Ce travail a pour objectif d’étudier la fissuration des sols due au séchage par des approches numérique et analytique. L’initiation et la propagation des fissures sont investiguées en utilisant un code de calcul aux éléments finis avec la présence des joints cohésifs. Les couplages entre le problème hydraulique et le comportement mécanique en présence des discontinuités sont considérés. La loi de la fissure cohésive est appliquée pour modéliser l’initiation et la propagation des fissures.Tout d’abord, les résultats d’un essai de séchage au laboratoire réalisé sur un sol argileux à l’état liquide sont utilisés afin d’évaluer la méthode numérique proposée. Les résultats numériques montrent que le modèle est capable de reproduire les tendances principales du processus de séchage. Elle souligne aussi l’importance des conditions aux limites dans l’initiation des fissures. Ensuite, une approche énergétique est proposée pour étudier l’initiation d’une fissure. Les énergies élastiques avant et après l’initiation de la fissure sont estimées par les deux approches analytique et numérique. L’énergie dissipée lors de l’initiation de la fissure est comparée avec le taux d’énergie pour créer une fissure. Les analyses montrent que le critère d’énergie peut est atteint avant le critère de contrainte. La dissipation de l’énergie cumulée correspond à la propagation instable lors de l’initiation de la fissure. De plus, le développement et la géométrie des fissures sont étudiés essentiellement par les simulations numériques avec plusieurs joints cohésifs. Les résultats numériques montrent que la fissuration se produit souvent progressivement pour former différentes familles de fissures par un processus dichotomique (une fissure apparait au milieu de deux fissures existantes). La propagation d’une fissure est brutale dans la phase d’initiation pour atteindre une profondeur appelée ‘ultime’. Les fissures dans chaque famille peuvent apparaitre simultanément à un même niveau de succion et présentent une même profondeur ultime. En se basant sur les résultats numériques et quelques analyses analytiques supplémentaires, des relations empiriques sont proposées afin de prédire l’espacement et la profondeur ultime des fissures. Finalement, quelques calculs préliminaires sont réalisés afin d’évaluer le potentiel de la méthode numérique proposée pour prédire la fissuration liée au séchage des ouvrages en terre / This work focuses on the analysis of desiccation cracking by numerical and analytical approaches. The initiation and the propagation of cracks are investigated by using a finite element code including cohesive joints elements. Coupling between the hydraulic and the mechanical processes in the presence of discontinuities is considered. The cohesive crack’s law is applied to simulate the initiation and the propagation of cracks.Results of a laboratory experiments performed on slurry clay soil are first used to evaluate the proposed numerical modelling method. The results show that the method is able to reproduce the main trends of desiccation process. The importance of boundary conditions are also discussed. Second, an energy approach is proposed to study the initiation of cracks. The energies before and after crack initiation are estimated by both numerical and analytical solutions. The energy released by cracking is then compared to the crack energy to discuss crack initiation conditions. The analysis shows that the energy criterion is reached before the stress criterion, and this can explain unstable crack propagation at the beginning. Third, the development and the geometry of desiccation cracks are studied by numerical simulation with several cohesive joints. The numerical results show that cracking occurs sequentially to form different cracks families with a dichotomy process (the subsequent cracks appear at the middle of two existing neighboring ones). The cracks in each family appear simultaneously and reach an identical ultimate depth. From the numerical results and additional analytical analysis, empirical correlations are proposed to predict the spacing and crack depth. Finally, some preliminary studies are performed showing that the proposed numerical method can be used to predict the desiccation crack phenomena observed on geotechnical earth structures

