La nature complexe de l'argile a amené les chercheurs à s’intéresser à ses comportements mécaniques et microstructure. L'objectif de cette recherche est d'étudier l'influence des chemins de contrainte triaxiaux sur le comportement mécanique et sur les mécanismes qui se produisent au niveau microstructural. L’étude est réalisée en considérant à un niveau de contrainte donné, le phénomène de dilatance est approché suivant des chemins de contraintes différents. Dans un deuxième temps, l’étude se porte sur l’influence de la succion sur le comportement. Pour les argiles remaniées saturées, le comportement dilatant à un niveau de contrainte donné, atteint par deux chemins de contrainte différents a été finement analysé. L’influence du niveau de contrainte a été également abordée dans le cadre de cette étude. L’analyse microstructurale a été analysée à différentes échelles au moyen de différentes méthodes. Au niveau macroscopique, les résultats ont montré que, pour un niveau de contrainte donné, le comportement volumétrique est fonction du chemin de contrainte. La dilatance est activée dans le cas d’argiles surconsolidées principalement lorsque le chargement est purement déviatorique. Au niveau microscopique, les résultats mettent en évidence cinq modes d’orientation des particules qui pourraient être activés sous chargement triaxial. Les résultats révèlent que l’apparition de la dilatance dans les argiles remaniées fortement surconsolidées peut être attribuée à l'arrangement tortueux des particules d'argile, l'ouverture des micropores ainsi que la formation et l’ouverture de fissures mésoscopiques. Pour les argiles remaniées non saturées, les études sont réalisés par les essais macroscopiques et mésoscopiques sur l'argile Kaolin K13 et un mélange kaolinite-montmorillonite. L’évolution des succions a été mesurée au moyen d’hygromètres placés dans les extrémités supérieure et inférieure d’échantillon. Les résultats démontrent que la contrainte déviatorique d’argile non saturée, lorsque la succion est forte, commence par augmenter jusqu'à un sommet puis diminue pour rejoindre une valeur résiduelle. La résistance au cisaillement d’argile non saturée augmente généralement avec la contrainte moyenne et la succion. Cependant, dans nos essais à succion très élevée le développement d’une fissuration lors du séchage a conduit à perdre l’homogénéité du matériau et à réduire la résistance au cisaillement de l’éprouvette / The complex nature of clay has aroused great interest of researchers in its mechanical behaviour and microstructure. The objective of this research is to examine the influence of triaxial stress paths on the mechanical behaviour of remoulded clay and the mechanisms that occur at the microstructural level. The dilatancy phenomenon is particularly investigated considering a given stress level reached by following different stress paths. In the second part, this research focuses on the influence of suctions on the mechanical behaviour. For the saturated remoulded clay, the dilative behaviour at a given stress level, reached by following two different stress paths was analysed in detail. The influence of stress levels was also examined in this research. The microstructural analysis was conducted at different scales by means of different methods. The macroscopic results of saturated clay show that, at a given stress level, the volumetric behaviour greatly depends on the stress path. In the case of overconsolidated clay, the dilatancy is activated especially when triaxial shearing is performed following the purely deviatoric stress path. At the microscopic level, the results highlight five modes of particle orientation that could be activated under triaxial loading. The results also reveal that the appearance of dilatancy phenomenon in highly overconsolidated remoulded clay may be attributed to the tortuous arrangement of clay particles, the opening of micropores, and the formation and opening of mesocracks. For the unsaturated remoulded clay, the studies were performed through many macroscopic and mesoscopic tests on Kaolin K13 clay and a kaolinite-montmorillonite mixture. The evolution of suctions was measured using hygrometers placed near the upper and lower ends of clay specimens. The results show that, at a high suction level, the deviatoric stress of unsaturated clay increases to a peak and then decreases down to a residual value. The shear strength of unsaturated clay generally increases with increasing mean stress and suction. However, in the high suction tests, the development of cracks during drying led to the inhomogeneity of the specimens and thus resulted in relatively small shear strengths

