La localisation de la déformation dans un milieu ductile déformé est le mécanisme d’instabilité qui provoque la défaillance finale. Ce phénomène se produit sous charge statique ainsi que dynamique. Elle peut se trouver au sein des matériaux, dans lequel cas elle porte le nom l’instabilité matérielle, ou sur la structure entière, dans lequel cas l’on parle de l’instabilité géométrique. Cette thèse étude le phénomène de localisation de déformation dans des contextes matériaux ou géométriques et avec des conditions de charge statique ou dynamique. Dans tous les cas, un outil unifié est utilisé : l’évolution de la perturbation à support localisé.Le premier chapitre serve comme une introduction au problème de localisation de déformation en mécanique des solides. Le deuxième chapitre est consacré à l’aspect de l’instabilité matérielle de la localisation de déformation dans des milieux à microstructure sous compression quasi-statique, ainsi que sa connexion à l’ellipticité macroscopique (le continuum critère de la présence d’un champ de déformation discontinue). Dans ce chapitre nous démontrons la connexion entre la solution de post-bifurcation homogénéisée et la présence ou l’absence d’un champ de déformation localisé dans un domaine de composites renforcées de fibres infiniment large sous compression. Le troisième chapitre est consacré à l’aspect de l’instabilité matérielle de la localisation de déformation sous charge dynamique, où l’effet d’inertie devient non négligeable. Dans ce chapitre nous étudions une perturbation singulière sur une plaque infiniment large sous tension biaxiale et ses cônes d’influence, avec une loi de comportement qui perd l’ellipticité. Le quatrième chapitre est consacré à l’aspect de l’instabilité géométrique de la localisation de déformation sous charge dynamique, dans lequel nous étudions la compression dynamique d’un anneau métallique sous charge électromagnétique. Contrairement au cas quasi-statique, des domaines de déformation localisée sont observés dans le mode de défaillance de l’anneau. / Localization of deformation in finitely strained ductile solids is the instability mechanism leading to their failure by rupture. This phenomenon occurs under static and dynamic loading conditions. It can appear in the bulk of solids, in which case it is referred to as a material instability phenomenon or in a structure, in which case one talks about a structural instability problem. The thesis at hand studies localization in the material and structural context, both under static and dynamic conditions, using a common tool: the evolution of a geometrically localized perturbation.An introduction to the localization of deformation problem in solid mechanics is presented in Chapter 1. The material instability aspect of localization of deformation in microstructured solids under quasistatic loading and its connection to macroscopic ellipticity – the continuum criterion for the presence of a discontinuous strain field – are addressed in Chapter 2. In this part we show the connection of the homogenized post-bifurcation response to the presence or absence of a localized deformation field in an infinite, fiber-reinforced composite under plane strain compression. The material instability aspect of localization of deformation under dynamic loading, i.e. where inertia becomes important, is addressed in Chapter 3. In this part we study the influence cones for the wave propagation emerging from a point perturbation in an infinite, biaxially strained plate whose constitutive response loses ellipticity at finite level of strain. The structural instability aspect of localization of deformation is investigated under dynamic loading conditions in Chapter 4 by studying the dynamic compression on an electromagnetically loaded metallic ring. In contrast to the quasistatic case, where a global failure mode is observed, the failure pattern for the rapidly compressed ring shows highly localized deformation areas.