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat traitent d’une problématique importante de la durabilité des structures en béton, soit la corrosion des armatures. L’objectif principal de la thèse est de comprendre l’influence de la fissuration du béton de recouvrement sur l’initiation et la propagation de la corrosion. Il s’agit d’un travail expérimental où tous les essais sont réalisés de façon à reproduire du mieux possible les conditions naturelles d’exposition responsables de l’apparition de la corrosion dans le béton armé. Les éprouvettes de béton ont donc été soumises à des cycles de mouillage (solution saline) et de séchage. L’évolution de la corrosion est suivie par des méthodes de mesures électrochimiques non destructives. La nature et la distribution des produits de corrosion formés dans le béton sont analysées pour différents niveaux de propagation de la corrosion. Puisque plusieurs chercheurs utilisent des méthodes accélérées pour faire apparaître la corrosion, des essais ont été réalisés en parallèle afin d’évaluer la fiabilité de ces méthodes. Les résultats montrent des différences importantes sur la distribution des produits de corrosion. Ainsi, un protocole d’essai représentatif de la réalité a été mis au point pour générer la corrosion des armatures dans des éprouvettes de mortier. Une méthodologie précise a aussi été établie afin d’analyser le type et la distribution des oxydes et hydroxydes formés autour des armatures. Une première évaluation de l’initiation et de la propagation de la corrosion a été réalisée sur des bétons sains (non fissurés). Les résultats montrent que l’environnement chimique et la porosité du béton ont une influence sur la nature et la distribution des produits de corrosion. Par la suite, des éprouvettes fissurées artificiellement ont été fabriquées afin de suivre l’initiation et la propagation de la corrosion. La présence d’une fissure dans une éprouvette favorise clairement l’initiation de la corrosion. La magnétite est le principal oxyde qui se forme à l’interface acier / béton. Suivant les périodes de séchage et la présence de fissures, la magnétite se transforme en goéthite et en akaganéite. L’analyse d’éprouvettes chargées mécaniquement comprenant plusieurs fissures a montré que les chargements cycliques ont aussi une influence sur la corrosion des armatures. Cette influence est liée à l’endommagement de l’interface acier / béton qui favorise la propagation de la corrosion et qui modifie la nature et la distribution des produits de corrosion. / The work conducted in this thesis concerns reinforced steel corrosion, which is one of the most important problems affecting the durability of reinforced concrete structures. The principal objective of the thesis is to understand the influence of concrete cracking on corrosion initiation and propagation. This thesis presents experimental work where all tests are done in order to better represent real exposure conditions. Concrete samples are submitted to wetting (saline solution) and drying cycles. The evolution of corrosion of the reinforcement is followed using non-destructives electrochemical techniques. The nature and distribution of the corrosion products formed in concrete are analyzed at different level of corrosion. Since researchers often use accelerated techniques to initiate corrosion, a supplemental test campaign have been done in order to evaluate the reliability of these accelerated techniques. The results show some important differences on the nature and distribution of corrosion products. Subsequently, an experimental protocol representing natural exposure conditions has been set up in order to generate reinforced steel corrosion in mortar. A precise methodology for analyzing the nature and the distribution of corrosion products has also been followed. A first evaluation of corrosion initiation and propagation has been done on uncracked mortars. The results show that the chemical environment and the porosity of concrete have significant influence on the nature and the distribution of corrosion products. Artificially cracked specimens were also prepared to understand the influence of cracks on corrosion initiation and propagation. Results show that the presence of a crack increases the probability of corrosion initiation. The magnetite is the main oxide formed at the steel / concrete interface. Following wetting and drying cycles, the magnetite changes in goethite and akaganeite. Results from loaded and multi-cracked specimen show that cyclic loading also have some effect on corrosion kinetic. This influence seems to be related to the deterioration of steel / concrete interface, which further promotes corrosion propagation and also modify the nature and distribution of corrosion products.

