Thèse Existence d'Une Contrainte Effective dans les Matériaux Granulaires Non Saturés une Approche Dem-Lbm et Effets Psd H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes
Laboratoire de recherche : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
Direction de la thèse : Emilien AZEMA ORCID 0000000188313842
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-01T23:59:59

Les matériaux granulaires partiellement saturés - comme les sols humides ou les poudres mouillées - interviennent dans de nombreux domaines : géotechnique, risques naturels, hydrologie et procédés industriels. Contrairement aux sols saturés, bien décrits par le principe des contraintes effectives de Terzaghi, il n'existe pas encore de cadre mécanique universel pour les milieux partiellement saturés. À l'échelle microscopique, la contrainte totale peut être décomposée entre les forces transmises par les contacts solides et celles issues des forces capillaires générées par l'eau entre les grains. Cette approche est largement utilisée, mais sa validité reste débattue lorsque la saturation augmente ou lorsque les grains présentent une large distribution de tailles.
Or, les matériaux réels sont rarement monodisperses. Une forte polydispersité peut profondément modifier l'organisation interne du matériau, la répartition du fluide, la formation des ponts liquides et l'architecture des chaînes de forces. Les gros grains peuvent structurer le réseau de contacts tandis que les particules fines occupent les pores et concentrent les interactions capillaires, créant des zones localisées de forte ou faible cohésion. Ces mécanismes pourraient influencer la cohésion capillaire, l'anisotropie des contraintes et la résistance mécanique globale - des effets encore mal compris.
Ce projet vise à répondre à plusieurs questions fondamentales :
La friction macroscopique des milieux granulaires mouillés reste-t-elle indépendante de la distribution de tailles comme dans les milieux secs ?
Comment la polydispersité influence-t-elle la cohésion capillaire et le partage des contraintes entre phases solide et fluide ?
Le concept de contrainte effective demeure-t-il valable pour des matériaux très polydisperses et partiellement saturés ?
Comment la distribution granulométrique affecte-t-elle les transitions entre régimes pendulaire, funiculaire et capillaire ?
Pour y répondre, nous utilisons une approche numérique de pointe couplant la Méthode des Éléments Discrets (DEM) et la Méthode de Boltzmann sur Réseau (LBM). Cette approche hybride permet de simuler simultanément les contacts entre grains et la dynamique complète du fluide, avec des interfaces air-eau entièrement résolues. Elle donne un accès direct aux forces capillaires, à la redistribution du liquide, à la morphologie des amas liquides, aux chaînes de forces et à l'évolution des contraintes internes dans des assemblages granulaires réalistes.
L'objectif final est de revisiter, affiner et généraliser le concept de contrainte effective pour des matériaux granulaires représentatifs des milieux naturels et industriels. Les retombées attendues concernent autant la mécanique des sols que les industries manipulant des poudres humides, avec des applications dans le mélange, l'écoulement, la ségrégation ou l'agglomération.

Les milieux granulaires partiellement saturés, comme les sols humides ou les poudres mouillées, sont omniprésents en géotechnique, dans les risques naturels et dans de nombreux procédés industriels. Leur comportement mécanique est fortement influencé par la présence d'eau sous forme de ponts liquides et de structures capillaires, qui génèrent de la cohésion entre les grains.
Si le principe des contraintes effectives décrit bien les sols saturés, son extension aux milieux partiellement saturés reste débattue, en particulier lorsque la saturation augmente ou lorsque les grains présentent une large distribution de tailles. Les approches classiques reposent souvent sur des modèles simplifiés des forces capillaires et ne prennent pas pleinement en compte la complexité des interactions fluide-grains.
Les avancées récentes en simulation numérique, notamment le couplage DEM-LBM, permettent désormais de décrire finement les interactions entre particules et fluide, ouvrant la voie à une compréhension plus réaliste et généralisable du rôle des forces capillaires et de la polydispersité dans le comportement des matériaux granulaires humides.Comprendre l'influence de la polydispersité sur le comportement mécanique des milieux granulaires partiellement saturés
Quantifier le rôle des forces capillaires dans la cohésion et la transmission des contraintes
Tester la validité du concept de contrainte effective dans des matériaux réalistes (tailles variées, saturations diverses)
Analyser l'impact de la distribution de tailles sur les transitions entre régimes pendulaire, funiculaire et capillaire
Relier les mécanismes microscopiques (ponts liquides, chaînes de forces, redistribution du fluide) au comportement macroscopique

Simulation numérique multi-échelle : couplage de la Méthode des Éléments Discrets (DEM) pour modéliser les interactions solides entre grains et de la Méthode de Boltzmann sur Réseau (LBM) pour représenter le fluide et les interfaces air-eau.
Résolution complète des interactions grain-fluide : calcul direct des forces capillaires, de la redistribution de l'eau et de la formation des amas liquides.
Analyse microscopique : suivi des chaînes de forces, de la morphologie des ponts liquides et de l'anisotropie du réseau de contraintes.
Étude des effets de la polydispersité : simulation de matériaux granulaires avec distributions de tailles variées pour évaluer l'impact sur la cohésion capillaire et le comportement macroscopique.
Validation et exploration des régimes de saturation : passage des régimes pendulaire, funiculaire et capillaire pour tester la généralité du concept de contrainte effective.

Les candidats doivent être titulaires d'un master en génie mécanique, physique, science des matériaux ou génie civil. De solides compétences en modélisation numérique (DEM, Python/C++) et un intérêt pour la mécanique computationnelle sont attendus. Les candidats doivent être curieux, autonomes et motivés par la recherche interdisciplinaire combinant physique des milieux granulaires, science des matériaux, physique et génie civil. La maîtrise de l'anglais est requise ; la connaissance du français est un atout.