Post-doc: Couplages hydromécaniques dans les milieux granulaires non saturés étudiés à l'échelle des grains

Démarrage : Septembre 2015


Les sols partiellement saturés sont constitués d’un ensemble de particules solides (ou grains), d’eau et d’air.

Comme dans un tube d'essai rempli d’eau, des ménisques se forment dans les interstices entre les grains, à l’interface entre l’eau, l’air et les surfaces solides. En raison des forces de tension superficielle de l’eau contenue dans les pores qui causent un effet de succion sur les grains, la cohésion globale du matériau est plus importante par rapport à la situation totalement sec ou saturé en eau. Ce mécanisme explique la meilleure solidité d’un sable partiellement saturé d’eau par rapport à un sable sec ou totalement saturé, phénomène bien connu des enfants qui utilisent instinctivement du sable humide pour leurs châteaux. Dans certaines situations moins triviales, l’infiltration d’eau dans les sols ou des contraintes de cisaillement peuvent modifier ces forces de succion causant une perte totale de cohésion du sol et des conséquences parfois dramatiques – une cause classique des glissements de terrains.


Le projet vise à mettre en évidence certains mécanismes clés se jouant à micro échelle et pilotant le comportement des sols partiellement saturés, à savoir les évolutions de la microstructure durant les phases de déformation et de rupture des sols, l’évolution de la répartition de l’eau dans les interstices et sa relation avec les niveaux de succion mesurés. La stratégie choisie compare des résultats expérimentaux et numériques (DEM et DEMxFEM) afin de raffiner les lois d’interactions locales entre phases solide et liquide. Deux types de matériaux choisis pour faciliter le dialogue entre expériences et simulations sont étudiés :

  • Un matériau « idéal » constitué de billes sphériques de saphire/ruby dont la microstructure correspond parfaitement à celle des matériaux modélisés par les codes numériques utilisés
  • Un géomatériau naturel, le sable d’Hostun (Drôme), de structure plus complexe et plus proche d’un modèle réel.

Afin de caractériser les couplages hydro mécaniques, les échantillons sont soumis expérimentalement à des tests de compression triaxiaux et leur comportement observé par micro tomographie rayons-x et par tomographie au neutrons (une technique qui donne d’excellents résultats pour la visualisation de l’eau). Les trois phases solide, liquide et gaz sont discriminées par post traitement des images afin de suivre les mouvements de l’eau et du réseau des grains solides. Dans le cas du matériau idéal, le post-traitement  sera facilité avec un outil spécifique pour les sphères. Ces observations sont conduites à deux échelles, l’échelle de quelques centaines de grains, et l’échelle de quelques milliers de grains.


Cette démarche doit fournir de précieuses informations concernant les paramètres tels que l’évolution de la densité locale du matériau, les positions des grains, les degrés de saturation en eau, la position, le volume et la connectivité des ponts liquides, paramètres qui pourront être reliés aux contraintes subies par le matériau et à l’effet de succion.

Les résultats de ce projet doivent constituer un socle théorique clé pour la modélisation de la déformation et de la rupture des sols partiellement saturés en apportant une meilleure compréhension du rôle des effets de succion sur la cohésion et la rigidité des géomatériaux.


Ce projet est issu d'une collaboration entre le laboratoire 3SR et l'université de Kyoto (Japon).


Contacts scientifiques : Simon Salager, Yosuke Higo, Edward Ando. Post-doc : Faisal Khan

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