La fissuration par retrait plastique (FRP) est l'une des premières formes de fissuration pouvant apparaître dans le béton. Les fissures formées à la surface sont assez inesthétiques et peuvent entraîner de futurs problèmes de durabilité. Les éléments en béton frais avec de grandes surfaces exposées sont particulièrement vulnérables à ce phénomène. La FRP est causée à la fois par des facteurs internes et externes. Les agents externes peuvent être principalement attribués aux expositions environnementales qui contrôlent l'évaporation de l'humidité du béton, et les agents internes sont ceux qui sont associés au mélange de béton, telles que le rapport eau/ciment, la teneur en pâte, les types d'adjuvants, etc. Le moment de l'initiation des mesures de durcissement est un facteur vital dans la prévention et le contrôle des FRP, mais il est souvent négligé en raison du manque de connaissances fondamentales sur ce phénomène. En fait, lorsqu'il s'agit d'activités de cure du béton, la durée reçoit plus d'attention que le moment du début. À cet égard, l'objectif principal de ce projet de recherche est d'évaluer les effets simultanés des expositions environnementales et du moment de l'initiation des activités de cure dans l'apparition de FRP du béton fraîchement coulé. Par la suite, le nouveau concept de délai maximal autorisé avant les mesures de cure, qui est fonction des propriétés du mélange et des conditions d'exposition, a été défini et évalué pour un mélange de béton exposé à différentes conditions environnementales. De plus, le temps et l'ampleur des FRP, l'évaporation, le ressuage et les temps de prise du béton, etc. ont été étudiés afin d'approfondir les analyses du comportement des FRP. Les résultats de ce programme de recherche permettent non seulement de mieux comprendre la fissuration par retrait plastique du béton soumis à différentes conditions d'exposition, mais aussi d'attirer l'attention sur l'impact du début opportun des mesures de cure sur l'atténuation de ce type de fissures. / Plastic shrinkage cracking (PShC) is one of the earliest forms of cracking that can appear in concrete. The cracks formed on the surface are quite unsightly and can lead to future durability issues. Fresh concrete elements with large, exposed surfaces are especially vulnerable to this phenomenon. PShC is caused by both internal and external factors. The external factors can be mainly ascribed to environmental exposures that control evaporation of moisture from fresh concrete, and internal factors are those associated with the concrete mixture, such as water to cement ratio, paste content, admixture types, etc. The time of initiation of curing measures is a vital factor in the prevention and control of PShC, however it is often overlooked due to the lack of fundamental knowledge on this phenomenon. In fact, when it comes to curing activities, duration gets more attention than the time of beginning. In this regard, the main objective of this research project is to assess the simultaneous effects of environmental exposures and the time of initiation of curing activities in the occurrence of PShC of freshly poured concrete. Subsequently, the new concept of maximum allowed delay before curing (MADBEC), which is a function of mix design and exposure conditions, has been defined and assessed for a concrete mixture exposed to different environmental conditions. In addition to this, PShC time and magnitude, evaporation, bleeding, and setting times of concrete, etc. have been investigated, so as to further analyses of PShC behaviour. The outcomes of this research program not only provide a better insight into PShC of concrete facing different exposure conditions, but it definitely draws more attention toward the impact of timely beginning of curing measures on the mitigation of this type of cracking.

Le matériau principal de cette étude est l’acier inoxydable austénitique 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2 à teneur en azote contrôlée) envisagé dans la conception de la cuve et des structures du circuit primaire des futurs réacteurs de quatrième génération refroidis au sodium. Pour assembler des composants de forte épaisseur, il faut réaliser des soudages multipasses avec métal d'apport. Lors du soudage, il a parfois été constaté des défauts de fissuration à chaud de solidification au refroidissement dans la zone pâteuse, près du bain de fusion. Ces fissures sont des décohésions du matériau apparaissant à haut température le long des joints de grains lorsque la déformation dépasse un seuil critique. Il est donc nécessaire de prévenir ce risque en utilisant un critère de fissuration à chaud. L'approche utilisée dans cette étude est double : développer un essai de fissuration à chaud à chargement extérieur, puis simuler numériquement ces expériences pour déterminer un seuil critique en déformation en utilisant un critère proposé par Kerrouault. Une version améliorée d’un essai de fissuration à chaud (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) a été proposé dans cette étude afin d'analyser la susceptibilité à la fissuration de solidification du matériau 316L(N) et d’un métal d'apport de nuance Thermanit 19-15H. L'objectif de ce test est, en fonction de l'intensité du chargement extérieur, d'amorcer une fissure dans un régime thermique établi, puis d’arrêter la propagation de cette fissure si les conditions thermomécaniques locales sont remplies. Le modèle de comportement du matériau choisi est une loi élasto-visco-plastique à écrouissage mixte. Des essais thermomécaniques sur un simulateur