The majority of faults display a layer of crushed wear material ("fault gouge") between the fault blocks, which influences the strength and stability of faults. This thesis describes the results of a numerical model used to investigate the process of comminution in a sheared granular material. The model, based on the Discrete Element Method, simulates a layer of 2-D circular grains subjected to normal stress and sheared at constant velocity. An existing code was modified to allow grains to break when subjected to stress conditions that generate sufficient internal tensile stresses. A suite of five numerical runs was performed using the same initial system of grains with sizes randomly chosen from a pre-defined Gaussian distribution. A range of confining pressures was explored from 4.5 MPa to 27.0 MPa (in case of quartz grains with average diameter of 1 mm). The average effective friction coefficients of the five simulations were relatively unaffected by comminution and displayed a constant value of about 0.26. The amount of breakage was directly related to both the applied confining pressure and logarithm of the displacement along the fault. The particle size distribution evolved during the runs, but it was apparently determined only by the cumulative number of grain breakage events: two runs with the same number of breakage events had identical particle size distributions, even if they deformed to different extents under different stress conditions. These results suggest that the knowledge of both the local displacement and stress state on a fault can be used to infer the local particle size distribution of the gouge.

L’analyse du comportement des pieux est un problème complexe du fait de la diversité des phénomènes qui gouvernent le comportement du sol et en particulier celui se trouvant au voisinage du pieu. Ce dernier dépend particulièrement du procédé d’installation du pieu qui peut parfois engendrer des déformations de très grande amplitude dans le sol entre autre phénomènes. L’objectif de ce travail est de mettre en place un outil de modélisation pour évaluer le comportement des pieux sous chargements axiaux en développant des modèles représentant les phénomènes physiques pertinents et de les intégrer numériquement dans un logiciel aux éléments finis utilisant des algorithmes robustes et efficaces. Pour pouvoir modéliser la phase d’installation statique ou dynamique d’un pieu quelques problématiques doivent être considérées. Premièrement, étant donné que pendant l’installation d’un pieu des déformations finies (non-infinitésimal) ont lieu au niveau de l’interface, une formulation eulérienne avec un taux logarithmique des déformations a été adoptée pour prendre en compte le fait que l’hypothèse des déformations infinitésimales n’est plus valable. En plus, le modèle constitutive doit prendre en compte le comportement physique du sol lorsqu’il est soumis à des déplacements d’une magnitude élevée. Le dernier est constitué, entre autres, par le phénomène de l’écrasement des grains ce qui influence beaucoup le comportement volumique du sol et finalement sa résistance au cisaillement ou en d’autres termes le frottement mobilisé. Ce phénomène a été modélisé en introduisant une variable d’écrouissage supplémentaire au modèle de comportement élastoplastique de l’ECP. Les critères d’admissibilité thermodynamique ont été vérifiés pour le modèle constitutive original ainsi que pour le modèle révisé. Des simulations numériques ont été faites pour les deux types d’installation, monotone et pseudo-dynamique (cyclique) et les résultats ont été analysés en détail. Finalement, la dégradation de la résistance au cisaillement au niveau du fût des pieux est un phénomène typique qui se produit pendant le chargement cyclique des fondations composées par des pieux. Le modèle constitutive pour pouvoir bien reproduire ce phénomène n’est pas simple à définir car le chemin de chargement suivi par l’interface sol-pieu est très dépendant du comportement volumique du sol qui à son tours dépend de l’histoire de chargement et des conditions aux limites du problème. Une étude détaillée de toutes les composantes du comportement du pieu pendant ce type de chargement a été effectuée afin de mettre en évidence l’influence de l’histoire de chargement sur la résistance au cisaillement et l’apparition des phénomènes tels que la fatigue du frottement. / The analysis of pile behavior is a complex problem due to the diversity of the phenomena governing the soil behavior and particularly that of the neighboring soil. The objective of this work was to develop a valid modeling tool to evaluate piles’ behavior under axial loads by developing a pertinent mechanical model supported in a robust finite element program which would successfully reproduce the soil behaviour under extreme monotonic and cyclic shear strain. This is done to allow for the numerical modelling of the installation procedure of pile foundations and continued loading of high amplitude cyclic paths. In order to model the installation phase of a monotonic, jacked or dynamic pile foundation some issues must be addressed. Finite deformations take place whilst the pile is put in place requiring an adjustment in the mechanical formulation of the model at the interface level to take into account that the small deformations (rotations and strain) hypothesis is no longer valid. Moreover, the constitutive model must take into account the physical behaviour of the soil when subjected to high order of magnitude displacements. This includes the phenomenon of grain breakage, also referred to as particle crushing, which greatly influences the volumetric behaviour of soil as thus reflecting of shear stress mobilization. The elastoplastic ECP model has therefore been enhanced by introducing an internal variable taking into account the breakage mechanism. The thermodynamic admissibility criteria are verified for the original and revised constitutive models. Both monotonic and pseudo-dynamic installation procedures were numerically simulated and the results thoroughly analysed. Finally, the cyclic shear resistance degradation at the pile shaft is a commonly occurring phenomenon during continued cyclic loading of pile foundation (friction fatigue). The constitutive modelling of this phenomenon, however, is not a straightforward matter. The stress path followed by the thin layer at the soil-pile interface level is known to be directly related to the volumetric behaviour due to the boundary conditions of the problem. A comprehensive analysis of all the components of the behaviour of soil during this stage was object of study in this work.

