric analysis of the sinkhole formation is performed.

International audience; The Loire River basin is regularly impacted by sinkholes because of its specific geological context, karstic limestone overlain by soft cover deposits. The intense rainfall event and the associated floods that occurred in this area in May and June 2016 triggered tens of sinkholes on a few square kilometers. At least 20 houses, one flood protection dyke of the Loire River and two highways were damaged by collapses. These events highlight not only the vulnerability of the area, especially in the case of a disastrous flood of the Loire River, but also the unexpected kinetics of the collapse process. Two different types of sinkholes occurred in the impacted areas: north of Orléans, collapses of the filling of vertical caves is suspected; in the Loire valley, flood accelerated the internal erosion of alluvium in the karstic active network, triggering cover collapses (spatial and temporal sinkhole frequency increased by an estimated factor of 16,000 to 24,000). In parallel, an innovative internal erosion numerical modeling approach, based on Discrete Element-DEM and Lattice Boltzmann methods-LBM, has been developed through a partnership between the French Geological Survey (BRGM) and the Environment and Agriculture National Research Institute (IRSTEA). The upward propagation of cavities within the cover were successfully simulated. The role of different parameters (soft cover cohesion, hydraulic head, system geometry, etc.) in the sinkhole occurrence were tested by a parametric analysis.

International audience; The bulk behavior of materials involved in geophysical fluid dynamics such as snow avalanches or debris flows has often been modeled as viscoplastic fluid that starts to flow once its stress state overcomes a critical yield value. This experimental and numerical study proposes to interpret the process of erosion in terms of solid-fluid transition for these complex materials. The experimental setup consists in a closed rectangular channel with a cavity in its base. By means of high-resolution optical velocimetry (PIV), we properly examine the typical velocity profiles of a model elasto-viscoplastic flow (Carbopol) at the vicinity of the solid-fluid interface, separating a yielded flowing layer above from an unyielded dead zone below. In parallel, numerical simulations in this expansion-contraction geometry with Augmented Lagrangian and Finite-Differences methods intend to discuss the possibility to describe the specific flow related to the existence of a dead zone, with a simple Bingham rheology. First results of this comparative analysis show a good numerical ability to capture the main scalings and flow features, such as the non-monotonous evolution of the shear stress in the boundary layer between the central plug zone and the dead zone at the bottom of the cavity.

International audience

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International audience; The Loire River basin is regularly impacted by sinkholes because of its specific geological context constituted of karstic limestone overlain by soft materials. Intense rainfall and associated flooding that occurred in this area in May and June 2016 triggered the collapse of tens of sinkholes. At least 20 houses, one high-traffic road, one levee of the Loire River and one highway were directly threatened. This event highlights not only the vulnerability of the area, especially in the case of a disastrous flood of the Loire River, but also an unexpected kinetic of the process. Two different types of sinkholes occurred in flooded areas: on the plateau, spectacular drop out of former natural caves is suspected; in the Loire valley, flooding is supposed to have accelerated the suffosion of alluvium by a factor of 10 000 to 20 000. This feedback bring new insights on the process dynamics that is currently being analysed in more details using an innovative internal erosion numerical modeling approach, based on Discrete Element - DEM and Lattice Boltzmann methods - LBM. A better understanding of the sinkhole formation is crucial for adequate risk management, especially in the case of a large flooding event.

La rupture d’une digue fluviale suite à la survenue d’une crue dépassant la crête de l’ouvrage constitue l’un des scénarios incontournables de l'étude de dangers. Il est capital de quantifier la résistance à la surverse. Des essais à petite échelle au laboratoire sont exclus, du fait de l’absence de similitude pour un phénomène d’écoulement à surface libre sur forte pente avec érosion d’un sol cohésif. Par ailleurs, apporter le sol de digue dans un canal hydraulique de laboratoire ne permet pas d’avoir une représentation correcte du matériau en place, en terme de granulométrie et d’hétérogénéité induite par le compactage par couches. C’est la raison pour laquelle nous avons développé un simulateur de surverse in situ, à échelle un. Le dispositif a été déployé pour la première fois en avril 2016 dans le cadre du projet de recherche DigueELITE sur une digue expérimentale de 3,5 m de haut, dans 2 canaux de 61 cm de large et 15 m de long, couvrant le talus aval (pente 1,5H/1V) et la plate-forme aval : l’un sur sol-chaux, l’autre sur sol non traité. Deux campagnes d’essais ont été réalisées, avec des débits allant jusqu’à 570 l/s par mètre linéaire, des vitesses de 5 m/s en pied de talus, et une lame d’eau de 30 cm en crête. La procédure suivie s’appuie sur les recommandations de la norme ASTMD6460. Chaque campagne correspond à une durée d’écoulement de 4h30. La première phase d’érosion est celle de la couche superficielle. La deuxième phase est celle du sol constitutif. L’érosion se fait en marches d’escalier, en faisant apparaître les couches de compactage. Les résultats obtenus avec le simulateur de surverse montrent que le sol-chaux a une meilleure résistance à l’érosion que le sol non-traité. Par rapport au sol non traité, l’érosion en partie basse du talus est 3 fois moins importante dans le sol-chaux, et le développement de la fosse d’érosion en pied de talus aval y est 5 à 10 fois moins important.

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.