L’état de surface des vis de liaison des internes de cuve du circuit primaire des REP (Réacteurs à Eau Pressurisée) en 316L en service correspond à une finition d’usinage par rectification. Ces vis sont affectées par l’IASCC (Corrosion Sous contrainte Assistée par l’Irradiation). Le processus d’amorçage de la fissuration est fonction de l’oxydation externe, de l’état de surface et des interactions de la couche d’oxyde avec la localisation de la plasticité. Un des objectifs de cette étude est déterminer l’influence de la préparation de surface sur la cinétique de croissance des couches d’oxyde et la réactivité de surface en général des nuances de type 304, 316 exposées en milieu primaire des REP à 340°C. Le second objectif est de déterminer l’influence de la localisation de la déformation sur la CSC (Corrosion Sous Contraintes) des aciers inoxydables austénitiques en milieu primaire des REP. En effet, la microstructure représentative de ces nuances irradiées correspond à une microstructure à déformation localisée dans des bandes de déformation dépourvues de défauts d’irradiation. Afin de reproduire cette microstructure représentative sur le matériau modèle de l’étude (l’acier austénitique inoxydable A286 durci par la précipitation de la phase γ’ Ni3(Ti,Al)) sans avoir recours à l’irradiation, des essais de fatigue oligocyclique à Δε/2 imposée sont réalisés. Durant le cyclage mécanique (après les premiers cycles de durcissement), les précipités sont dissouts dans des bandes de glissement menant à la localisation de la déformation. Une fois les conditions expérimentales en fatigue oligocyclique permettant d’obtenir la microstructure de déformation désirée déterminées, les interactions bandes de déformation / oxyde de surface sont étudiées en oxydant des coupons pré déformés contenant des bandes de déformation et des coupons non déformés. La préparation de surface des coupons est identique. Les essais de traction lente à une vitesse de déformation de 8 x 10-8/s sont également réalisés sur des éprouvettes pré déformées et non déformées. Les résultats ont montré que la préparation de surface modifie la microstructure du métal sous la couche d’oxyde, conduisant à un ralentissement de la cinétique de croissance de la couche d’oxyde. La préparation de surface induit cependant une accélération du développement de pénétrations d’oxydes dans le métal sous la couche d’oxyde. Ainsi, sur les échantillons rectifiés, la zone recristallisée sous la couche d’oxyde est plus profonde que sur les échantillons polis (jusqu’à 1,5μm contre 500nm au maximum sur les échantillons polis) et la couche d’oxyde est plus fine que sur les échantillons polis, tandis que les pénétrations d’oxyde sont présentes sur près de 1μm de profondeur en sous couche (contre 300nm sur les échantillons polis). Nous montrons que la zone de recristallisation induite par la préparation de surface ne permet pas l’observation des interactions entre les bandes de déformation générées dans le volume par la fatigue oligocyclique et la couche d’oxyde en surface. De fait, la réactivité de surface est très importante pour l’étude de la CSC des aciers inoxydables en milieu primaire des REP. Nous avons également démontré que cette nuance était très sensible à la corrosion intergranulaire en milieu REP à 340°C. Enfin, la localisation de la déformation plastique ne semble pas favoriser la CSC sur cette nuance à cette vitesse de déformation. / The surface conditions of the 316L screw connecting vessel internals of the primary circuit of PWR (pressurized water reactor) corresponds to a grinding condition. These screws are affected by the IASCC (Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking). Initiation of cracking depends on the surface condition but also on the external oxidation and interactions of oxide layer with the deformation bands. The first objective of this study is to point the influence of surface condition on the growth kinetic of oxide layer, and the surface reactivity of 304, 316 stainless steel grade exposed to PWR primary water at 340 ° C. The second objective is to determine influence of strain localization on the SCC of austenitic stainless steels in PWR primary water. Indeed, the microstructure of irradiated 304, 316 grades correspond to a localized deformation in deformation bands free of radiation defects. In order to reproduce that microstructure without conducting irradiations, low cycle fatigue tests at controlled stain amplitude are implemented for the model material of the study (A286 austenitic stainless steel hardened by the precipitation of phase γ ‘Ni 3 (Ti, Al)). During the mechanical cycling (after the first hardening cycles), the precipitates are dissolved in slip bands leading to the localization of the deformation. Once the right experimental conditions in low cycle fatigue obtained (for localized microstructure), interactions oxidation / deformation bands are studied by oxidizing pre deformed samples containing deformation bands and non deformed samples. The tensile tests at a slow strain rate of 8 x 10-8 /s are also carried out on pre deformed samples and undeformed samples. The results showed that surface treatment induces microstructural modifications of the metal just under the oxide layer, leading to slower growth kinetics of the oxide layer. However, surface treatment accelerates development of oxides penetrations in metal under the oxide layer. As example, for grinded samples, the recrystallized area under the oxide layer, induced by surface treatment, is deeper than for polished sample (up to 1.5 microns vs 500 nm for the polished samples) and the oxide layer is thinner than on the polished samples, while the penetrations oxide are expands on nearly 1μm under the oxide layer (against 300nm for the polished samples). We also show that the area recrystallization resulting from surface treatment, does not allow observing the interactions between the deformation bands in the bulk generated by LCF and the oxide layer at surface. Actually, surface reactivity is strongly important for SCC study of stainless steels in PWR primary water. We also demonstrated that this grade was very sensitive to intergranular corrosion in PWR environment at 340 ° C. Finally, localization of plastic deformation does not seem to favor SCC in our A-286 grade, at that strain rate level