Gleeble ont été réalisés à haute température afin d'identifier et d’améliorer la loi de comportement du matériau 316L(N). Le grossissement des grains dans la zone affectée thermiquement a été modélisé et intégré dans ce modèle. Les intervalles de fusion et de solidification du matériau 316L(N) ont été déterminés par des essais ATD (Analyse Thermique Différentielle). Des analyses des microstructures de solidification ont été également menées afin de mieux comprendre le phénomène de fissuration à chaud. Certains essais CRW ont ensuite été modélisés et simulés par éléments finis en utilisant les logiciels Cast3M et Abaqus afin valider le critère de fissuration à chaud et de déterminer un seuil critique de fissuration pour l'acier 316L(N). / The austenitic stainless steel AISI 316L(N) (X2CrNiMo17-12-2) with controlled nitrogen content is widely used for manufacture of vessel and primary circuit structures of the 4th Generation sodium- cooled fast reactors. Multi-pass welds with an appropriate filler metal is used to assemble thick components. Solidification cracks may occur in the mushy zone near the melting weld poor during solidification when a liquid film is distributed along grains boundaries and interdendritic regions and the shrinkage strains across the boundaries cannot be accommodated. It is therefore necessary to prevent this defect using a hot cracking criterion. The approach used in this study is to initiate experimentally a hot crack by a weldability test, and then to simulate these tests to identify a critical strain using a hot crack criterion for the prediction of solidification cracking. Therefore, a hot cracking test (Controlled Restraint Weldability (CRW) test) is proposed in the present study to analyze the susceptibility to hot cracking for base metal 316L(N) and its filler metal 19-15H Thermanit grade. This test is designed to initiate a hot crack in thermal steady state, and then to stop the crack once the local thermomechanical conditions are met. The initiation and stop of the crack depend on external mechanical preload. The material constitutive equations chosen for the material is a visco-plastic model with isotropic and kinematic hardening. The Gleeble thermomechanical tests have been performed at high temperature in order to identify material parameters. The increase of the grain size in the thermally affected zone was modeled and integrated into constitutive equations. The temperature range of melting and solidification of 316L(N) were determine by using the Differential Thermal Analysis (DTA). The analysis of the solidification microstructures were also carried out in order to better understand the phenomenon of hot cracking. Some CRW tests were then simulated by finite element method using the Cast3M and Abaqus software in order to valid the hot cracking criterion and to determine a thermomechanical criterion of hot cracking for 316L(N).

Cette thèse a permis d'étudier la perméabilité du béton sous conditions thermiques et hydriques variables, ainsi que l'effet de fissuration. Nombreux essais (mesures de saturation et perméabilité, essai de compressions uniaxiales et triaxiales et hydrostatiques) ont été menés afin d'évaluer l'influence de la température et de la saturation sur le comportement hydraulique du béton sain et microfissuré. En parallèle, un dispositif de mesure de la perméabilité sur béton macro fissuré permet d'étudier le comportement d'une macro-fissure de béton confinée et soumise à écoulement de gaz sec ou l'air très humide à différentes températures. Les essais mécaniques multiaxiaux sont couplés aux mesures de perméabilité sur béton sain et micro-fissuré par gel-dégel, qui permet d'évaluer la perméabilité sous charge déviatorique et l'effet de préfissuration sous contrainte. Nous avons également effectué un essai de perméabilité relative du béton en fonction de la saturation en eau, soumis à la dessiccation ou à la resaturation, en conditionnant par les différentes humidités relatives imposées / The main objective of this study is to evaluate the variable thermal and hydric effect, with fissuration effect on the hydraulic behaviour of two concretes. Many experimental tests (saturation and permeability measurements, uniaxial and triaxial compressions tests) were carried out in order to investigate the temperature and saturation influence on the behaviour hydraulic on sound and micro-cracked concrete. Moreover, an experimental device for permeability measurement on macro-cracked concrete was realized, it allows to study the behaviour of macro-cracked of concrete confined and subjected to dry gas flow or very moist air at different temperatures. Multiaxial mechanical tests are coupled to the permeability measurements of sound concrete and micro-cracked by freezing and thawing, which allow to measuring the permeability under deviatoric load-unload with the effect of pre-cracking under stress. We also effectuated a test of relative permeability of concrete as a function of water saturation, subjected to drying and resaturation, conditioning by the different relative humidity imposed