Ce travail présente une caractérisation expérimentale de la localisation de la déformation et la rupture sur un matériau synthétique analogue de la roche dans différentes conditions de chargement axisymétrique. L’évolution de la localisation de la déformation a été caractérisée par la technique de corrélation d’images bidimensionnelle. Deux gammes d’essais en compression et en extension ont été réalisées à différentes pressions de confinement Pc. Profitant de la technique DIC et de la caractérisation détaillée des propriétés constitutives de GRAM1 par Mas et Chemenda (2014; 2015), nous montrons que l'initiation de la localisation des bandes de déformation est précédée par la déformation élastique uniforme puis la déformation élasto-plastique. La localisation de la déformation est initiée dans le régime de dilatance (la dilatance β est positive) et d’adoucissement (le module d’écrouissage h est négatif). Au cours de l'évolution du chargement, la déformation à l'intérieur de la bande de localisation de la déformation devient compactive (β <0) et est accompagnée par un durcissement du matériau (h> 0). Ceci provoque dans un premier temps l’élargissement de la bande puis l’apparition de nouvelles bandes qui se forment successivement. La formation de ces nouvelles bandes provoque un ralentissement de la déformation dans les bandes préexistantes, ce qui densifie progressivement le réseau. Dans les essais en extension axisymétrique, les fractures se forment perpendiculaires à la contrainte principale mineure σ3 sous un état de contrainte extensif à faible Pc puis compressif quand Pc augmente. Nos résultats présentent une transition continue de la fracture extensive à la fracture cisaillante avec une augmentation de la contrainte compressive. Ceci est en accord avec les résultats obtenus pour les essais en extension réalisées sur des roches naturelles (Ramsey et Chester, 2004 ; Bobich 2005) / This work presents an experimental characterization of the strain localization and the rupture on a granular rock analogue material under different conditions of axisymmetric loading. The evolution of the strain localization was characterized by the two-dimensional image correlation technique. Two series of triaxial compression and extension tests were carried out at different confining pressure Pc. Taking advantage of the DIC technique and detailed characterization of GRAM1’s constitutive properties by Mas and Chemenda (2014, 2015), we show that the initiation of deformation localization bands is preceded by the uniform elastic and then elasto-plastic deformation. The strain localization is initiated in the dilatant regime (positive dilatancy factor β) and strain-softening (negative hardening modulus h). During the band evolution, the deformation within it becomes compactive (β<0) and is accompanied by the material hardening (h>0), which causes the band to widen and new bands to form successively. The formation of new bands causes a slowing down the deformation within the prior bands, which makes the progressively densified band network to continuously evolve. In axisymmetric extension tests, the fractures are formed perpendicular to the minor principal stress σ3 in an extensive stress state at low Pc then compressive when Pc increases. Our results show a continuous transition from the extensive fracture to shear fracture with an increase of compressive stress. This is suitable of the results obtained for extension tests performed on natural rocks (Ramsey and Chester, 2004; Bobich, 2005)

Le comportement à long terme des excavations souterraines est un enjeu social et économique majeur, en particulier dans le contexte du stockage en formation géologique profonde de déchets nucléaires à Haute Activité et Vie Longue (HAVL). Plusieurs galeries expérimentales ont été creusées dans le laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne situé près de Bure en France, où des études sont menées pour comprendre le comportement global de la roche constitutive : l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx).L’objectif de cette thèse est d’effectuer une modélisation avec Code_Aster d’ouvrages souterrains, et en particulier d’une des galeries du laboratoire de Meuse/Haute-Marne, en prenant en compte une approche non locale, l’effet du fluage et le couplage hydromécanique dans le cadre de la mécanique des milieux poreux, et de comparer les résultats numériques avec les données expérimentales disponibles.Le modèle élastoviscoplastique spécifiquement utilisé pour cette étude est le modèle L&K : il offre d’une part un couplage entre le comportement instantané et différé, et prend en compte d’autre part la dilatance, paramètre qui gouverne les déformations volumiques du matériau lors d’une sollicitation, et ses fortes variations, caractéristique essentielle des géomatériaux et en particulier du COx. La présence d’un fluide s’écoulant à travers le matériau va ajouter une composante hydraulique à la modélisation, dont le couplage avec la mécanique est assuré par les équations de Biot. Une autre nouveauté de ce travail concerne le couplage entre ce comportement rhéologique complexe et une approche non locale dans un cadre industriel. Parmi les méthodes de régularisation disponibles dans Code_Aster, la méthode second gradient de dilatation a été choisie parce que bien adaptée aux géomatériaux. Son but est de corriger la dépendance au maillage et les solutions numériques localisées.Une fois les outils numériques opérationnels et les paramètres du modèle L&K calés sur des essais effectués en laboratoire sur des échantillons, un bon accord général a été trouvé entre les résultats numériques et les mesures in situ, sans aucun recalage des paramètres. Les effets du temps observés expérimentalement sur l’évolution des déplacements et des pressions d’eau sont retrouvés au sein d’une même modélisation, validant ainsi la démarche prédictive suivie / The long term behaviour