L'identification des lois de comportement multi-échelles des matériaux polycristallins est étudiée. Une méthode couplant calculs par léments finis et modèles en champs moyens est développée. La description des interactions entre systèmes de glissement est améliorée par confrontation des réponses expérimentales et issues de la simulation du comportement d'un cuivre OFHC, sous chargements complexes.<br />La localisation de la déformation est analysée grâce à des mesures de champs réalisées, sous microscope électronique à balayage. Une microstructure synthétique tridimensionnelle représentative est développée à partir des cartographies EBSD.<br />Par ailleurs, on effectue la confrontation, sur microstructure périodique, entre plusieurs modèles en champs moyens et les simulations par éléments finis, à l'échelle des états moyens par phase. Le volume élémentaire représentatif est défini aux échelles globales et locales.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle joué par les zones de cisaillement sur la localisation de la déformation et de l'exhumation de la croûte inférieure grâce à une série de modèles numériques thermomécaniques 2D et 3D que nous avons appliqué à deux cas d'étude: le craton ouest-africain (WAC) et les zones de failles alpines en Nouvelle Zélande. En ce qui concerne la localisation de la déformation dans la croûte supérieure, différentes orientations pour un système de décrochement en ramification ont été testées. Sous un régime compressif, les résultats montrent que les zones de failles internes, ainsi que les unités de roches présentes entre ces failles réagissent de façon plus fragile que les unités rocheuses présentes à l'extérieur de ces domaines. Pour le cas d'un régime de déformation en cisaillement simple, nous avons exploré le processus de réorganisation qui s'est produit aux limites de deux plaques (i.e. Australie et Pacifique) au sud de la Nouvelle-Zélande. Les modèles montrent que la déformation se concentre le long des zones de cisaillement étroites, situées au centre du modèle, lorsque les coefficients d'amollissement sont élevés. Inversement, la contrainte cisaillante ressort de façon plus diffuse à travers le modèle lorsque les coefficients d'amollissement sont faibles. Les cisaillements s'expriment alors sur l'ensemble du modèle bien que les taux de cisaillement restent les plus élevés sur les bordures du modèle. Afin de tester l'impact de failles héritées et de bassins préexistants sur l'exhumation de la croûte inférieure, des modèles 2D et 3D ont été testés avec différentes conditions aux limites (traduisant extension, transtension et compression). * En contexte extensif, dans les portions Est et Ouest des corridors fortement métamorphisés du Nord-Ouest Ghana, des roches partiellement fondues, issues de la croûte inférieure, ont pu être exhumées au sein des croûtes moyenne à supérieure. Dans la partie centrale du domaine de Bolé-Bulenga, des roches très métamorphisées ont été exhumées grâce au couplage de deux mécanismes: (1) la concentration de roches partiellement fondues entre les failles de Jirapa et de Bolé-Nangodi; ces failles convergent vers le sud, induisant un rétrécissement de l'espace disponible pour accueillir ce matériel fondu; (2) la concentration de roches partiellement fondues dans la partie centrale, induite par un jeu de failles héritées d'orientation Est-Ouest. * En contexte de transtension, dans le terrane de Sefwi au Sud-Ouest Ghana, le domaine de Kukuom-Juaboso (KJD), composé majoritairement par des roches à faciès de type amphibolite à migmatitique, semble s'être mis en place sous forme d'intrusions au sein d'une zone relais située entre les zones de cisaillements de Kenyase et de Ketésso. Ces deux zones de cisaillement sont marquées par un stade de croissance puis de maturation qui semblent être reliés aux phases de déformation D1 puis D2 reconnues régionalement. L'exhumation régionale des roches très métamorphisées dans le terrane de Sefwi s'est probablement produite en moins de 5 Ma. * En régime compressif, l'impact joué par les bassins volcano-sédimentaires sur le processus d'exhumation de la croûte inférieure a été testé numériquement. Les modèles suggèrent que de multiples injections de magmas granitoïdiques, dérivant soit de matériaux subductés, soit d'une fusion de produits crustaux ou de matériel mantellique accumulés en profondeur, ont pu être canalisées au sein de diapirs avant de venir nourrir la croûte supérieure. Ce modèle suggère également une asymétrie des structures entre la croûte supérieure d'une part, et la croûte inférieure à moyenne d'autre part: i.e. (i) les bassins de roches vertes faiblement métamorphisés de la croûte supérieure reposent sur les diapirs métamorphisés et (ii) les bassins de roches vertes très métamorphisés constituent le soubassement des dômes granitoïdiques de la croûte supérieure. / The objective of this thesis is to explore the role shear zones play in localization of deformation and exhumation of the lower crust by using a series of 2D and 3D thermo-mechanical numerical models using the West African Craton (WAC) and the Alpine Fault zones as study areas. With respect to the localization of deformation in the upper crust, different orientations of a system of branched strike-slip faults were studied. Under compression boundary