Étude à micro-échelle du test de pénétration du cône dans la neige
Peinke, Isabel
Microstructural analysis of cone penetration tests in snow
La prévision du risque d'avalanche, les prévisions hydrologiques et l'estimation du bilan énergétique de la Terre dépendent d'une connaissance précise de la stratigraphie du manteau neigeux. Le test de pénétration du cône, qui consiste à enregistrer la force nécessaire pour faire pénétrer un cône dans le matériau d'intérêt, est largement utilisé pour mesurer des profils de neige. La sonde de battage, développée et utilisée depuis 1930, a été continuellement améliorée. Aujourd'hui, des pénétromètres numériques, tel que le SnowMicroPenetrometer, permettent de mesurer la résistance à la pénétration à vitesse constante avec une résolution verticale de quelques microns. Les fluctuations de force mesurées à cette résolution contiennent des informations sur la microstructure essentielles pour compléter la connaissance de la dureté moyenne de chaque couche de neige. Néanmoins, le lien entre le profil de dureté et la microstructure de la neige n'est pas encore entièrement compris. En effet, les modèles d'inversion existants négligent certaines des interactions entre la pointe du cône et la neige, comme la formation d'une zone de compaction, et ils n'ont été évalués que par des relations empiriques avec des propriétés macroscopiques. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction entre le cône et la neige à une échelle microscopique, à l'aide de la tomographie à rayons X, afin d'extraire, de manière plus précise, les propriétés microstructurelles de la neige à partir des mesures de résistance à la pénétration. Dans ce travail, nous analysons des tests de pénétration du cône de quelques centimètres de profondeur, qui contiennent une partie transitoire non négligeable due à la formation progressive d'une zone de compaction. Afin de prendre en compte explicitement ce processus, nous avons développé un modèle statistitique non-homogène de Poisson, qui prend en compte une dépendance à la profondeur du taux d'occurrence de rupture entre grains de neige. Nous avons utilisé ce modèle pour caractériser le frittage de la neige par des tests de pénétration du cône sous conditions contrôlées dans une chambre froide. D'après le modèle, l'hétérogénéité verticale des profils de dureté était due aux variations du taux d'occurrence de rupture, tandis que l'évolution temporelle de la force macroscopique était contrôlée par un renforcement des ponts. Cette partition est cohérente avec les processus de frittage connus et fournit une validation indirecte du modèle proposé. Une deuxième partie de la thèse a porté sur des expériences en chambre froide combinant des tests de pénétration du cône et de l'imagerie par tomographie X. Des images tri-dimensionnelles à haute résolution d'un échantillon de neige ont été prises avant et après le test du cône. Sur ces images, un nouvel algorithme de suivi de grains a été appliqué pour déterminer les déplacements granulaires induits par le test. Nous avons quantifié avec précision la taille de la zone de compaction et sa relation avec les caractéristiques de la neige. Nous avons montré que les déplacements verticaux observés compliquent l'utilisation de modèles d'expansion de cavité comme modèles d'inversion. Enfin, nous avons lié les propriétés microstructurelles obtenues par tomographie, telles que la taille ou le nombre de ruptures de ponts, à des propriétés dérivées des profils de dureté. Nous avons montré que les propriétés estimées à partir des tests de pénétration du cône sont des approximations de la microstructure de la neige, mais restent trop conceptuelles pour espérer une relation directe. A l'avenir, ces études devraient permettre de dériver, de manière objective, la stratigraphie du manteau neigeux à partir d'une mesure de terrain simple et rapide.</p>
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