Déformation plastique locale dans les milieux granulaires : compaction et précurseurs d’avalanche

Cette thèse analyse la plasticité et l’hétérogénéité du champ de déformation dans les milieux granulaires denses soumis à un chargement lent contrôlé en contrainte. Deux phénomènes sont étudiés : (i) la compaction par cisaillement cyclique lent en dessous de l’angle de repos ou par vibration basse fréquence ; et (ii) le chargement quasi-statique jusqu’à l’avalanche, permettant la détection et l’analyse des précurseurs d’avalanche. L’hétérogénéité du champ de déformation est caractérisée à l’échelle du grain par deux méthodes expérimentales : l’imagerie optique (2D) et la spectroscopie acoustique par ondes diffusées (3D, DAWS). Nos résultats montrent que les deux méthodes donnent des résultats cohérents. Lors de la compaction sous cisaillement cyclique lent, la déformation est confinée à une couche d’environ dix grains d’épaisseur proche de la surface libre. Elle est fortement hétérogène et dominée par des fluctuations à l’échelle du grain dont l’amplitude dépasse souvent d’un ordre de grandeur la déformation moyenne. Nous montrons que la déformation quadratique croît linéairement avec la déformation moyenne en cisaillement,comme observé de manière cohérente par imagerie optique et par DAWS. De plus, les fluctuations de déformation plastique croissent linéairement avec la déformation plastique accumulée, indépendamment de la contrainte de cisaillement et de la fraction volumique. L’hétérogénéité de la déformation plastique est gouvernée par l’interaction entre un effet de mémoire de la déformation et des anti-corrélations locales de déformation. L’agitation du matériau granulaire par vibrations basse fréquence conduit à une compaction qui s’étend à des couches plus profondes que sous cisaillement cyclique lent. Nous trouvons que les fluctuations de déformation plastique par unité de déformation moyenne sont du même ordre de grandeur que celles observées sous cisaillement lent, ce qui suggère l’existence d’une relation générale entre ces deux grandeurs. Nous étudions également les précurseurs d’avalanche et suivons l’émergence d’événements de déformation intermittents par imagerie optique et DAWS. Le nombre de précurseurs et leur intensité dépendent de la texture granulaire (orientation des voisins) et de sa compatibilité avec la direction de chargement. Lorsque le chargement est incompatible avec la texture, le champ de déformation des précurseurs se caractérise par l’apparition de zones fortement cisaillées, parallèles à la surface libre, composées de bicouches de grains. Leur taille, quantifiée par la longueur de corrélation de la déformation en cisaillement,croît avec la contrainte de cisaillement. Lorsque le chargement est compatible avec la texture, les zones fortement cisaillées sont moins étendues, comme l’indique une longueur de corrélation plus faible. Dans tous les cas, les zones fortement cisaillées apparaissent dans des régions identifiées de manière récurrente et associées à des orientations spécifiques des plus proches voisins. Leurs emplacements se déplacent toutefois d’un précurseur à l’autre, avec une persistance spatiale limitée