Une structure en béton doit assurer des fonctions structurales qui vont au delà de la simple résistance. Dans ce cadre, la fissuration du béton armé joue un rôle primordial sur la durabilité, l'étanchéité et même la sûreté des structures. La structure poreuse du béton rend naturellement possible la pénétration au cours du temps d'espèces délétères. En outre, sous l'effet des chargements mécaniques et des conditions environnementales au sens large, le béton se fissure. Les fissures constituent, elles aussi, des voies préférentielles pour la pénétration de fluides ou d'agents agressifs et ajoutent de manière significative leur contribution à la dégradation des performances structurelles. Dans la thèse une stratégie de modélisation macroscopique probabiliste du couplage entre fissuration et transferts de fluides dans les structures en béton est présentée. Le béton est modélisé comme un milieu poreux saturé d'eau tandis que la fissuration (mécanique) est modélisée au travers d'une approche numérique probabiliste tenant compte de l'hétérogénéité naturelle du matériau et des effets d'échelle qu'elle induit. L'hypothèse physique de base du modèle de fissuration est que chaque élément fini peut être considéré comme représentatif d'un volume de matière hétérogène dont le comportement est géré par son degré d'hétérogénéité, défini comme le rapport entre le volume élémentaire et un volume représentatif de l'hétérogénéité du matériau. Dans la formulation développée, les propriétés mécaniques du matériau sont considérées comme des variables aléatoires (non corrélés) distribuées dans les éléments du maillage selon des distributions statistiques validées expérimentalement. Une approche par analyse inverse permet d'accéder aux paramètres de fonctions de distribution qui, selon les hypothèses du modèle, varient en fonction de la dimension des éléments finis. Le couplage fissuration-transfert est traité de manière faible, sous l'hypothèse d'absence d'interaction entre les deux processus (à savoir que la fissuration de l'élément fini, d'origine mécanique, induit une variation locale de sa perméabilité). L'utilisation d'une loi de Poiseuille modifiée et adaptée expérimentalement selon un protocole développé dans le cadre de la thèse permet de mettre en relation une telle variation avec l'ouverture de fissure et de prendre en compte, de manière macroscopique, les principales causes d'écart entre l'écoulement idéalisé, représenté par la loi de Pouiselle, et l'écoulement dans des fissures réelles. Une approche de type Monte-Carlo permet de valider les résultats des simulations mécaniques et hydriques. Les capacités de la stratégie de modélisation proposée en termes de prédiction des débits d'eau en milieu fissuré sont explorées au travers de la simulation d'essais de perméabilité sous charge sur des éprouvettes cylindriques soumises à du fendage. Ces essais sont utilisés dans le cadre du protocole expérimentale. Une première validation à l'échelle d'un élément structurel multifissuré est presentée. Elle consiste en la simulation d'un essai (récemment proposé dans la littérature) developpé pour l'étude de l'impact de la fissuration sur les propriétés de transfert de tirants en béton armé

Notre nouvelle approche expérimentale consiste à étudier la fissuration de matériaux mous, principalement des gels polymériques et colloidaux, qui ont des tailles microstructurales micrométriques. Cette augmentation de la taille microscopique va avoir pour conséquence d’augmenter la taille de la zone de process et va rendre son observation plus facile avec des moyens standard de microscopie (à transmission et confocale).Pour se faire, nous avons mis au point un nouveau dispositif expérimental pour étudier la propagation de fissures dans des matériaux mous. Cette expérience permet de faire croître une fissure de manière contrôlée dans un échantillon mou et d’inspecter la pointe de fissure à haute résolution pour des fissures se propageant entre 1 µm/s and 1cm/s. En travaillant avec des gels de polymère physiques, nous avons analyse la forme de fissure ainsi que les champs de déplacement proches pointe (en utilisant des techniques de corrélation d’image) à petites et grandes échelles et à différentes vitesses. Nous avons montré qu’il existait une séparation d’échelles spatiales entre les échelles où l’élasticité linéaire s’applique, les échelles auxquelles les non linéarités émergent et les échelles auxquelles la dissipation se produit. Cette dernière échelle n’a pas pu être investigué dans le cas de gels polymériques. De récentes expériences sur des gels colloïdaux, ayant une longueur micro-structurale plus grande que celle des gels polymers, montre que nous sommes capables de sonder en temps réel les échelles d’endommagement lors de la fissuration. / Our novel experimental approach consists in studying fracture mechanics of soft materials, mainly polymer and colloidal gels, which have microstructures with large typical length scales. This increase in the microscopic length scale will consequently increase the typical size of the process zone and make its observation easier with standard microscopy techniques (optical or confocal).To do so, we designed a novel experimental device to study crack propagation in such soft materials. This experiment enables us to grow a unique crack in a controlled way in a soft specimen and to look at the crack tip at high magnification for crack velocities between 1 µm/s and 1cm/s. Working on physical polymer gels, we analysed the crack shape and crack displacement fields (using Digital Image Correlation) at large and intermediate scales for various velocities. We realized there was a separation of scales between the scale at which LEFM applies, the scale at which elastic nonlinearities emerge and the scale at which dissipation occurs. This last scale could not be investigated with the polymer gel. Recent experiments on colloidal gels, which have a microscopic length scale bigger than the one of polymer gels, show that we are able to probe damage at the microstructural scale.