of underground excavations is a social and economic stake, in particular in the context of storage in deep geological formation of high activity and long life nuclear waste. Several experimental galleries have been dug in the underground research laboratory (URL) of Meuse/Haute-Marne located close to Bure in France, where studies are leaded in order to understand the global behaviour of the constitutive rock which is the Callovo-Oxfordian (COx) argillite.The purpose of this PhD Thesis is to establish a modelling with Code_Aster of underground excavations, and especially of a Meuse/Haute-Marne laboratory gallery, taking into account non local approach, creep effect and hydromechanical coupling in the framework of the mechanics of porous media, and then to compare numerical results with available experimental data.The specific elastoviscoplastic model used in this study is the L&K model: it offers a coupling between instantaneous and delayed behaviour, and it takes into account the dilation, parameter which governs the volume strains of the material during a solicitation, and its strong variation, a specificity of geomaterials and so of COx argillite. The fluid flowing through the material adds a hydraulic component to the modelling, which is coupled to mechanic component thanks to Biot’s equations.Another novelty of this work concerns the coupling between such complex rheological behaviour and a non local approach in an industrial way. Among methods of regularization available in Code_Aster, the second gradient of dilation is well fitted to geomaterials. Its aim is to correct mesh dependency and numerical localized solutions.After describing numeric tools and setting parameters of the L&K model on laboratory tests, a good general agreement was found between numeric results and in situ measures, without resetting parameters. Time effects experimentally measured on displacement and pore pressure evolution are observed in the same modelling, validating the followed predictive approach

Ce mémoire porte sur l'étude du comportement et de la rupture d'une roche (grès rouge de Wildmoor) de réservoir lors de l'exécution et de la mise en production d'un forage pétrolier. Divers chemins de sollicitations, en conditions axisymétriques (essais de compression uniaxiale et triaxiale et essais d'extension), ont permis de caractériser le comportement mécanique de la roche. Les essais avec cycles de charge-décharge ont permis de quantifier l'endommagement du matériau. La loi de comportement développée tient compte de la dépendance en contraintes des paramètres élastiques du matériau et de l'endommagement. Le comportement plastique de la roche est décrit par un critère de Mohr-Coulomb non-linéaire tenant compte de la dépendance en pression des paramètres plastiques (coefficients de frottement et de dilatance) de la roche. Il comporte une phase d'écrouissage isotrope en frottement, suivie d'une phase de radoucissement cinématique de la cohésion. Ce modèle de comportement est appliqué à l'étude de la localisation des déformations dans le cadre d'une théorie de plasticité non-coaxiale. L'application à l'étude de stabilité d'un forage pétrolier a comporté le développement d'un programme de calcul du champ de contraintes autour d'un puits en cours de creusement et de production. L'étude des conditions d'apparition de différents modes d'instabilités (formation de bandes de cisaillement et instabilité de surface) a mis en évidence l'influence de la dilatance de la roche, de la profondeur du forage et du gradient de pression lors de la mise en production du puits.

L'objectif technique principal auquel répond cette thèse est la mise au point d'une méthode de régularisation, donnant des résultats objectifs par rapport au maillage, pour traiter les problèmes couplés hydromécaniques dans le cas des géomatériaux. La modélisation proposée s'inscrit dans le cadre des milieux à microstructure dilatants et s'inspire, du point de vue numérique, des formulations second gradient. Elle permet de prédire de façon robuste les comportements hydrauliques et mécaniques produits par la dégradation d'un milieu naturel. Le modèle ainsi obtenu, dit second gradient de dilatation, se distingue par le faible nombre de degrés de liberté ajouté dans la discrétisation éléments finis par rapport à celui des milieux continus. L'objectif numérique est de réduire les temps de calcul pour rendre les études à portée industrielle acceptables. On montre son efficacité en réalisant des simulations couplées hydromécaniques d'excavations souterraines. Enfin, on présente un algorithme de recherche de solutions multiples dans la direction des modes singuliers basé sur les principes de la théorie de la bifurcation pour traiter des non-linéarités dues à des comportements irréversibles de matériaux adoucissants. Le cadre de l'analyse de bifurcation proposée se limite au cas des opérateurs symétriques. On montre ainsi, sur des simulations d'essais biaxiaux homogènes et d'excavations souterraines en conditions drainées, que cet algorithme est un outil de calcul efficace et robuste pour détecter plusieurs solutions mais également pour franchir des instabilités numériques liées au mauvais conditionnement des matrices tangentes au voisinage des points singuliers ou à la présence de snap-back.

