Cette thèse étudie les instabilités dynamiques des milieux granulaires modèles saturés à l’aide d’un appareil triaxial classique. Les instabilités englobent la liquéfaction et les effondrements en compression isotrope drainée, les frottements saccadés en compression triaxiale drainée. Ces instabilités apparaissent spontanément à des contraintes effectives de confinement imprévisibles. Elles sont accompagnées de très rapides et très fortes surpressions interstitielles, malgré un drainage approprié; ce que ne présentent pas les milieux granulaires naturels. En compression isotrope drainée (consolidation), des effondrements locaux naissent instantanément. En compression triaxiale drainée, on observe de larges frottements saccadés quasi-périodiques caractérisés par des déformations volumiques et axiales contractantes. De temps en temps, ces effondrements et frottements saccadés locaux peuvent se développer en liquéfaction menant à une destruction complète de la structure granulaire. Les données à haute résolution temporelle issues de ce travail ont permis la découverte d’une nouvelle famille de liquéfaction dynamique et statique. L’étude des émissions acoustiques passives a permis l’identification de signature spectrale caractéristique. Pour les frottements saccadés, la phase de glissement peut être interprétée comme une consolidation dynamique, limitée par l’unique surface en dessous de la ligne critique de rupture dans le plan des contraintes effectives. La séquence temporelle précise des événements exclut que la pression interstitielle soit la cause principale des instabilités. Cependant, le rôle important de la surpression interstitielle est démontré dans des relations quantitatives entre les incréments de contraintes, et de déformations et l’éphémère surpression interstitielle stabilisée développée pendant la phase de glissement. Cela montre finalement la nature quasi-déterministique de ces instabilités dynamiques. Ces relations empiriques sont basées uniquement sur l’amplitude maximale de l’accélération verticale de très courte durée et sont gouvernées indépendamment par la pression de confinement et par l’indice des vides. La similarité de la surpression interstitielle entre différentes instabilités suggère fortement quelques mécanismes similaires de déclenchement, probablement à partir de ré-arrangements de la micro-structure granulaire. / This thesis reports a laboratory study on the dynamic instabilities of model saturated granular material using a triaxial apparatus. The term instability consists of isotropic collapse and liquefaction under isotropic compression and of stick-slip under triaxial compression in drained condition. The instabilities spontaneously occur at unpredictable effective stress with unexpected buildup of excess pore pressure irrespective of fully drained condition, contrasting with the instability-free behaviour of natural granular materials. In isotropic compression, instantaneous local collapse happens and in triaxial compression, very large and quasi-periodic stick-slip occurs with sudden volumetric compaction and axial contraction. Sometimes, these local failures (collapse and stick-slip) can develop into total liquefaction failure, destroying completely the granular structure. High time-resolved data permit the discovery of a new family of dynamic and static liquefaction. Passive acoustic measurements allow the identification of typical spectral signature. For stick-slip phenomenon, the slip phase with constant duration of stress drop can be interpreted as dynamic consolidation at constant deviatoric stress, limited by a unique boundary inside the critical state line in the effective stress plane. The precise temporal sequence of mechanical measurements excludes the generated pore pressure as the main cause of the instabilities. However, the role of pore pressure is emphasised by consistent quantitative relations between the amplitude of incremental stresses, incremental strains and the ephemeral stabilised excess pore pressure developed during the dynamic event, leading to the quasi-deterministic nature of granular instabilities. These empirical relations are based only on the short-lived maximum vertical acceleration and governed separately by the confining pressure and the initial void ratio. The similarity of pore pressure evolution for different kinds of instability strongly suggests some common speculative triggering mechanisms, probably originated from different rearrangements of the granular micro-structure.

