Prédire les avalanches en laboratoire

Empiler des billes pour détecter les précurseurs avalanches

Luc Oger et Renaud Delannay du département Milieux Divisés sont spécialistes des milieux granulaires. À travers une collaboration avec leur collègue Yves Le Gonnidec de Géosciences Rennes, ils ont mis en évidence l'importance de "l'histoire" de l'empilement granulaire, la manière dont il se forme, notamment sur sa stabilité.

Le contexte

Les écoulements de grains sous l’effet de leur propre poids qu'on appelle des écoulements gravitaires s’observent un peu partout dans notre environnement: en cuisine, dans les champs, à la mer ou en montagne. Comprendre la stabilité des empilements de grains est un enjeu important, notamment pour mieux appréhender les glissements de terrain, les avalanches de pierre ou de neige, ou les tremblements de terre. Observer et instrumenter des avalanches dans leur milieu naturel peut s'avérer légèrement compliqué pour ne pas dire dangereux. Alors pour palier à la difficulté d'acquérir des données sur le terrain, au sein de l'IPR, Luc et Renaud recréent des avalanches conbtrôlées et instrumentées en laboratoire. Lorsqu’une boite remplie de grains est doucement inclinée, un mouvement des grains à la surface se produit. L'écoulement d'un empilement de grains en surface se fait en trois étapes. Il y a d'abord des petits mouvements de quelques grains isolés. Puis, ces mouvements deviennent plus collectifs avec des groupes importants de grains glissant simultanément le long de la surface. Ce sont des événements précurseurs de l’avalanche. Car enfin, l’avalanche se produit, lorsque tous les grains de la surface et aussi pas mal de ceux qui sont juste en dessous, se mettent à dévaler la pente. Beaucoup de paramètres contrôlent ces écoulements de surface, les propriétés mécaniques et géométriques des grains, par exemple, ne suffisent pas à tout expliquer, et la reproductibilité des mesures d'écoulement reste limitée à une précision de l'ordre de 15-20%. Une part de l’explication de ce mystère pourrait résider dans l'histoire de l’empilement, autrement dit comment cet empilement s'est ou a été formé.

La démarche

Pour étudier la stabilité d'un empilement de grains sous l'effet d'une inclinaison lente, ils ont développé depuis maintenant plus de 10 ans un banc d'essai original. Ce montage expérimental contient notamment un système d'acquisition optique, des caméras à haute résolution spatiale ou temporelle. L'ingéniosité du dispositif réside dans le mécanisme de déclenchement de l’enregistrement de la caméra rapide. Comme celui-ci ne peut fonctionner en permanence en raison de la quantité faramineuse de données produites par la caméra, il est déclenché de manière automatique par l'impulsion acoustique produite par un évènement précurseur. Grace à ce dispositif, ils sont ainsi en mesure de quantifier le nombre de ces évènements, l'angle d'inclinaison auquel ces glissements ont lieu, mais surtout leur taille et leur dynamique. Dans le cadre de cette publication, Luc, Renaud et Yves se sont focalisés sur l'influence de l'état de surface et de la hauteur de l'empilement dans la boite. Leurs expériences ont montré qu'un balayage "doux" de la surface de l'empilement modifie sa stabilité en créant localement un milieu plus homogène, sans discontinuité de densité.

montage expérimental milieux divisés

 Figure: Dispositif expérimental comprenant une table pneumatique, une plaque inclinable, une boîte métallique contenant les grains et un système optique (caméra + lampes) fixé à la plaque.

Les perspectives

Ces résultats soulèvent d'ores et déjà de nouvelles interrogations : comment se comporte le milieu granulaire dans son volume intérieur? Actuellement, toutes les mesures sont obtenues uniquement sur les parois par des capteurs acoustiques et de force ou à la surface par des moyens optiques. Mais l'acquisition de nouveau matériel, et notamment d'un futur micro-tomographe permettra peut-être de découvrir ce qu'il se passe au coeur de ces avalanches.