L'objet de l'étude est d'appréhender le rôle des orientations cristallines sur l'apparition de la localisation en bandes de cisaillement lorsqu'elle se forme au sein du grain puis lorsqu'elle franchit le joint de grains. La démarche expérimentale s'appuie sur l'exploitation de techniques aujourd'hui classiques –toutefois le couplage l'est moins-, simulation du laminage par channel-die, acquisition d'orientations cristallines par EBSD et mesure de la déformation locale par corrélation d'images sur microgrilles (Bornert [1996]). Sur le plan théorique, la localisation est introduite sous forme de bifurcation, perte d'unicité de la solution, (Hill [1962], Rice [1976]) dans un cristal c.f.c. rigide plastique, se déformant par glissement simple sur les plans de haute densité atomique suivant la loi de Schmid, et dans le cadre de l'hypothèse de Taylor. La cinématique du monocristal est écrite avec le formalisme des grandes transformations (Sidoroff [1982]) sous forme d'une loi constitutive incrémentale linéaire par morceaux. Le bon accord entre observation et modélisation est nettement marqué et deux modes de localisation en bande de cisaillement prédominent : l'un par combinaison de deux systèmes coplanaires, l'autre par combinaison de deux systèmes codirectionnels. Par ailleurs, des phénomènes de germination ont été mis en évidence dans les bandes, signe d'un échauffement dû à de grandes vitesses de glissement.

Nous présentons une étude numérique de la localisation des déformations en bande de cisaillement dans les géomatériaux.<br />Nous utilisons les modèles de second gradient locaux: sur un problème de cisaillement dans un milieu unidimensionnel, et de simulation de creusement de puits bidimensionnels.<br /><br /> Dans un premier temps, nous avons réalisé une analyse de problème de cisaillement unidimensionnel avec la mécanique des milieux continus classique et pour un comportement quasi-fragile élasto-plastique. Afin de jouer des calculs non restreintes, nous avons employé la méthode de longeur d'arc dans un code aux éléments finis unidimensionnel pour un milieu de second gradient. Nous avons choisi de réaliser notre expérience numérique en utilisant une loi de comportement plus réaliste.<br /><br />Le modèle de second gradient bidimensionnel a été utilisé pour réaliser des simulations numérique d'excavation avec une loi de comportement quasi-fragile. Nous avons réalisé la simulation sur un puits complet en utilisant le code aux éléments finis en grandes déformation Lagamine.<br /><br />Les résultats obtenus sont significatifs. Ils ont illustré la non unicité des solutions, dont différents modes localisés ont été obtenus, qualitativement semblable à la rupture de puits observés dans les laboratoires.

Ce travail a porté sur l'effet de la présence d'un fluide interstitielle sur le comportement des roches granulaires saturées dans la phase pré et post localisation. A partir d'essais de compression triaxiale et isotrope sur un grés de Fontainebleau d'une porosité de 20%, nous avons caractérisé à la fois le comportement en conditions drainés et non drainés de cette roche. Les résultats issus des essais isotropes ont mis en évidence l'influence de la pression de confinement et de la surpression interstitielle sur les paramètres poroélastque de la roche. La notion de la contrainte effective de Biot ainsi que la détermination analytique du coefficient de Skempton sont discutées. En ce qui concerne les essais de compression triaxiale, une attention particulière a été portée sur l'évolution de la surpression interstitielle issue des essais non drainés et le phénomène de localisation dans les deux conditions de drainage (drainé/ non drainés). Nous sommes parvenus à montrer par exemple que le seuil de localisation ne semble pas être affecté par la condition de drainage. Le résultas des essais triaxiaux ainsi que la prédiction de la localisation des déformations sont bien reproduits à l'aide d'un modèle de comportement avec élasticité non-linéaire et plasticité couplée à l'endommagement. L'étude de la localisation a été complétée par des observations microscopiques des bandes de cisaillement. L'analyse de la microstructure des bandes de cisaillement, par analyse d'images obtenues au microscope électronique à balayage, nous a permis d'étudier l'évolution de la porosité, de la surface spécifique et de la taille des grains à l'intérieur de ces bandes. En particulier, les changements de porosité et la structure des bandes en zones contractantes et/ou dilatantes sont discutés en fonction de la contrainte de confinement et le rôle de la surpression interstitielle est discuté. Nous présentons également une évaluation quantitative de l'évolution de la perméabilité en fonction des modifications de la microstructure en utilisant le modèle de Walsh et Brace (1984). Ce document se termine par une étude consacrée à l'étude de bande de cisaillement à grande échelle que constituent les failles, ou une analogie est observée entre la structure des bandes de cisaillement dans les granulaires obtenues sur le grès de Fontainebleau et la structure des zones de failles. Les travaux présentés ici s'inscrivent dans le cadre de notre participation au projet européen DGLAB-CORINTH sur les risques sismique dans le Golfe de Corinth.