Les composites unidirectionnels SiC/Ti sont des candidats potentiels au développement de nouveaux moteurs aéronautiques, ils allient à la fois résistance spécifique élevée, stabilité dimensionnelle et rigidité. Le matériau étudié ici est un alliage Ti 6242 renforcé par des fibres en carbure de silicium SM 1140+.<br />Des essais de fatigue mécano-thermique ont été menés sur le composite suivant des cycles simulant le chargement supporté au cours d'un vol. Une réduction importante de la durée de vie du composite par rapport à une sollicitation isotherme a été mise en évidence. Des modèles de prévision de la durée de vie en fatigue du composite ont été mis en place à l'aide de simulations aux éléments finis.<br />Des essais de propagation de fissure par fatigue ont été conduits sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Les résultats ont mis en évidence un régime stabilisé : la vitesse de fissuration est constante et indépendante de la taille de la fissure. Ce résultat est associé à des conditions particulières de propagation. En effet, des observations ont montré que pour l'ensemble des essais, la fissure a contourné les fibres sans les rompre : on est donc en régime de pontage de la fissure par les fibres. Des observations ont d'autre part révélé une consommation de l'interphase en carbone des fibres présentes dans le chemin de fissuration.<br />Un modèle a été mis en place pour prédire les vitesses de fissuration stabilisées mesurées expérimentalement sur le composite SM 1140+/Ti 6242. Cette modélisation est basée sur des résultats d'essais de fissuration obtenus sur la matrice seule et sur des simulations aux éléments finis d'éprouvettes entaillées. Les résultats obtenus permettent d'avoir accès aux cinétiques de propagation dans le composite en régime de pontage.

Les canalisations coudées des circuits de refroidissement des centrales thermiques sont soumises à des fluctuations thermiques de faible amplitude et de fréquence variable. Ces fluctuations associées aux variations de température des fluides présentent un risque de fissuration et de fuites. Afin de prévenir de tels risques, EDF a lancé le programme CRECO RNE 808, « Fatigue thermique des aciers inoxydables austénitiques 304L » pour étudier expérimentalement sur élément de volume, lamorçage et le début de propagation des fissures en fatigue thermique dans les aciers inoxydables austénitiques. Lobjectif est de comparer le comportement et lendommagement du matériau en fatigue mécano-thermique (cyclage en température + cyclage en déformation) et en fatigue isotherme et est orienté sur le problème RRA, dans lequel les conditions extrêmes ont été déterminées par EDF pour le métal Tmax = 165°C et Tmin = 90°C et où la fréquence des fluctuations thermiques peut atteindre un Hertz. Une sollicitation thermomécanique sur élément de volume est nécessaire en effet pour simuler la fatigue thermique des zones critiques dune structure. Des essais de fatigue isotherme, aux deux températures extrêmes du cycle thermique, ont montré un comportement similaire du matériau et un effet du module sur la réponse mécanique du matériau. On na pas constaté de réelle différence de durée de vie entre les deux températures étudiées pour des amplitudes de déformation mécanique supérieures à 0,18% alors que pour des faibles amplitudes de déformations la durée de vie du matériau diminue quand la température augmente. Des essais de fatigue mécano-thermique réalisés sur des éprouvettes prélevées dans une bride de barrière thermique et dautres sur une tôle ne montrent pas de différence que ce soit de point de vue comportement ou durée de vie pour des amplitudes de déformations mécaniques supérieures à 0,18%. Dans le but détudier leffet de la contrainte moyenne, induite par pré-écrouissage cyclique, sur la durée de vie du matériau, des essais ont été réalisés sur des éprouvettes pré-écrouies cycliquement à lambiante à ±1%. Une première comparaison des deux essais réalisés sur matériau pré-écroui ne montre pas de différence entre le chargement mécano-thermique et isotherme à 165°C que ce soit en terme de comportement ou de durée de vie. Un effet de la contrainte moyenne (préécrouissage monotone à lambiante) a été mis en évidence en fatigue isotherme à 165°C, avec une réduction importante de la durée de vie sur le digramme Dep/2 = f(Nf). Sous sollicitations mécano-thermiques, la durée de vie sur matériau pré-écroui est plus importante que dans des conditions isothermes à 165°C. Une étude du comportement en relaxation du matériau entre 50 et 250°C a montré la présence de deux stades de relaxation : un premier stade pendant lequel le matériau se relaxe rapidement avec une viscosité indépendante de la température et de la