La capacité opérationnelle axiale en service de pieux battus reste une zone d'incertitude, en particulier pour les structures offshore. La recherche sur le terrain a montré que le frottement latéral peut augmenter au cours des mois ou des années après le battage. Si des tendances similaires se retrouvent dans des ouvrages offshore, les avantages en terme d'ingénierie de réalisation peuvent être très importants. D'autre part, les fondations sur pieux de plates-formes de gaz, de pétrole sont soumises à des chargements cycliques à long terme qui peuvent influencer leur capacité à l'arrachement. Les pieux battus en eau profonde connaissent un grand nombre de cycles complets de charge-décharge pouvant contribuer à la dégradation du frottement latéral lors de l'installation. Cette thèse vise à mieux comprendre les principaux résultats obtenus avec des pieux réels en sable siliceux, par le biais d'une recherche à échelle de laboratoire sous conditions environnementales contrôlées. Ce travail fait partie d'un programme de recherche commun entre le Laboratoire 3SR de Grenoble, l'Imperial College London, et le projet français de recherche ANR- SOLCYP. La réponse de l'interface sol-pieu lors de l'installation ainsi que les périodes de vieillissement et de chargements cycliques axiaux ont été étudiés au laboratoire en utilisant des pieux-modèles installés dans la chambre d'étalonnage de Grenoble. Plusieurs essais avec le pieu modèle Mini-ICP (instrumenté avec des capteurs de tension totale à la surface du pieu (SST) pour les mesures de contraintes radiales de cisaillement à 3 sections) ont permis l'analyse de chemin de contrainte locale à l'interface du pieu. Des capteurs miniatures ont en outre été installés dans le massif de sable pour une mesure de contrainte lors de l'installation du pieu et son chargement ultérieur. Les effets des méthodes d'installation, de la taille des particules de sable, ou de la saturation du sable et du chargement de l'environnement, ont été pris en compte pour le vieillissement de la capacité. Les évolutions locales de l'interface radiale et du cisaillement sont en accord avec les prédictions des méthodes de conception modernes basées sur le CPT. Des preuves d'effets d'échelle soulignent l'importance des conditions aux limites appliquées à la modélisation physique. Des séries d'essais non-alternés purement en traction, ainsi que des essais alternés ont été réalisés sous contrôle en charge ou en déplacement. Les mesures locales effectuées dans les chemins de contraintes effectives montrent une contraction radiale de la masse de sable au voisinage du pieu. Les incréments de l'amplitude de charge et du déplacement imposé accélèrent les taux de dégradation cyclique. Un nouveau diagramme de stabilité cyclique a été réalisé, en résumant les essais de chargement cycliques axiaux pour les pieux foncés et battus dans du sable siliceux moyennement dense. Des mécanismes complexes comme la rupture des grains et des changements de densité locale à l'interface du pieu peuvent affecter la réponse des pieux. La cinématique derrière leur installation et l'interaction avec le sol environnant reste encore très limitée. Comprendre comment un matériau granulaire interagit avec le pieu est important pour étudier la réponse globale du pieu. Les observations globales du comportement des pieux dans la chambre d'étalonnage ont été modélisées à une échelle micro en utilisant la tomographie aux rayons X du Laboratoire 3SR à Grenoble. Le programme expérimental comprenait des essais sur une chambre d'étalonnage modèle afin d'analyser le champ de déplacement lors de l'installation d'un pieu modèle, à l'aide des techniques de corrélation d'images (DIC) en trois dimensions. Des analyses micromécaniques d'échantillons «intacts» récupérés post mortem à l'interface du pieu ont été également effectuées pour mettre en évidence de possibles changements radiaux de densité ainsi que la rupture des grains. / The operational in-service axial capacity of driven piles remains an area of uncertainty, especially for offshore structures. Field research has demonstrated that axial shaft capacities may increase over the months or years after driving. If similar trends apply offshore, the realisable engineering benefits are very significant. On the other hand, the piled foundations of oil/gas platforms and wind/water turbines are subject to long term environmental and in service cyclic loading due for example to waves, vibrations and storms that may also affect their shaft capacity. Deep driven piles experience large numbers of full load-unload cycles that contribute to shaft capacity degradation during installation. This thesis aims to improve understanding of the main results obtained with full-scale piles in silica sand through a laboratory scale investigation performed under controlled environmental conditions. This work was part of a joint research programme between the Grenoble Laboratory 3SR and Imperial College London, and the French National SOLCYP research project. The response of the soil-pile interface during installation, ageing periods and cyclic loading tests have been studied using laboratory model piles installed in the large Grenoble Calibration Chamber. Several tests with the Mini-ICP pile allow the analyses of local stress path at the pile's interface. This model pile is instrumented with surface stress transducers (SST) for local measurements of total and radial shear stresses at 3 different sections along the pile's shaft. In addition, miniature soil stress transducers were installed into the sand mass for total stress measurements during pile installation and loading. Possible ageing effects as installation methods, sand particle size, sand saturation and environmental loading were studied. Local evolution of interface radial and shear stresses agree with predictions from modern CPT based design methods. Evidence of possible scale effects remark the importance of the boundary conditions applied in physical modelling. Series of one-way purely tensile and two-way axial cyclic loading tests were performed under load and displacement control. Local measurements made of the effective stress paths shows radial contraction of the sand mass in the vicinity of the pile. Increments in loading amplitude and imposed displacements accelerate cyclic degradation rates. A new interactive shaft stability chart was produced as a summary of axial cyclic loading tests for both jacked and driven piles in medium dense silica sand. Laboratory tests confirm findings from field tests where one-way low amplitude cycles lead to beneficial increases in tensile pile capacity of up to 20%. Complex mechanisms as grain breakage and local density changes at the pile's interface. The kinematics behind the installation of piles and its interaction with the surrounding soil is still limited. Understanding how granular material interacts with the pile may reveal important to understand the global pile response. The global observations of the pile behaviour from calibration chamber tests were modelled at a micro scale using Micro Computed Tomography at the Grenoble Laboratory 3SR. The experimental campaign included tests on a model calibration chamber devoted to the displacement field analyses during the installation of a model piles using three dimensional (3D) digital image correlation (DIC). Micromechanical analysis of « intact » post-mortem samples recovered at the pille's interface were also conducted for evidences of radial density gradient and grain breakage.