Afin d'augmenter leur productivité, certains industriels de la découpe mécanique s'intéressent à un procédé émergeant : le cisaillage grande vitesse. Pour ce procédé, la vitesse du poinçon atteint 10m/s alors que cette vitesse ne dépasse pas 0,1 m/s pour le cisaillage conventionnel. Cependant, même si la qualité des découpes obtenues se rapproche celle du cisaillage fin, l'apparition de phénomènes dynamiques mal compris rend aujourd'hui délicat le déploiement du cisaillage grande vitesse. Dans ce travail de thèse nous proposons d'aller vers une meilleure maîtrise de ce procédé en utilisant aussi bien des moyens expérimentaux que numériques. Ainsi un dispositif expérimental instrumenté a été mis au point afin d'observer finement les phénomènes présents lors de la découpe. Ce dispositif conserve des similitudes avec les moyens industriels et comprend notamment un poinçon dont la section varie et une matrice solidaire d'un tube de Hopkinson pour la mesure des efforts de cisaillage. Cette mesure a comprend un traitement spécifique afin de corriger des effets dynamiques présents dans la matrice. Ce traitement, qui nécessite une calibration du banc, a été validé grâce à une modélisation numérique unidimensionnelle. Des observations du faciès de rupture ont permis de mettre en évidence la présence de bandes de cisaillement adiabatiques, signature d'une augmentation localisée importante de la température. Par ailleurs, une modélisation thermomécanique du comportement de l'acier C40 (loi de Johnson-Cook) a été réalisée et utilisée dans un code de simulation utilisant une approche C-NEM (Constrained Natural Element Method) pour reproduire les cisaillages observés sur le banc. Une étude comparative simulation/expérimentation a ainsi pu être effectuée.

Cette étude se propose de fournir une description précise des microstructures lamellaires de deux alliages, le Zircaloy-4 et le TA6V, et de caractériser leur déformation à haute température. A cette fin, des techniques expérimentales nouvelles pour ces matériaux ont été développées : essai Jominy instrumenté, compression plane encastrée à parois mobiles, microtomographie X. Les principaux résultats soulignent le rôle de la phase alpha_GB formée aux anciens joints de grains bêta sur la sélection de variants dans le Zircaloy-4 et le TA6V. L'agencement tridimensionnel des colonies dans le TA6V est également mis en lumière pour la première fois et discuté en relation avec la genèse de la microstructure. Dans le Zircaloy-4 comprimé à haute température, plusieurs mécanismes de localisation de la déformation sont observés. L'activité du maclage à 750 °C, en particulier, est clairement mise en évidence. Une classification de ces hétérogénéités est proposée et leur influence sur la recristallisation est discutée.

Ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'endommagement et de rupture des matériaux métalliques sous sollicitation dynamique. Pour de grandes vitesses de déformation, il apparaît une localisation de la déformation sous forme de fines bandes appelées bandes de cisaillement adiabatique (BCA). Comme la durée de sollicitation est très courte, la dissipation de l'énergie mécanique sous forme de chaleur génère de fortes hétérogénéités de température. Pour étudier les mécanismes d'amorçage et de propagation d'une BCA lors d'un essai de torsion dynamique, nous avons développé un dispositif de mesure par pyrométrie : pour les "basses températures" comprises entre 50°C et 300°C, nous utilisons une barrette de 32 détecteurs infrarouges InSb afin d'étudier les hétérogénéités de température pendant l'amorçage de la BCA. La fréquence d'acquisition est de 1MHz et la résolution spatiale de 43µm. Pour les "hautes températures" comprises entre 800°C et 1600°C, nous utilisons une caméra intensifiée sensible dans le visible. La résolution spatiale est de 2µm et le temps d'ouverture est de 10µs. Ce dispositif a montré que la température pouvait dépasser 1100°C avec hétérogénéité au sein même de la bande. Pour interpréter ces résultats, nous avons développé un modèle thermomécanique bidimensionnel de l'éprouvette de torsion. Un défaut de rugosité a été inséré au centre de l'éprouvette et une loi de comportement élasto-thermoviscoplastique a été choisie. Les paramètres de la loi d'écoulement plastique de type Johnson-Cook ont été identifiés à partir d'essais statiques et dynamiques à différentes températures. La solution obtenue avec le code de calcul éléments finis Abaqus permet de simuler l'amorçage et la propagation de la BCA. La confrontation entre l'expérience et le modèle nous a permis de proposer un mécanisme d'amorçage de multiples BCA suivi d'interactions et d'annihilations des BCA entre elles.