déformation plastique cumulée, et un deuxième stade pendant lequel la contrainte macroscopique varie peu dans le temps. Létude a montré que la capacité de relaxation du matériau diminue quand la température augmente de 50 à 250°C : le matériau présente donc une anomalie de comportement marquée dans ce domaine de températures. Un pré-écrouissage cyclique à lambiante à ±1% diminue le taux de relaxation du matériau à 50°C et fait apparaître une troisième stade de relaxation du matériau avec une viscosité plus importante. Un pré-écrouissage monotone à lambiante jusquà une contrainte maximale de 500MPa, réduit encore plus le taux de relaxation du matériau à 50 quà 250°C. Les essais de fatigue mécano-thermique à grand nombre de cycles (106 cycles et au delà) conduisent à des durées dessais pouvant dépasser un an. Afin dexplorer, néanmoins, leffet de lamplitude de déformation dans ce domaine de durée de vie, et compte tenu du fait que sur site les premiers stades damorçage se produisent dans des zones superficielles perturbées, nous avons réalisé des essais de propagation de fissures courtes à partir dune entaille (longueur 2a = 0.5mm) en plasticité généralisée en contrôle de déformation mécanique, comme sur élément de volume. Un modèle de durée de vie est introduit au dernier chapitre. Le calcul est basé sur les résultats des essais de fissuration en plasticité généralisée décrite dans le chapitre 6. En premier lieu un modèle de comportement cyclique est identifié aux deux températures 90 et 165°C.<br /> La deuxième partie sintéresse au calcul de durées de vie. À travers une représentation énergétique des résultats, nous avons discuté la validité du modèle de durée de vie en nous basant sur une analyse assez simplifiée. Deux approches sont présentées, avec pour chaque cas une comparaison des durées de vie expérimentales aux durées de vie obtenus expérimentalement en fatigue isotherme à 90 et 165°C et en fatigue mécano-thermique. Le modèle de durée de vie retenu a été validé en fatigue isotherme à 90 et 165°C ainsi quen fatigue mécano-thermique.

L’étude du comportement des roches nécessite de comprendre leur réponse sous diverses sollicitations. L’étude énergétique de l’endommagement des roches est indispensable pour prédire les phénomènes dynamiques. Ces phénomènes sont dus au développement de fissures dans les roches soumises à des fortes contraintes initiales et induites. La fissuration est une forme de dissipation d’énergie qui permet de rétablir l'équilibre du milieu. L’objectif de la thèse est de modéliser la fissuration dans les milieux rocheux dans la perspective d’étudier le comportement des ouvrages souterrains à grande profondeur. Le développement des modèles capables de représenter la fissuration, la coalescence des fissures et leur interaction avec des fractures préexistantes est indispensable. De la littérature, il ressort deux principales approches théoriques et numériques de modélisation de la fissuration : continue et discrète. Une synthèse critique de ces approches nous a conduit à retenir l’approche discrète et plus particulièrement le code Yade dans le cadre de cette thèse. Ce code permet de simuler explicitement la fissuration avec ou sans fractures pré-existantes. Des développements ont été effectués afin de tenir compte des différentes formes d’énergie intervenant dans le comportement des roches soumises à des sollicitations. En particulier une corrélation entre l’énergie de fissuration numérique et l’activité microsismique observée sur des échantillons en laboratoire en compression. Les différentes composantes énergétiques explicitées puis implémentées dans Yade sont : le travail externe, l’énergie potentielle, l'énergie élastique, l’énergie de frottement, l’énergie de fissuration, l'énergie cinétique et l’énergie dissipée en amortissement. La validation de l’approche énergétique a été réalisée grâce à la simulation des essais de laboratoire. L’évolution des différentes composantes énergétiques a permis de vérifier que le bilan des énergies est correctement évalué. Le bilan énergétique a également été vérifié à échelle de structures en simulant l’excavation souterraine d’un Mine-by Experiment (URL Manitoba). L’extension de la zone endommagée induite par l’excavation prédite numériquement a été comparée à celle observée in-situ autour du Mine-by Experiment. Il a été constaté que l’endommagement prédit est similaire à celui observé dans les directions des contraintes initiales mineure et majeure. Par ailleurs la formulation énergétique permet d’étudier numériquement les processus de fissuration des roches. Wassermann (2006) a réalisé des essais de compression uniaxiale et triaxiale sur des échantillons de minerai de fer lorrain. Nous avons