L’humidité : l’agent double (et trouble !) des milieux granulaires

ARTICLE DANS PHYSICAL REVIEW E : Comment l'humidité peut réduire les risques d'avalanches ou augmenter les contraintes de manutention de milieux granulaires ?

 Comment l'humidité peut réduire les risques d'avalanches

Des chercheurs de l’IPR - Luc Oger, Claude el Tannoury , Renaud Delannay - et Yves Le Gonidec de Géosiences Rennes, en partenariat avec des collègues argentins, publient en février 2020 dans la revue Physical Review E un article sur l'étude en laboratoire de la stabilité des pentes des milieux granulaires. En effet, cette stabilité reste un défi pour la modélisation. L’objectif de cette étude in fine est la compréhension et la prévision des risques naturels, tels que les avalanches et les glissements de terrain, dont les signes précurseurs sont contrôlés par de nombreux paramètres physiques.

Les grains sont partout !

De très nombreuses industries sont utilisatrices de produits sous forme de grains (industries chimiques, pharmaceutiques, agroalimentaires, métallurgiques, céramiques, génie civil, bâtiments, etc.) et la présence de forces cohésives plus ou moins importantes rend leurs manutentions très compliquées voire impossibles dans certains cas. Dans le milieu naturel, la dynamique des avalanches en montagne posent aussi des problèmes analogues : l’apparition d’avalanches est souvent de caractère catastrophique et dépend parfois de la quantité d'eau emprisonnée dans le massif avant la survenue de l’avalanche et, dans ce cas, il est difficile d’obtenir des signes précurseurs de celles-ci.

Des expériences récentes réalisées en laboratoire ont montré que, pour des grains contenus dans des boites 3D, de très faibles déplacements de ceux-ci étaient à l’origine (précurseur) de la migration collective de grains qui constitue l’avalanche. Le faible glissement d’un grain n’est pas critique en soi mais la propagation de celui-ci sur ces voisins immédiats crée un effet d’entrainement - un « effet boule de neige » - et par voie de conséquence peut devenir catastrophique sur une grande distance.

La manip

Les chercheurs rennais ont imaginé un dispositif expérimental avec des empilements 3D de grains à l'intérieur d'une boite posée sur un plateau dont on peut piloter graduellement l’inclinaison : ils ont mis au point un montage très performant permettant de contrôler simultanément, via une interface LabVIEW, la vitesse d’inclinaison du plateau oscillant, l’enregistrement des images instantanées de la surface de l’empilement, ainsi que la mesure de l’inclinaison du plateau. Par différence entre deux images successives à haute résolution (2440x2080), ils ont pu en déduire le taux de glissements des grains superficiels (S) par rapport à la surface totale d'étude (S0). Ainsi, le taux S/S0 est proche de 1 lorsqu'apparaît un précurseur, alors que la surface globale de l'empilement n'a pas encore évoluée.
 

manip grain humidité - © Luc Oger

Les études sur les précurseurs d'avalanche en présence d'humidité ont été menées en collaboration avec l'Université de Buenos Aires dans le cadre du Laboratoire International Associé Physique et Mécanique des Fluides (International laboratory LIA PMF). L’association avec l’Argentine n’est pas due au hasard : le pays est régulièrement confronté à des périodes assez longues où l'humidité se maintient à 100%.

Les chercheurs ont observé quatre types de billes de verre : de 200µm, 500µm et 750µm, également de polystyrène de 140µm, pour différentes valeurs d'humidité allant de 40% à 94%.

Ils ont constaté que le diamètre des billes, autant que le caractère mouillant de leurs surfaces, interviennent dans le seuil de déclenchement de l'avalanche. Ainsi, lorsque les billes sont trop grosses ou non mouillantes, les forces d'adhésion créées par la présence d'eau en phase liquide ne peuvent compenser la masse de ces mêmes billes, et donc perturber le comportement purement géométrique de ces arrangements granulaires. C'est ainsi que les billes de 750µm et de polystyrène présentent un angle de stabilité maximal invariant avec le taux d'humidité. A l’inverse, les angles de stabilité maximale croissent avec l'humidité et sont plus forts, lorsque les billes sont petites (250 versus 500µm).

Par ailleurs, lors de l'étude des précurseurs, les chercheurs ont observé que pour les billes de 750µm, il n'y avait pas d'évolution du premier précurseur d'avalanche avec l'humidité. Cependant, dans tous les autres cas, ils ont observé des évolutions linéaires dépendant à la fois de l'humidité et de la taille des grains, même pour les billes en polystyrène. Ils ont également mis en évidence que l'intervalle entre précurseurs dépend de la taille des billes de verre pour 500 et 750µm, mais que dans cette hypothèse, cet intervalle reste indépendant du taux d'humidité.

Leur expérimentation montre donc que les précurseurs sont plus sensibles aux propriétés intrinsèques des empilements de grains du fait de leur mouillabilité et de leurs dimensions.

Diagramme grain humidité - © Luc Oger

Référence
Luc Oger, Claude el Tannoury, Renaud Delannay, Yves Le Gonidec, Irene Ippolito, Yanina Lucrecia Roht, and Iñaki Gómez-Arriaran. Dynamic behavior of humid granular avalanches: Optical measurements to characterize the precursor activity. Phys. Rev. E 101, 022902 – doi.org/10.1103/PhysRevE.101.022902