Ce travail porte sur l'incorporation de nanorenforts biosourcés, c'est-à-dire des nanofibrilles de cellulose (NFC), dans les matériaux composites à matrice polymère et les mousses. Ces nouveaux matériaux biosourcés peuvent par exemple être utilisés pour la conception de structures sandwich. L'étude à caractère expérimental, théorique et numérique s'articule autour de trois axes visant à optimiser tant les procédés d'élaboration que les propriétés en service de ces matériaux.Dans un premier temps, la rhéologie des suspensions concentrées de NFC, fluides à seuil thixotropes, a été étudiée aux échelles macro- et mésoscopiques en utilisant un dispositif original de rhéométrie couplé à des mesures de champs cinématiques par vélocimétrie ultra-sonore. Nous montrons ainsi que l'écoulement des suspensions de NFC est fortement hétéro-gène et présente des glissements aux parois, de multiples bandes de cisaillement couplés avec des écoulements de type « bouchon ». Sur la base de cette étude, un modèle rhéolo-gique multi-échelles est proposé. Ce modèle tient compte d'une part de l'architecture aniso-trope des réseaux connectés de NFC dans ces suspensions, et d'autre part des interactions mécaniques et physico-chimiques aux échelles nanométriques. Il permet de montrer que les interactions colloïdales et hydrodynamiques, ainsi que la tortuosité et l'orientation des NFC jouent un rôle majeur sur la contrainte seuil et sur le comportement rhéofluidifiant de ces suspensions.Dans un deuxième temps, des nanocomposites à matrice polymère ont été élaborés sous forme de films en faisant varier sur une très grande plage la fraction volumique de NFC. En utilisant d'une part des techniques de microscopie (AFM, MEB) et de diffraction aux rayons X, et d'autre part des essais mécaniques (traction, DMA) nous montrons (i) que les NFC ont une orientation plane et s'organisent en réseaux connectés par des liaisons hydro-gènes, (ii) que ces réseaux jouent un rôle majeur sur le comportement mécanique des nano-composites et (iii) que le comportement élastique des nanocomposites est bien en deçà des prévisions données par les modèles micromécaniques de la littérature. De là, nous proposons un modèle multi-échelles alternatif où les principaux nano-mécanismes de déformation sont ceux se produisant dans les parties amorphes des NFC et au niveau des très nombreuses interfaces entre NFC.Enfin, nous avons étudié l'influence des conditions d'élaboration, de la nature et de la con-centration des NFC sur les microstructures (microtomographie synchrotron à rayons X), les propriétés mécaniques (essais de compression) et les micro-mécanismes de déformation (essai in situ en microtomographie) de mousses préparées par cryodessiccation de suspensions aqueuses de NFC. / This study focuses on the use of cellulose nanofibrils (NFCs) as bio-based nano-reinforcement in polymer composites and foams. These renewable materials can be used in place of traditional materials such as for instance to produce sandwich panels. This experi-mental, theoretical and numerical work aims at optimizing the processing of these NFC-based materials as well as their use properties.In the first part of this work, the rheology of concentrated NFC suspensions, that behave as thixotropic yield stress fluids, is investigated at macro- and mesoscales using an original rheo-ultrasonic velocimetry (rheo-USV) setup allowing the local flow kinematic to be obtai-ned. We show that the flow of NFC suspensions is highly heterogeneous and exhibits com-plex situations with the coexistence of wall slippage, multiple shear bands and plug-like flow bands. Using this experimental database, we develop an original multiscale rheological model for the prediction of the rheology of NFC suspensions. The model takes into account the anisotropic fibrous nature of NFC networks as well as colloidal and mechanical interaction forces occurring at the nanoscale. The model predictions prove that colloidal and hydrody-namic interaction forces together with the orientation and the wavy nature of NFCs play a major role on the yield stress and shear thinning behaviour of the suspensions.In the second part of this work, NFC-reinforced polymer nanocomposite films are processed for a wide range of NFC contents. Using advanced microscopy techniques (AFM, SEM), X-ray diffraction and mechanical tests (tensile and DMA tests), we show (i) that NFCs form highly connected nanofibrous structures with in-plane random orientation, (ii) that these connected NFC networks play a leading role on the mechanical behaviour of the nanocompo-sites and (iii) that the elastic properties of nanocomposite films are much lower than those predicted from the micromechanical models of the literature. In light of these observations, we propose an alternative multiscale model in which the main involved deformation nano-mechanisms are those occurring both in the amorphous segments of the nanofibers and in the numerous nanofiber-nanofiber contact zones.Finally, in a third part we focus on the influence of the processing conditions, the suspension type and the NFC concentration on the microstructure (using X-ray synchrotron microto-mography), the mechanical properties (using compression tests) and the deformation micro-mechanisms (using in situ compression test with X-ray microtomography) of various foams prepared from NFC suspensions by freeze-drying.