Le projet de tunnel de base Maurienne-Arnbin, qui traversera les Alpes sur plus de 50 km de longueur et sous un 'recouvrement de terrain atteignant au maximum 2500 m, pose le problème de la prévision des états de contraintes naturelles dans les massifs rocheux ; le comportement du rocher pendant l'excavation aussi bien que la stabilité de l'ouvrage en dépendent. Pour étudier cette question complexe, nous avons eu recours à plusieurs approches complémentaires. Il s'agit tout d'abord d'une étude en laboratoire du comportement mécanique du gneiss d'Ambin, visant en particulier à quantifier précisément son anisotropie élastique ; c'est dans cette roche que le recouvrement sera maximal, et donc la prévision de contraintes particulièrement importante. Nous avons ensuite interprété une série de mesures de contraintes in-situ réalisées dans quinze forages de reconnaissance à la cote du futur tunnel, essentiellement par la méthode des tests hydrauliques sur fractures préexistantes (méthode HTPF). Nous avons enfin évalué, avec l'aide de la modélisation numérique, le poids relatif des différents paramètres influant sur l'état de contraintes naturel : la topographie, l'anisotropie élastique des roches et la tectonique. Il ressort de cette étude que dans le secteur concerné par le tunnel Maurienne-Arnbin, la tectonique combinée à la topographie semble être le facteur prédominant, qui explique une bonne partie des observations de terrain. L'anisotropie des roches comme le gneiss d'Arnbin, dont le rapport des modules élastiques est proche de 1.5 , n'est qu'un paramètre de second ordre, mais il influe tout de même sur les valeurs et les orientations des contraintes principales.

On s'intéresse dans ce travail à l'applicabilité de la sollicitation pressiométrique à l'évaluation des caractéristiques de liquéfaction des sables. Apres une étude bibliographique consacrée au comportement mécanique des sables et aux méthodes actuelles d'évaluation du risque de liquéfaction de massifs sableux, on présente dans un deuxième chapitre les résultats d'un programme expérimental réalisé à l'appareil triaxial pour préciser les caractéristiques de liquéfaction et de mobilité cyclique d'un sable de référence, le sable d'Hostun RF. Dans un troisième chapitre, on présente les résultats d'une étude réalisée au cylindre épais, destinée à simuler un essai d'expansion de cavité cylindrique représentative de la sollicitation pressiométrique, sous chargement monotone et cyclique, en vue de mettre en évidence l'influence de paramètre de base sur la réponse observée. Le quatrième chapitre est consacré à la mise en oeuvre d'une chambre d'étalonnage et à la réalisation d'essais au mini pressiomètre pour valider les essais au cylindre épais. A partir des résultats des chapitres précédents, on propose dans le cinquième chapitre deux méthodes d'utilisation des résultats d'essais d'expansion de cavité pour l'évaluation des caractéristiques de liquéfaction d'un sable, l'une basée sur l'utilisation des essais d'expansion monotone, et l'autre basée sur l'utilisation des essais d'expansion cyclique.

Lors de la sollicitation mécanique des roches, la propagation de fissures provoque l'émission d'une onde acoustique (EA) ainsi qu'une modification des propriétés élastiques du matériau. L'EA est donc un moyen direct pour étudier l'évolution de l'endommagement, depuis le stade diffus jusqu'à celui où il se localise pour former une discontinuité macroscopique. L'EA est également considérée comme un modèle à petite échelle de la sismicité induite par les travaux souterrains ou de celle de la croûte terrestre. En effet, on observe à ces différentes échelles des distributions en loi puissance (exposant b) qui indiquent une invariance d'échelle.<br />La première partie de ce travail est consacrée à une étude expérimentale de l'EA du granite du Sidobre en compression triaxiale. Nous montrons que l'EA est liée à un comportement macroscopique non linéaire et peut être utilisée comme un estimateur de l'endommagement. L'augmentation de la pression de confinement rend le comportement mécanique plus ductile et fait diminuer l'exposant b.<br />Nous proposons, dans la deuxième partie, un modèle numérique basé sur l'endommagement élastique et sur la méthode des éléments finis. Ce modèle permet de simuler les principales observations concernant l'EA et le comportement des roches. En particulier, il permet de simuler un comportement macroscopique allant du fragile avec un endommagement localisé au ductile avec un endommagement diffus avec un seul paramètre de contrôle : l'angle de frottement interne. En utilisant des valeurs expérimentales de ce paramètre, nous parvenons à simuler les transitions fragile-ductile et localisé-diffus observées lorsque la pression de confinement augmente.<br />La troisième partie concerne l'étude de la sismicité induite dans une mine. Le caractère critique de la distribution de la taille des séismes est proposé comme un critère de surveillance du risque sismique. La relation entre l'exposant b et la dimension de corrélation spatiale des sources sismiques est étudiée.