modélisé ces essais. La comparaison qualitative des événements acoustiques et des énergies de fissuration issues respectivement des essais et des simulations numériques a montré des tendances similaires. Par contre, la comparaison d’un point de vue quantitatif a montré que le nombre des événements acoustiques numériques est plus important que celui déterminé expérimentalement. L’énergie dissipée par fissuration numérique est également plus importante que celle obtenue sur les essais. Cette différence est expliquée par le fait que les capteurs du dispositif expérimental ne détectent pas tous les événements acoustiques. Les résultats obtenus pourront permettre de mieux comprendre les cinétiques des phénomènes dynamiques dans les ouvrages souterrains profonds. Une autre application a consisté à modéliser un pilier de mine de fer de Joeuf (Lorraine). Le modèle numérique montre deux modes de fissuration dans le pilier : (a) écaillage en peau de pilier, (b) deux bandes de rupture s’initiant du mur et toit du pilier pour se propager vers le cœur du pilier. Ce travail offre de bonnes perspectives pour mieux comprendre la propagation de la fissuration à plus grande échelle mais aussi de progresser dans la recherche de corrélation entre la géomécanique et la géophysique / The study of rock mass behavior requires the understanding of their response under various loadings. The study of rock damage from an energetic point of view is essential in order to predict dynamic phenomena. These phenomena are due to the development of cracks in rocks subjected to strong initial and induced stresses. Fracturing is a form of energy dissipation that restores the balance of the involved medium. The aim of the thesis is to model rock cracks and study the behavior of underground structures at great depths. The development of models able to simulate the fracturing, the coalescence of cracks and their interaction with pre-existing fractures is essential. In the literature, there are two main theoretical and numerical approaches for crack modeling: continuous and discrete. A detailed analysis of these approaches has led us to choose the discrete approach and more particularly the code Yade. This code enables to simulate explicitly cracks propagation with or without pre-existing fractures. Developments have been made to evaluate the different forms of energy involved in rock behavior. In particular, a correlation between the cracks energy determined numerically and the microseismic activity observed in laboratory samples has been performed. The various energy components developed and then implemented in Yade are: external work, potential energy, elastic energy, friction energy, cracks energy, kinetic energy and damping energy. Validation of the energy approach was carried out by simulating laboratory tests. The evolution of the various energy components permits to verify that the energy balance is correctly evaluated. The energy balance was also verified at a structure scale by simulating the underground excavation of a Mine-by Experiment (URL Manitoba). The extension of the damaged zone induced by excavation and predicted by numerical simulations was compared with that observed in-situ around the Mine-by Experiment. It has been found that the predicted and the observed damage are similar in the directions of initial minor and major initial stresses. In addition, the energy formulation enables to study numerically the fracturing process of rocks. Wassermann (2006) performed uniaxial and triaxial compression tests on samples of iron ore from Lorraine. We have modeled these tests. The qualitative comparison of acoustic events and cracks energies determined from tests and numerical simulations showed similar trends. On the other hand, the quantitative comparison showed that the number of numerical acoustic events is greater than the number of experimental acoustic events. Also, the energy dissipated by cracks determined numerically is greater than the energy measured in the tests. This difference is explained by sensors accuracy of the experimental device, which are not able to detect all the generated acoustic events. The results obtained will allow us to better understand the dynamic phenomena in the deep underground structures. Another application consisted in modeling an iron ore pillar of Joeuf (Lorraine). The numerical model shows two modes of cracking in the pillar: (a) flaking of pillar wall, (b) two breaking bands initiating from the wall and the roof of the pillar to propagate towards his core. This provides good perspectives for better understanding cracks propagation at a larger scale, also to progress in the understanding of the correlation between geomechanics and geophysics