Study of mechanical and acoustical properties of a granular medium under cyclic load

Étude des propriétés mécaniques et acoustiques d'un milieu granulaire sous chargements cycliques

Amandine Miksic (1, 2)

1 LPMDI - Laboratoire de Physique des Matériaux Divisés et des Interfaces
2 Équipe Milieux granulaires et Acoustique des milieux divisés

This work deals with the characterization, by an acoustical method, of the mechanical behaviour of a dry dense granular medium under cyclic loading using an acoustic technique. The sound propagation through the contact-force network supporting the external load offers a non-invasive probe of the viscoelastic properties of such heterogeneous media. First, we study the visco-elasto-plastic response of the glass bead packing during an oedometric test and investigate the settlement or residual deformation and the hysteretic dissipation as function of loading cycles, strain rate and the surface state of the grains. We show that the modulus deduced from mechanical results (strain e ~ 10?4-10?³)) are about tens time smaller than those from acoustic measurements (e ~ 10?7) due to the nonlinear response of the material. Next, we examine creep and relaxation phenomena of the granular medium. The novelty of our study lies in the simultaneous monitoring of the sample using acoustic measurements. We find quasi-logarithmic increase of sound velocities in both mechanical tests. The model based on the mechanics of micro-contact between rough grains describes fairly well our experimental results

Ce travail porte sur la caractérisation, par une méthode acoustique, du comportement mécanique d’un milieu granulaire sous chargement cyclique. La propagation d’ondes ultrasonores, à travers le réseau des contacts supportant les efforts dans l’échantillon, permet de sonder les propriétés viscoélastiques de ces milieux hétérogènes. Dans une première partie, nous étudions le comportement visco-élasto-plastique d’un empilement de billes de verre lors d’un essai oedométrique. Nous examinons en particulier le tassement, ou la déformation résiduelle, et la dissipation hystérétique, en fonction du nombre de cycles, du taux de déformation et de l’état de surface des billes. Nous montrons que les modules déduits des donnés mécaniques (déformation e ~ 10?4-10?³) sont dix fois plus petits que ceux obtenus par les mesures acoustiques (e ~ 10?7) à cause de la réponse non linéaire du milieu. Dans une seconde partie, nous nous intéressons au fluage et à la relaxation de contrainte du milieu. L’originalité de cette étude est le suivi par la mesure de la vitesse du son, qui présente une augmentation de type logarithmique dans les deux types d’essais. Le modèle basé sur la mécanique des microcontacts entre grains rugueux décrit bien nos résultats expérimentaux

Mots clés: Acoustics of granular media; Oedometric test; Cyclic loading; Creep and relaxation

Mots clés: Acoustique des milieux granulaires; Essai oedométrique; Chargement cyclique; Fluage et relaxation

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Amandine Miksic. Étude des propriétés mécaniques et acoustiques d'un milieu granulaire sous chargements cycliques. Autre [cond-mat.other]. Université Paris-Est, 2008. Français. ⟨NNT : 2008PEST0248⟩. ⟨tel-00350277v2⟩