Les déformations élastoplastiques (instantanées) et les mécanismes d'endommagement du sel gemme sont abordés par une étude expérimentale et théorique. Une étude bibliographique présente les mécanismes de déformation du sel gemme, et permet de dégager les différents facteurs physiques régissant le caractère ductile ou fragile du comportement du sel gemme. On situe ainsi le sel gemme par rapport aux autres géomatériaux du point de vue des propriétés mécaniques. On présente également différentes méthodes d'identification de l'endommagement des géomatériaux. Des essais de compression et d'extension axisymétriques sont présentés. La déformation volumique globale est mesurée au cours du chargement déviatorique. Cette mesure est un indicateur d'endommagement et permet en particulier d'identifier les conditions d'initiation de l'endommagement. Le chargement hydrostatique et les phases déviatoriques renseignent sur la rhéologie du matériau et sur la détérioration du sel gemme consécutive au chargement déviatorique. Les variations des paramètres élastiques sont décrites mais, étant de faible amplitude, elles ne sont pas prises en compte dans l'écriture de la loi de comportement. Une analyse des contraintes internes par le truchement d'un modèle micro-macro autocohérent permet d'éclairer les causes de la précocité de l'endommagement en extension. L'usage d'un tel modèle permet aussi de discuter la nature de l'écrouissage. A l'échelle macroscopique, un modèle de comportement élastoplastique est proposé. Il suit un écrouissage isotrope, l'écoulement est non-associé, et sa détermination s'appuie sur l'analyse de l'évolution de l'angle de dilatance en fonction de la contrainte moyenne et du paramètre d'écrouissage (la distorsion plastique). Une généralisation à l'espace tridimensionnel des contraintes (en faisant intervenir trois invariants du tenseur des contraintes) est développé et permet de présenter un résultat de calcul de creusement de galerie axisymétrique.

Le sujet de la thèse est l'étude de la dégradation des caractéristiques élastiques d'une roche fragile induite par le chargement. En particulier on s'intéresse à l'anisotropie induite et à son influence sur le caractère fragile de la rupture. L'étude présente le développement d'un modèle de comportement approprié à ce phénomène, une étude expérimentale pour l'étalonnage et la validation du modèle et enfin une application à un problème aux limites particulier représentant l'étude de la rupture d'un cylindre creux et d'une excavation souterraine profonde. Le cadre théorique utilisé est celui de la mécanique de l'endommagement continu. Le modèle développé est caractérisé par un tenseur de vitesse d'endommagement anisotrope d'ordre deux. Les lois d'évolution des trois composantes du tenseur d'endommagement sont obtenues expérimentalement à partir d'essais de compression triaxiale. Les essais ont été réalisés sur deux roches d'origine sédimentaire : une calcarénite italienne, la pietra leccese, et un grès français, le grès de Rothbach. L'influence des conditions de réalisation des essais (élancement des échantillons, frettage ou lubrification des bases des échantillons) a été étudiée. Nous avons simulé le comportement d'un cylindre creux et d'une cavité cylindrique soumise à un état de contraintes isotrope à l'infini. Les résultats de cette simulation numérique ont montré que plus l'anisotropie induite est forte, plus le comportement de la roche est fragile et plus élevé est le nombre de stabilité.