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Laetitia FONTAINE et Romain ANGER
La pente du tas de sable [ill. 3]
Remplir les vides pour obtenir un matériau plus solide revient à augmenter le
nombre de points de contact entre tous ces grains. Mais lorsque deux grains
se touchent, quelles sont les forces qui les lient au niveau de chacun de ces
contacts Avant de s’intéresser à un matériau aussi complexe que la terre,
il faut commencer par observer un tas de sable sec. Son organisation révèle
l’existence des forces de frottement, responsables de la pente naturelle du tas,
et permet d’introduire les notions d’angle de repos et d’angle d’avalanche.
Ségrégation granulaire [ill. 4]
Des grains de différentes tailles ont des angles d’avalanche différents. Lorsqu’ils
sont mis en mouvement, ces grains se séparent spontanément par catégories
de tailles : c’est le phénomène de ségrégation granulaire, qui posent beaucoup
de problèmes dans l’industrie et sur le chantier.
Chaînes de forces
Les interactions de contact et de frottement dans un ensemble de grains
distribuent les forces de manière très particulière. Dans certains cas, plusieurs
grains en contact forment une voûte et abritent de petits espaces vides qui
empêchent les empilements de se placer dans une configuration plus compacte.
Par contact et frottement, les contraintes sont transmises grâce à un réseau de
chaînes de forces qui dévient les forces verticales sur les côtés [ill.5].
Les coffrages à béton doivent être suffisamment résistants pour vaincre cette
poussée horizontale des grains. De la même façon, lors de la mise en œuvre du
pisé, les coups verticaux du pisoir qui compactent la terre sont partiellement
dirigés dans les coffrages. Ceux-ci doivent être suffisamment résistants pour
vaincre ces poussées horizontales. L’effort de compaction vertical disparaît ainsi
partiellement sur les côtés : les chaînes de forces ne parviennent pas jusqu’en
bas car elles se dissipent sur les bords. C’est pourquoi le pisé se met en œuvre en
compactant de fines couches de terre. Si l’épaisseur de terre est trop importante,
au moment de l’impact aucune force de compression n’est transmise jusqu’au
bas de la couche, qui n’est alors pas compactée [ill. 6].
Forces capillaires [ill. 7]
Après ce tour d’horizon de la physique des milieux granulaires secs, de l’eau est
ajoutée pour découvrir la physique des milieux granulaires humides. Une série
d’expériences sur les liquides réintroduit les notions de tension superficielle (ou
de force capillaire), de surfaces hydrophiles et surfaces hydrophobes, auxquelles
sont liées les phénomènes de remontée capillaire et de cohésion capillaire.
Cohésion capillaire dans un château de sable [ill. 8]
Une goutte d’eau entre deux billes de verre prend la forme d’un pont capillaire,
qui exerce une pression attractive entre les surfaces qu’elle mouille. Ainsi la
cohésion du château de sable est due aux ponts capillaires qui relient les grains
entre eux : l’eau est une véritable colle. C’est la présence simultanée d’eau et
d’air entre les grains qui assure la cohésion. Un pont capillaire n’a de sens qu’à
travers l’interface eau-air : sans air, la tension superficielle disparaît. Lorsque la
teneur en eau augmente, les ponts capillaires fusionnent jusqu’à la disparition de
la phase gazeuse : le château de sable perd alors sa cohésion.
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