Ce mémoire de thèse rapporte des résultats sur deux problèmes de la physique des mousses aqueuses tridimensionnelles : le transport de fluide par imbibition capillaire et la rhéologie. Ils sont tous deux traités par une approche physico-chimique et multi-échelles, les mesures en volume étant reliées à des mesures aux interfaces gaz / liquide. Lors de ce travail, les types de tensioactif et de gaz ont été variés de façon à contrôler les propriétés interfaciales. En plus de ces paramètres, l'effet de la fraction volumique de liquide a été étudié.<br />Les caractéristiques de l'imbibition capillaire ont été mesurées par des techniques optiques et électriques au cours de vols paraboliques, permettant de supprimer la composante gravitationnelle du drainage. Les équations théoriques décrivent correctement les résultats expérimentaux en dessous d'une fraction volumique de liquide de 0,12. Au delà, j'ai calculé une nouvelle équation pour tenir compte d'une autre répartition du liquide dans la mousse. Des résultats d'essais techniques liés à l'avancement de programmes ESA / CNES sont également exposés.<br />La rhéologie a été mesurée en modes oscillatoire et continu. Le premier mode permet d'attribuer l'origine de la viscoélasticité des mousses aqueuses à la pression de Laplace, avec une possible correction par l'épaisseur des films. En outre, j'ai développé un modèle basé sur l'analogie de la fraction volumique de liquide à une température. Le second mode, assisté par la DWS (Diffusing-Wave Spectroscopy), permet de relier l'écoulement macroscopique à des réarrangements microscopiques, tout en tenant compte du glissement en paroi. Des phénomènes de dilatance ont été mis en évidence pour la première fois dans les mousses. Ils conduisent à des écoulements de la phase liquide, qui semblent être contrôlés, à première vue, par les mêmes paramètres que les écoulements de drainage.

La production des boues résiduaires au niveau de l’Union Européenne ne cesse d’augmenter et devient un défi sociétal majeur. Pour réduire les volumes et faciliter la réutilisation de la matière organique, le séchage thermique est l’une des opérations les plus couramment mises en œuvre dans les stations d’épuration de grande capacité. Cependant le procédé reste énergivore : maîtriser la facture énergétique implique de contrôler les paramètres opératoires, parmi lesquels le temps de séjour, et donc la vitesse d’écoulement dans le sécheur. Contrôler le temps de séjour implique donc de connaître l’évolution des propriétés rhéologiques des boues au cours du séchage. Or, la littérature scientifique s’est avérée très peu documentée sur la caractérisation rhéologique des boues fortement concentrées, principalement en raison de difficultés techniques rencontrées pour effectuer les mesures telles que les fractures et l’évaporation lorsque les boues sont chauffées. Pour tenir compte de ces phénomènes perturbateurs, nous avons développé deux procédures expérimentales compatibles avec tous les rhéomètres rotatifs conventionnels. La première procédure dont le principe est basé sur la détermination de la surface réellement cisaillée, permet de corriger l’impact des fractures sur une gamme de déformations allant de 0 à 200 %. La deuxième procédure a pour objectif de limiter efficacement l’évaporation de l’eau jusqu’à 80 °C pendant au moins 2 h d’expérience. De plus, au-dessus de la limite de plasticité SiP =43 %, la boue étudiée devient un matériau granulaire-divisé. L’utilisation d’un rhéomètre à poudres, basée sur le principe de Jenike et classiquement utilisé dans les milieux granulaires, a ainsi été validée pour les plus fortes concentrations, notamment par la comparaison avec un rhéomètre classique. Ensuite, l’impact de la concentration sur la nature du comportement rhéologique a été évalué. Nous montrons qu’il existe 4 différents régimes dans la gamme de siccité allant de 2 à 48 %. Pour des siccités inférieures à 6 %, la boue est définie comme une suspension très diluée et son comportement rhéologique est dominé par les forces visqueuses (interactions physico-chimique et/ou hydrodynamique). Lorsque la siccité est dans la gamme 14-43 %, la boue ressemble à un matériau pâteux/plastique dont le comportement est régi par des forces frictionnelles qui se manifestent par l’apparition de la dilatance. Dans la gamme intermédiaire de siccité, 6-14 %, le comportement rhéologique de la boue est gouverné par une compétition entre les forces visqueuses et les forces de frictionnelles. Au delà de 43 %, la boue déshydratée de consistance granulaire se comporte comme une poudre cohésive. Nous démontrons que la relation entre les paramètres de type solide (comme la contrainte seuil) et la siccité peut être modélisée par un modèle composé d’une loi de puissance et d’une loi d’Eilers. La première composante domine dans le régime visqueux, la deuxième dans le régime frictionnel et aucune des deux composantes n’est dominante dans le régime intermédiaire. L'ensemble de ces résultats nous permet de construire un diagramme rhéophysique qui relie le comportement rhéologique de la boue à sa consistance. / In EU, sludge production is increasing every year and is becoming a real challenge for the waste water treatment plants (WWTP). To reduce volumes and facilitate the reuse of organic matter, thermal drying is one of the most commonly used operations in large WWTP. Optimisation of the paddle dryer energy consumption can be obtained by an accurate control of the operating parameters, among which the residence time which is directly connected to the flow velocity in the dryer. Controlling the residence time implies the knowledge of the rheological parameters of sludge for total solid contents (TS) higher than 20 wt.