Nous présentons deux approches différentes pour décrire le couplage hydromécanique des géomatériaux. Dans une approche de type phénoménologique nous traitons le milieu poreux comme un milieu continu équivalent dont les interactions entre la phase fluide et le squelette solide constituent le couplage du mélange à l'échelle macroscopique. En caractérisant le comportement de chaque phase nous arrivons à décrire le comportement couplé du milieu couplé saturé.Nous utilisons cette approche pour modéliser des essais expérimentaux faits sur un cylindre creux pour une roche argileuse (argile de Boom). Les résultats expérimentaux montrent de façon claire que le comportement de cette roche est fortement anisotrope. Nous avons choisi de modéliser ces essais en utilisant une lois de comportement élasto-plastique pour laquelle la partie élastique est transversalement isotrope.Le problème aux conditions aux limites étudié met en évidence des déformations localisées autour du forage intérieur. Afin de décrire de façon objective le développement de ces bandes de cisaillement nous avons considéré un milieu continu local de type second gradient qui permet d'introduire une longueur interne. De ce fait nous avons pu étudier le problème d'unicité en montrant qu'un changement de la discrétisation temporelle du problème aux limites peut conduire à des solutions différentes.Dans la deuxième approche étudiée nous caractérisons la microstructure du matériau avec des grains et un réseau de canaux pour la phase fluide. À l'aide d'un processus numérique d'homogénéisation nous arrivons à calculer numériquement la contrainte du mélange et le flux massique. Cette méthode d'homogénéisation numérique a été implémentée dans un code aux éléments finis afin d'obtenir des résultats macro. Une validation de l'implentation est proposée pour des calculs en mecanique pure et en hydromécanique.

La plupart des ruptures des structures géotechniques sont associées aux phénomènes de localisation des déformations, qui s'accompagnent toujours d'un adoucissement de la résistance. De nombreuses observations expérimentales montrent que d’importants réarrangements et rotations de particules se produisent à l'intérieur des bandes de cisaillement. Cette thèse vise à étudier numériquement les phénomènes de localisation des déformations dans les matériaux granulaires. Considérant les problèmes de dépendance au maillage dans l'analyse par éléments finis dans le cadre de la modélisation continue classique, un modèle de sable basé sur l' état critique a été formulé dans le cadre de la théorie micropolaire. Un code d'éléments finis pour les problèmes bidimensionnels a été développé dans ce cadre. Ensuite, les simulations d'essais bi-axiaux ont permis d’étudier en profondeur les caractéristiques des bandes de cisaillement en termes d'apparition,d'épaisseur, d'orientation, etc. Dans le même temps, l'efficacité de l'approche micropolaire, en tant que technique de régularisation, a été discutée. L'analyse de l'instabilité dans un continuum micropolaire basé sur le travail du second-ordre a également été effectuée. Enfin,pour une application plus large dans la simulation des défaillances en ingénierie géotechnique, le modèle 2D a été étendu à un modèle 3D. Sur la base de l'étude, les modèles 2D et 3D ont démontré leurs capacités de régularisation pour éviter les problèmes de dépendance au maillage et reproduire raisonnablement les bandes de cisaillement dans les géostructures. / Most of the progressive failures of geotechnical structures are associated with the strain localization phenomenon, which is generally accompanied by strength softening. Many experimental observationsshow that significant rear rangements and rotations of particles occur inside the shear bands. The aim of this thesis is to investigate numerically the strain localization phenomena of granular materials. Considering the mesh dependency problems in finite element analysis caused by strains oftening within the classical continuum framework, a sand model based on critical-state has been formulated within the framework of the micropolar theory, taking into account the micro rotations, and implemented into a finite element code for two dimensional problems. Then, the simulations of the shearband in biaxial tests are comprehensively studied in terms of onset, thickness, orientation, etc. At the same time, the efficiency of the micropolar approach, as a regularization technique, is discussed. This is followed by an instability analysis using the second-order work based on the micropolar continuum theory. Finally, for a wider application in simulating failures in geotechnical engineering, the 2D model has been extended to 3D model. Based on the entire study, both the 2D and 3Dmodel demonstrate obvious regularization ability to relieve the mesh dependency problems and to reproduce reasonably the shear bands in geostructures.