La mesure simultanée des champs cinématiques et thermiques est très importante pour les procédures thermomécaniques. Les caméras à base de silicium sont largement utilisées pour l'observation en temps réel des champs cinématiques, principalement grâce à la corrélation d'images numériques. De plus, ils sont aussi connus pour sa sensibilité dans le spectre du proche infrarouge, ce qui permet d’acquérir des champs thermiques à l’aide d’une caméra à base de silicium. Cependant, pour la caméra à base de silicium, il y a deux problèmes principaux d’obtenir simultanément des champs cinématiques et thermiques. D’abord, dans le spectre du proche infrarouge, une petite variation de température entraînera une modification importante du niveau de gris de l'image, ce qui entraînera facilement une mauvaise qualité des images. Deuxième, la corrélation d’images numériques nécessite une surface hétérogène et contrastée, tandis que la thermographie dans le proche infrarouge nécessite une surface homogène et constante. Dans cette thèse, une technique innovante a été proposée pour ajuster automatiquement le temps d'exposition de la caméra afin d'obtenir des images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique, quel que soit l'évolution de température à la surface de l'objet observé. Cette technique a été validée par expériences différentes, notamment des expériences de chauffage d’un corps noir et des expériences de chauffage d’un échantillon réel. Les modèles radiométriques du corps noir et de la surface des échantillons calibrent respectivement. Basé sur les modèles radiométriques, des champs thermiques ont été reconstruits sur les images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique. L'expérience à haute température est réalisée pour le ballonnement des tubes où les champs cinématiques et thermiques sont observés. La corrélation d'images numériques a été effectuée globalement afin d'obtenir des champs cinématiques. Pour effectuer la thermographie du proche infrarouge sur la surface de l’échantillon, le modèle radiométrique est étalonné selon une partie des pixels les plus brillants. Dans ce cas, 20% des pixels les plus brillants sont utilisés pour effectuer l'étalonnage des modèles radiométriques. Basée sur le modèle en utilisant 20% des pixels plus brillants, les champs thermiques sont reconstruits. Combiné avec les coordonnées connues du champ cinématique par corrélation d'images numériques, le champ thermique et le champ cinématique dans les mêmes coordonnées peut être obtenu. / Simultaneous measurement of kinematic and thermal full fields are very important for thermomechanical procedures. Silicon-based cameras are widely used to perform real-time observation of the kinematic fields, mainly thanks to digital image correlation. Moreover, they are known to be as well sensitive in the near-infrared spectral range, thus the acquirement of thermal fields using silicon-based cameras is possible. However, there are two main problems for the silicon-based camera to obtain simultaneously kinematic and thermal fields. One is that in the near-infrared spectral range, a small temperature variation will lead to a large modification in the image gray level, which easily leads to poor quality images. Another is that digital image correlation needs a heterogeneous and contrasting surface, while the near-infrared thermography needs a homogeneous and constant surface. In this thesis, an innovative technique was proposed to automatically adjust the exposure time of the camera to obtain kinematically and thermally exploitable images whatever the temperature evolution occurs on the surface of the observed object. This technique was validated by different experiments, including blackbody heating experiments and realistic specimen heating experiments. Radiometric models of blackbody and specimen surfaces ware calibrated respectively. Based on the radiometric models, thermal fields have been reconstructed on the kinematically and thermally exploitable images. High temperature tube ballooning experiment is conducted to perform both kinematic and thermal fields. Global digital image correlation was performed to obtain kinematic fields. To perform near-infrared thermography on the specimen surface, radiometric model is calibrated based on portions of the brightest pixels. In this case 20% of the brightest pixels are used to perform radiometric model calibration. Based on the radiometric model using 20% of the brightest pixels, the thermal fields are reconstructed. Combined with the known coordinates of kinematic fields by digital image correlation, the thermal fields at the same coordinates as kinematic fields can be obtained.