% and their temperature dependency during drying. However, rheological measurements are difficult to perform at high TS as uncontrolled effects such as fractures and evaporation appear. Consequently, the obtained rheological measurements are not fully representative of a controlled state of the sludge.In this work, we show how to correct fractures impact with a well-controlled procedure allowing the exact determination of the surface really sheared in the range of strain 0-200 %, and so, of intrinsic rheological parameters. Moreover, we show how to control the evaporation of water at high temperatures, up to 80 °C, during at least 2 h of rheological measurements. These procedures are suitable for sludge having a pasty/plastic consistency and are compatible with any commercial rotational rheometer. Furthermore, above the plasticity limit TSP=43 wt.%, the studied sludge looks like a divided material that we characterize using a powder rheometer. The use of a powder rheometer, based on the Jenike principle and conventionally used in granular media, has been validated for the highest concentrations, in particular by means of a comparison with a conventional rheometer. Then, based on these procedures, the impact of concentration on the nature of sludge rheological behaviour has been investigated. We show the existence of 4 different regimes in the 2 48 wt.% TS range. Under 6 wt.% TS, the sludge is defined as a diluted suspension and the rheological behaviour is governed by viscous forces (physico-chemical and/or hydrodynamic interactions). When the TS content is higher than 14 but lower than 43 wt.%, the sludge looks like a pasty/plastic material and the behaviour is governed by frictional forces which manifested by the appearance of dilatancy. In the intermediate range of TS, that is 6-14 wt.%, the rheological behaviour is governed by a competition between viscous and frictional forces. Above 43 wt.%, the divided granular-like sludge behaves like a cohesive powder. We demonstrate that the relation between solid-like parameters (such as the yield stress) and the TS content can be modelled using a model combining a power and an Eilers laws. The power law dominates in the viscous regime, the Eilers law in the frictional regime and neither is dominant in the transitional regime. All of these results allowed us to propose a rheophysical scheme that links the rheological behaviour of the sludge to its consistency.

Dans les massifs rocheux fissurés, il est très difficile de réaliser des ouvrages sans avoir fait, au préalable, une étude de sa fracturation et de son comportement mécanique et hydraulique. L'étude d'un massif rocheux fissuré doit comporter les étapes suivantes : - Relevé systématique des discontinuités du massif, - Étude statistique de ses discontinuités pour identifier les différentes familles qui découpent le massif, - Étude du comportement mécanique des discontinuités, - Étude générale de stabilité, - Étude hydraulique. Notre recherche est relative à l'étude générale de stabilité. Les méthodes classiques de calcul de stabilité, basées sur l'analyse des forces en situation d'équilibre limite et ne prenant pas en compte la déformabilité du massif et la répartition des contraintes existantes dans celui-ci, ne donnent pas entière satisfaction. La méthode que nous avons développée est une méthode dite par "éléments distincts". Elle permet de modéliser les massifs rocheux fissurés par un assemblage de blocs définis par le système de discontinuités et de calculer leurs interactions réciproques. L'interaction entre les blocs se transmet à travers leurs contacts (ou joints) suivant les lois de comportement mécanique de ces derniers. On peut exprimer les contraintes au niveau des joints en fonction de leurs rigidités et des déplacements des blocs. La minimisation de l'énergie potentielle totale de la structure étudiée permet de produire un système d'équations où sont exprimés les forces exercées sur le système et les déplacements des blocs par l'intermédiaire d'une matrice de rigidité. Il est souvent nécessaire de considérer des lois de comportement mécanique des joints non-linéaires, ce qui conduit à un système d'équations non-linéaires dont la résolution se fait d'une manière incrémentale itérative. Par cette méthode, on peut alors étudier les déformations causées par la réalisation d'une excavation dans le massif, rendre compte des ruptures locales qui peuvent évoluer suivant des mécanismes de ruptures progressives. Dans cette recherche, nous avons également modélisé les systèmes d'ancrages par boulons ou tirants actifs et par armatures passives scellées dans le massif. Le comportement mécanique des ancrages est considéré comme élasto-plastique avec écrouissage cinématique.

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.