La localisation des déformations sous forme de bandes de cisaillement dans des roches tendres et des sols indurés est étudiée par une approche expérimentale et théorique :<br /><br />L'étude expérimentale porte sur trois matériaux de caractéristiques différentes : un grès des Vosges, une siltite du Gard et une marne tendre de Beaucaire. On décrit d'abord la mise en opération d'une cellule triaxiale à haute pression et le développement d'une instrumentation de mesure des déformations. On présente ensuite une campagne d'essai sur un grès des Vosges jusqu'à des confinements de 60 MPa. L'étude concerne le comportement homogène de la roche sur des chemins de compression, extension et isotropes, la détection de la localisation, la caractérisation des structures localisées par une observation macroscopique, des mesures tomodensitométriques et une analyse microstructurale quantitative. Sur une siltite du Gard, plus raide que le grès, une étude de l'évolution de la fracturation de l'initiation jusqu'à la ruine de l'éprouvette est menée en utilisant la stéréophotogrammétrie de faux relief. Pour la marne de Beaucaire, le comportement normalement consolidé est exploré en réalisant des mesures de perméabilité au cours de la déformation, en régime isotrope ou déviatoire.<br /><br />L'étude théorique présente la nouvelle loi CloE Roche développée spécifiquement pour les roches tendres à partir du modèle de lois incrémentales non-linéaires hypoplastiques CloE. Elle prend en compte une dépendance du comportement en volume vis-à-vis de la contrainte moyenne. L'identification de la loi est réalisée sur le grès des Vosges. Une analyse paramétrique d'un critère explicite de bifurcation en mode localisé prévoyant le moment d'apparition et l'inclinaison des bandes de cisaillement est réalisée pour obtenir un calage des résultats théoriques de bifurcation sur les expériences. Cette démarche illustre l'esprit de la loi, qui considère les observations de localisation comme un élément de calage de ses paramètres.

Nous présentons deux approches différentes pour décrire le couplage hydromécanique des géomatériaux. Dans une approche de type phénoménologique nous traitons le milieu poreux comme un milieu continu équivalent dont les interactions entre la phase fluide et le squelette solide constituent le couplage du mélange à l'échelle macroscopique. En caractérisant le comportement de chaque phase nous arrivons à décrire le comportement couplé du milieu couplé saturé.Nous utilisons cette approche pour modéliser des essais expérimentaux faits sur un cylindre creux pour une roche argileuse (argile de Boom). Les résultats expérimentaux montrent de façon claire que le comportement de cette roche est fortement anisotrope. Nous avons choisi de modéliser ces essais en utilisant une lois de comportement élasto-plastique pour laquelle la partie élastique est transversalement isotrope.Le problème aux conditions aux limites étudié met en évidence des déformations localisées autour du forage intérieur. Afin de décrire de façon objective le développement de ces bandes de cisaillement nous avons considéré un milieu continu local de type second gradient qui permet d'introduire une longueur interne. De ce fait nous avons pu étudier le problème d'unicité en montrant qu'un changement de la discrétisation temporelle du problème aux limites peut conduire à des solutions différentes.Dans la deuxième approche étudiée nous caractérisons la microstructure du matériau avec des grains et un réseau de canaux pour la phase fluide. À l'aide d'un processus numérique d'homogénéisation nous arrivons à calculer numériquement la contrainte du mélange et le flux massique. Cette méthode d'homogénéisation numérique a été implémentée dans un code aux éléments finis afin d'obtenir des résultats macro. Une validation de l'implentation est proposée pour des calculs en mecanique pure et en hydromécanique. / We present two different approaches to describe the hydromechanical behaviour of geomaterials. In the first approach the porous media is studied through an equivalent continuum media where the interaction between the fluide and solid phases caracterize the coupling behaviour at the macroscale.We take into account this approach to model experimental tests performed over a hollow cylinder sample of clay rock (Boom Clay), considered for nuclear waste storage. The experimental results clearly show that the mechanical behaviour of the material is strongly anisotropic. For this reason we chose an elasto-plastic model based on Drucker-Prager criterion where the elastic part is characterized by cross anisotropy.The numerical results of boundary value problem clearly show localised strains around the inner hollow section. In order to regularize the numerical problem we consider a second gradient local continuum media with an enriched kinematic where an internal lenght can be introduced making the results mesh independent. The uniqueness study is carried out showing that changing the temporal discretization of the problem leads to different solutions.In the second approach we study the hydromechanical behaviour of a porous media that it is characterised by the microstructure of the material. The microstructure taken into account is composed by elastic grains, cohesives interfaces and a network of fluid channels. Using a periodic media a numerical homogenization (square finite element method) is considered to compute mass flux, stress and density of the mixture. In this way a pure numerical constitutive law is built from the microstructure of the media. This method has been implemented into a finite element code (Lagamine, Université de Liège) to obtain results at the macroscale. A validation of this implementation is performed for a pure mechanical boundary value problem and for a hydromechanical one.