La technique de changement d’échelles a été largement développée dans la littérature pour décrire le comportement global des milieux granulaires en prenant en compte leurs propriétés locales. Cette technique considère classiquement deux échelles : l’échelle macroscopique du volume élémentaire représentatif et l’échelle microscopique du contact entre particules. Le défi majeur de ce changement d’échelles "micro-macro" réside dans la définition de la déformation macroscopique : en effet, si la contrainte macroscopique peut être clairement définie à partir des forces de contact, il a été montré qu’il n’était pas approprié de déduire la déformation macroscopique à partir de la cinématique aux contacts. Dans ce cadre, ce travail propose d’introduire une troisième échelle dite mésoscopique. Cette échelle, à laquelle peuvent être définies à la fois contrainte et déformation, est intermédiaire entre les échelles microscopique et macroscopique et permet de palier au défi majeur mentionné ci-dessus. Elle est définie au niveau d’arrangements locaux de particules, appelés sous-domaines, et sa pertinence est étudiée sur la base d’échantillons numériques composés de particules circulaires puis sphériques, simulés par la méthode des éléments discrets. Les milieux bidimensionnels sont géométriquement représentés par un graphe de particules composé de sous-domaines fermés, encore appelés cellules de vide, dont la frontière est constituée de branches connectant les centres de particules en contact : l’échelle mésoscopique est donc définie au niveau de ces cellules de vide fermées. A cette échelle locale, on décrit tout d’abord la structure du milieu en termes de densité et de texture puis l’on définit les variables statique et cinématique locales du milieu en termes de contrainte et déformation. De fortes hétérogénéités des milieux granulaires en termes de structure, déformation et contrainte sont mises en évidence à l’échelle mésoscopique, avec de plus une structuration des hétérogénéités de contraintes et de déformations et une forte corrélation entre ces deux quantités. Concernant les milieux tridimensionnels, une partition en cellules de vide fermées est impossible du fait de la complexité de la structure 3D de ces milieux. On propose donc une méthode de partition du milieu basée sur la distribution des vides en son sein. La méthode consiste en premier lieu en une subdivision du milieu en tétraèdres, par une partition de Delaunay, puis en une association de tétraèdres voisins selon un critère prédéfini en vue de la création de sous-domaines, non fermés, mais au rôle analogue aux sous-domaines fermés de l’étude 2D. Le critère d’association proposé est basé sur le rapport entre la taille des constrictions (vide sur chaque face des tétraèdres) et la taille des pores au voisinage de chaque constriction. Cette méthode d’association constitue donc l’étape préliminaire à l’extension au cas tridimensionnel des résultats obtenus dans le cas bidimensionnel. / The technique of change of scales has been extensively developed in the literature to describe the global behaviour of granular materials taking into account their local properties. This method usually considers two scales : the macroscopic scale at the level of representative elementary volume and the microscopic scale at the level of contact between particles. The major difficulty of this "micro-macro" change of scales lies in the definition of the macroscopic strain : indeed, the macroscopic stress is clearly defined from contact forces while it is not appropriate to derive the macroscopic strain from the kinematics at contacts. In this framework, this work proposes to introduce a third scale called mesoscopic scale. This scale, at which both stress and strain can be defined, is intermediate between macroscopic and microscopic scales and allows to overcome the major difficulty mentioned above. The mesoscopic scale is defined at the level of local arrangements of particles, called sub-domains, and its relevance is studied on numerical 2D and 3D materials composed of circular then spherical particles, simulated with the discrete element method. Bidimensional media are geometrically represented by a particle graph composed of closed sub-domains, also called void cells, whose border is constituted by the branches joining the centers of particles in contact : the mesoscopic scale is thus defined at the level of these closed void cells. At this local scale, we fist describe the structure of the medium in terms of density and fabric ; we define then the static and kinematic variables in terms of stress and of strain. Strong heterogeneities of granular media in terms of structure, stress and strain are highlighted at this scale, with a structuration of heterogeneities of stress and strain and a significant correlation between these two quantities. Concerning tridimensional media, a partition into closed void cells is impossible, because of the complexity of the 3D structure of these media. We propose a partition method based on the distribution of voids inside the medium. This method consists first in subdividing the medium into tetrahedrons by a Delaunay partition and then in associating neighbouring tetrahedrons, according to a criterion to be defined. This allows us to form sub-domains which are not closed but which play a role analogous to the role of closed sub-domains in the 2D study. The proposed association criterion is based on the ratio between the size of constriction (void on each face of tetrahedrons) and the size of pores around each constriction. This partition method constitutes a preliminary step for an extension of the results obtained in the bidimensional case to the tridimensional case.

Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à l'application des méthodes de changement d'échelles pour la modélisation et le calcul des ouvrages construits en milieux rocheux fracturés. Après avoir présenté les deux approches usuellement adoptées, l'approche discontinue et l'approche continue, et leurs limites en termes de pertinence, dans une première partie essentiellement bibliographique (chap.1), nous avons formulé à partir des hypothèses sur les caractéristiques géométriques et mécaniques des deux constituants (matrice et joints), le comportement macroscopique en élasto plasticité du milieu homogénéisé aussi bien dans le cas périodique que dans le cas des milieux aléatoirement hétérogènes (chap.2). Les deux traits importants de ce comportement sont l'absence d'écruissage et l'absence de terme rendant compte de l'interaction entre les joints se coupant. Afin de valider le code d'éléments finis en déplacement que nous avons mis au point (chap.4), nous avons construit une solution analytique (convergence du tunnel circulaire) pour servir de référence (chap.3). Pour terminer, nous avons procédé à l'application du code numérique construit sur deux problèmes typiques de la Mécanique des Roches (chap.5).

