Etudes expérimentales d'avalanches granulaires
Résumé
Granular deposits are ubiquitous in nature, they display solid or fluid-like behavior as well as avalanches, mud flows and their catastrophic human and economical toll. The perspective of risk modeling of these phenomena is hindered by the lack of conceptual clarity since the rheology of the particulate flows is poorly understood. In this thesis, we investigate an experimental work on avalanches propagating on an erodible substrate. In the first part, the stability diagram of the layer deposited on an inclined plane is established, both in the air and in the water. The different steps of the formation of an avalanche front are explained. The rheology of steady uniform flows of sand is fund and compared to other results obtained in the literature. Experimental measurements, "sooted blade" and "multi-colored layers", show the existence of a static zone under the flow. The previous rheology is changed and the avalanches can be described in term of local rheology. Using this flow rule in the case of solitary erosion waves gives the erosion profile which takes place in the avalanche. The behavior is different for sand and for beads. The sand wave does not erode the substrate down the bottom and the beads wave erodes the entire layer. In the second part, the stability of those waves is studied. Above a given angle the wave become transversally unstable. After an initial wavelength, there is a coarsening process by fusion. At the final stage the coarsening is ended by fingering. The first instability is linear long wavelength instability. All the wavelengths measured collapse in the same curve when they are scaled by the size of the grains.
- Les instabilités de dépôts granulaire sont omniprésentes dans la nature, elles présentent un comportement solide et liquide comme en témoigne les avalanches et les écoulements de boue qui sont a l'origine de nombreuses catastrophes humaines et économiques. Malgré son importance pratique, ces phénomènes sont encore loin d'être compris et bien décrit notamment en raison du manque de compréhension de leur rhéologie. Ce manuscrit présente une étude expérimentale d'avalanche se propageant sur une couche granulaire érodable. Dans la première partie, l'équilibre d'une couche granulaire sur un plan incline est étudiée, aussi bien dans l'air que dans l'eau. A partir de ce dépôt granulaire, la méthode de propagation d'avalanche est expliquée dans ces différentes phases. La rhéologie des écoulements stationnaires de sable est déduite et comparée aux résultats communément trouvés. Des mesures expérimentales, dites "méthode de la lame de suie" et "méthodes des feuillets colorées", montrent l'existence d'une couche statique prenant place sous l'écoulement. Dès lors la rhéologie précédemment établie est modifiée permettant ainsi de décrire les avalanches en termes de rhéologie locales. En appliquant cette rhéologie aux cas des ondes solitaires érosives, le profil d'érosion en est extrait. Pour le sable sur la feutrine il ressort que l'onde ne creuse pas la couche jusqu'au fond tandis que pour les ondes de billes la couche est entièrement érodée. Dans la dernière partie la stabilité de ces ondes est étudiée. Au delà d'un seuil les ondes se déstabilisent transversalement. Après une longueur d'onde initiale, un phénomène de coalescence par fusion est observé. Ce dernier est lui-même stoppé par la formation de doigts. Une étude expérimentale de stabilité a montré que c'est une instabilité linéaire à grande longueur d'onde et à nombre d'onde nul. Toutes les longueurs d'onde mesurées aussi bien dans l'air que dans l'eau se regroupent autour d'une même courbe dès lors qu'elles sont adimensionnées par la taille des grains.
Domaines
Physique [physics]
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