The analysis of pile behavior is a complex problem due to the diversity of the phenomena governing the soil behavior and particularly that of the neighboring soil. The objective of this work was to develop a valid modeling tool to evaluate piles' behavior under axial loads by developing a pertinent mechanical model supported in a robust finite element program which would successfully reproduce the soil behaviour under extreme monotonic and cyclic shear strain. This is done to allow for the numerical modelling of the installation procedure of pile foundations and continued loading of high amplitude cyclic paths. In order to model the installation phase of a monotonic, jacked or dynamic pile foundation some issues must be addressed. Finite deformations take place whilst the pile is put in place requiring an adjustment in the mechanical formulation of the model at the interface level to take into account that the small deformations (rotations and strain) hypothesis is no longer valid. Moreover, the constitutive model must take into account the physical behaviour of the soil when subjected to high order of magnitude displacements. This includes the phenomenon of grain breakage, also referred to as particle crushing, which greatly influences the volumetric behaviour of soil as thus reflecting of shear stress mobilization. The elastoplastic ECP model has therefore been enhanced by introducing an internal variable taking into account the breakage mechanism. The thermodynamic admissibility criteria are verified for the original and revised constitutive models. Both monotonic and pseudo-dynamic installation procedures were numerically simulated and the results thoroughly analysed. Finally, the cyclic shear resistance degradation at the pile shaft is a commonly occurring phenomenon during continued cyclic loading of pile foundation (friction fatigue). The constitutive modelling of this phenomenon, however, is not a straightforward matter. The stress path followed by the thin layer at the soil-pile interface level is known to be directly related to the volumetric behaviour due to the boundary conditions of the problem. A comprehensive analysis of all the components of the behaviour of soil during this stage was object of study in this work.

Les structures en enrochements sont parmi les ouvrages les plus usuels de génie civil (barrages, murs de soutènement,. . . ). Des tassements importants peuvent apparaître tout au long de leur durée de vie et sont principalement dus à la rupture des blocs rocheux. Cette thèse propose un modèle numérique permettant de simuler le comportement de matériaux granulaires présentant des ruptures de grains. Afin de prendre en compte la nature discontinue de ces milieux, la méthode des éléments discrets est utilisée. La modélisation adoptée est de type "Non-Smooth Contact Dynamics", où les grains et particules sont supposés rigides. Afin de générer des blocs ayant des formes complexes, un modèle de grain 3D est proposé. Ce modèle de grain est ensuite discrétisé en sous-éléments de forme tétraédrique liés par des liaisons cohésives afin de pouvoir représenter la rupture. Un critère de rupture de Mohr-Coulomb est utilisé. Le modèle est implémenté sur la plateforme logicielle LMGC90. Le modèle est d’abord éprouvé lors de simulations d’écrasement de blocs cassables entre deux plaques. Plusieurs paramètres contrôlant la résistance du grain sont étudiés : cohésion intergranulaire, taille, discrétisation, forme et orientation du grain. L’effet d’échelle observé sur ce type de matériau est vérifié. Le modèle est ensuite testé lors de simulations numériques de compression œdométrique d’enrochements. L’effet des paramètres du modèle et de l’assemblage du milieu granulaire est également étudié. Les simulations œdométriques sont confrontées à des résultats expérimentaux et présentent une bonne concordance. Enfin, des expérimentations numériques sont menées afin d’étudier les énergies mises en jeu dans ces essais. L’énergie de création de surface est estimée pour ce type de matériau. Les résultats sont proches des données de la littérature. / Rockfill structures are very popular among civil engineering structures (dams, retaining walls, . . . ). Important settlements can take place during the lifetime of these structures, settlements mainly caused by the breakage of rockfill grains. This thesis proposes a numerical model that allows the simulation of the behavior of granular materials exhibiting grain breakage. To take into account the discrete nature of these media, the discrete element method is chosen. The adopted strategy is the Non-Smooth Contact Dynamics method, where grains are considered to be rigid. To generate blocks having complex shapes, a 3D grain model is suggested. This grain model is then discretized into tetrahedral subgrains, joined together using cohesive bonds so that breakage can be simulated. A Mohr-Coulomb failure criterion is used for the cohesive bonds. The model is implemented into the LMGC90 software platform. At first, the model is tested in single grain crushing simulations between two plates. Multiple parameters controling the strength of the grain are studied : the intra-granular cohesion, the size, the discretization and the orientation of the grain. The scale effect that characterizes this type of material is verified. Then the model is tested in numerical simulations of œdometric compression of rockfill. The influence of the parameters of the model and of those of the granular medium are studied. The results of œdometric simulations are compared to experimental results, and present a good agreement. Lastly, numerical experimentations are conducted in order to study the energies that are brought into play in the simulations. The surface creation energy is estimated for this type of material. Results are close to the data provided in the literature.