La technique de changement d'échelles a été largement développée dans la littérature pour décrire le comportement global des milieux granulaires en prenant en compte leurs propriétés locales. Cette technique considère classiquement deux échelles : l'échelle macroscopique du volume élémentaire représentatif et l'échelle microscopique du contact entre particules. Le défi majeur de ce changement d'échelles "micro-macro" réside dans la définition de la déformation macroscopique : en effet, si la contrainte macroscopique peut être clairement définie à partir des forces de contact, il a été montré qu'il n'était pas approprié de déduire la déformation macroscopique à partir de la cinématique aux contacts. Dans ce cadre, ce travail propose d'introduire une troisième échelle dite mésoscopique. Cette échelle, à laquelle peuvent être définies à la fois contrainte et déformation, est intermédiaire entre les échelles microscopique et macroscopique et permet de palier au défi majeur mentionné ci-dessus. Elle est définie au niveau d'arrangements locaux de particules, appelés sous-domaines, et sa pertinence est étudiée sur la base d'échantillons numériques composés de particules circulaires puis sphériques, simulés par la méthode des éléments discrets. Les milieux bidimensionnels sont géométriquement représentés par un graphe de particules composé de sous-domaines fermés, encore appelés cellules de vide, dont la frontière est constituée de branches connectant les centres de particules en contact : l'échelle mésoscopique est donc définie au niveau de ces cellules de vide fermées. A cette échelle locale, on décrit tout d'abord la structure du milieu en termes de densité et de texture puis l'on définit les variables statique et cinématique locales du milieu en termes de contrainte et déformation. De fortes hétérogénéités des milieux granulaires en termes de structure, déformation et contrainte sont mises en évidence à l'échelle mésoscopique, avec de plus une structuration des hétérogénéités de contraintes et de déformations et une forte corrélation entre ces deux quantités. Concernant les milieux tridimensionnels, une partition en cellules de vide fermées est impossible du fait de la complexité de la structure 3D de ces milieux. On propose donc une méthode de partition du milieu basée sur la distribution des vides en son sein. La méthode consiste en premier lieu en une subdivision du milieu en tétraèdres, par une partition de Delaunay, puis en une association de tétraèdres voisins selon un critère prédéfini en vue de la création de sous-domaines, non fermés, mais au rôle analogue aux sous-domaines fermés de l'étude 2D. Le critère d'association proposé est basé sur le rapport entre la taille des constrictions (vide sur chaque face des tétraèdres) et la taille des pores au voisinage de chaque constriction. Cette méthode d'association constitue donc l'étape préliminaire à l'extension au cas tridimensionnel des résultats obtenus dans le cas bidimensionnel.

Ce travail de recherche vise à appréhender les effets engendrés à terme sur la gestion urbaine de l'eau par le développement progressif de la pratique de récupération et d'utilisation de l'eau de pluie (RUEP), et plus particulièrement sur l'alimentation en eau potable. Il est réalisé de manière prospective à l'échelle de l'agglomération parisienne. Plus largement, cette recherche constitue une contribution au débat ouvert depuis quelques années relatif à la remise en question progressive du modèle centralisé de gestion de l'eau en milieu urbain. Après une description de la pratique urbaine de REUP, ce travail établit un état de l'art des outils et des méthodes scientifiques s'y rapportant, et suggère de se focaliser sur le développement d'une approche de changement d'échelles. L'objectif est de produire, à une échelle urbaine, une estimation significative des économies d'eau potable réalisables en substituant à celle-ci de l'eau de pluie récupérée pour des usages ne requérant pas une qualité d'eau alimentaire. Pour ce faire, nous proposons une approche basée sur l'évaluation séquentielle à l'aide d'une échelle intermédiaire (la commune), d'une logique de regroupement de bâtiments aux caractéristiques comparables au regard de la RUEP et de quatre principes (distinction, agrégation, majoration, hiérarchisation).Sur l'agglomération de Paris, la méthodologie mise en œuvre montre que l'eau de pluie récupérée est susceptible de représenter un potentiel équivalent à 65% des besoins en eau non potable et à 11% du volume d'eau potable distribué. Le travail met également en évidence que le secteur résidentiel constitue le gisement principal de ce potentiel, car il détient 2/3 du potentiel global de l'agglomération. Une première analyse du système d'acteurs impliqués dans la RUEP en milieu urbain complète ce travail. Cette analyse permet de dégager un sous ensemble particulier d'acteurs qui ont la capacité d'effectuer une action " levier " sur la diffusion de cette pratique sur une échelle urbaine, soit directement en raison de leur capacité d'action collective (un ensemble de bâtiments par exemple), soit indirectement au travers de leur capacité d'influencer sur les propriétaires des bâtiments (mécanismes d'incitation notamment).Au final, ce travail permet de situer la RUEP en milieu urbain au sein du débat général portant sur les mutations que connaît la ville d'aujourd'hui