Physique du tas de sable
La terre est un mélange de grains infiniment variés : c’est ce qui fait toute sa complexité ! Pour le comprendre, simplifions ce matériau. Voyons, dans un premier temps, ce que nous enseigne le sable sec, Autrement dit la physique du tas de sable. Après tout, la terre peut s’assimiler à un sable dont la granulométrie est très étalée.
Système modèle, le sable sec constitue l’un des sujets de recherche les plus novateurs de ces vingt dernières années. Bien plus simple que la terre, ce matériau est déjà très riche ! Aujourd’hui, la physique des milieux granulaires secs a mis à jour des phénomènes qui éclairent bien des aspects de la construction en terre, et plus généralement des bétons.
Remplir les vides
Quel que soit le matériau considéré, un vide constitue toujours une zone de faiblesse et la terre n’échappe pas à cette règle : elle est d’autant plus résistante que sa porosité est faible. La proportion de vide dépend en grande partie de la répartition des grains de différentes tailles qui constituent un matériau granulaire donné. Les chercheurs connaissent ce principe élémentaire qui leur permet de concevoir des bétons de ciment aussi résistants que l’acier, en diminuant leur porosité à l’extrême.
Des grains qui frottent
La terre se compose de grains liés entre eux par différentes forces. Dans le paragraphe précédent, nous avons appris que remplir les vides pour obtenir un matériau plus solide revient à augmenter le nombre de points de contact entre tous les grains. Mais lorsque deux grains se touchent, quels sont les forces qui les lient au niveau de chacun de ces contacts, et qui permettent à l’ensemble de la structure de tenir ? Avant de s’intéresser à un matériau aussi complexe que la terre, commençons par observer un tas de sable sec. Son organisation révèle l’existence de forces de frottement, responsable de la pente naturelle du tas.
Des grains qui ne se mélangent pas
Sur un chantier, il est essentiel de mélanger les différents grains qui constituent la terre de manière homogène afin d’obtenir des matériaux de bonne qualité. Hélas, dès qu’ils sont mis en mouvement, ces mélanges de grains se séparent par catégorie de taille : ils se trient spontanément. Cette « ségrégation granulaire » est liée aux forces de frottement, qui induisent des angles d’avalanche variables en fonction de la taille des grains. Familiarisons-nous avec ces phénomènes afin de mieux les éviter.
Sous la poussée des grains
Dans un ensemble de grains, les efforts se distribuent d’une manière bien particulière : par contact et frottement, les contraintes sont transmises grâce à un réseau de « chaînes de forces ». Dans certains cas, plusieurs grains en contact forment une voûte et abritent de petits espaces vides au sein de la matière. Ils empêchent alors les empilements de se placer dans une configuration plus compacte, et donc de se comprimer. En explorant ces phénomènes, nous découvrirons comment construire un pâté de sable supportant le poids d’un homme et, par la même occasion, un bon mur en pisé.