conditions, the results show that the internal fault zones as well as the host rocks in between the faults behave as relatively weaker domains than the external regions. Under simple shear boundary conditions, we explored the process of self-organization of the Australian-Pacific plate boundary fault in southern New Zealand. The models show that deformation is focused along narrow high-strain shear zones in the centre of the model when the softening coefficients are high, whereas the strain is more diffuse with many shear zones spread over the model and possibly some high-strain shear zones focused near one border at lower softening coefficients. Regarding the role pre-existing faults and basins play in exhumation of the partially molten lower crust, 2D and 3D models with different boundary conditions were tested (including extension, transtension and compression). * Under extension, in the Eastern and Western parts of the high grade rock corridors in NW Ghana, partially molten rocks exhumed from the lower into middle-upper crustal levels are interpreted to have been dominantly facilitated by the km-scale high-strain corridors. In the central part of the Bole-Bulenga domain, the high grade rocks are interpreted to have been exhumed as a result of a coupling between two mechanisms: (1) the concentration of partially molten rocks between the Jirapa and Bole-Nangodi faults increases due to the reduction in space from north to south; (2) the concentration of lower partially molten rocks in the central part, as a result of inherited orthogonal (E-W) faults. * Under transtension, in the Sefwi terrane of SW Ghana, the Kukuom-Juaboso domain (KJD) composed of up to amphibolite-migmatite facies could result from the concentration of upwelling partially molten rocks in the relay zone between the Ketesso and Kenyase shear zones during transtension. The two shear zones probably underwent two main stages for growth and maturation from the D1 to D2 deformation phases. The regional exhumation of the high grade rocks in the Sefwi terrane probably occurred within a duration of less than 5 Ma. * Under compression, the role of volcano-sedimentary basin on spatial-temporal evolution of the lower crust exhumation was tested. The models suggest that a series of sheet-like granitoids possibly derived from either subducted mélanges, lower crust and/or mantle melting accumulated at depths of the subcontinental mantle would channel along diapirs before feeding the upper crust. When the granitoids arrive at the solidified lids of the diapirs, they would favour migrating horizontally and intruding into the upper crust through weakening zones between the diapirs. This model also suggests an asymmetry of structures between the upper and middle-lower crust, with the dome-like granitoids overlying high-grade sedimentary synforms and high-grade diapirs underlying low-grade greenstone belts.

Comme tous les milieux amorphes, lorsque les milieux granulaires sont soumis à une contrainte suffisamment importante, ils présentent de la localisation de la déformation. Lors de la rupture d'un matériau granulaire, on assiste ainsi à la formation de bandes de cisaillement. Cette transition solide-liquide est encore largement incomprise. Dans le but de caractériser cette dynamique et d'observer des précurseurs à la rupture, nous avons développé un dispositif expérimental original de test biaxial en déformation plane. Il consiste à appliquer une compression uni-axiale quasi-statique à un échantillon granulaire modèle constitué de micro-billes de verre soumis à une pression de confinement. La compréhension des mécanismes physiques mis en jeu nécessite d'observer de très faibles déformations, pour cela nous utilisons une méthode interférométrique basée sur la diffusion multiple de la lumière. Lors des expériences, nous avons mis en évidence deux types de déformation distincts caractérisés par une dynamique et des angles caractéristiques différents. Avant la rupture, on observe une dynamique intermittente de micro-bandes organisées en réseau. Il s'agit de la première observation de ce type de dynamique que nous interprétons comme une cascade de réarrangements localisés de type Eshelby. Cette dynamique collective émergente ne fait pas intervenir la friction et s'inscrit dans le cadre de la plasticité des amorphes. À la rupture, nous observons des bandes permanentes dont l'inclinaison est donnée par l'angle de friction interne (Mohr-Coulomb). Au cours de la charge, ces deux types de déformation cohabitent, révélant une transition complexe d'un écoulement plastique à une localisation sur des bandes frictionnelles. / Granular materials belong to amorphous media and display localization of deformation when submitted to a large enough stress. Indeed, shear bands appear at the failure of a granular medium and this solid/liquid transition is still an open question. In order to characterize this dynamics and to observe rupture precursors, we developed an experimental device of plane strain biaxial test. It consists in a quasistatic uniaxial compression of a model granular sample made of glass microbeads under confinement pressure. We used an original interferometric method based on multiple light scattering to probe tiny deformations. Our experiments evidenced two types of deformation, those two behaviors differ in their dynamics and their characteristic angle. We observed for the first time an organization of the deformation in an intermittent microbands network from the early stage of the loading. We interpreted this behavior as a cascade of Eshelby-like localized rearrangements. This emerging collective dynamics is not due to friction and can be understood in the framework of amorphous media plasticity. At the failure, permanent shear bands of inclination governed by internal friction angle (Mohr-Coulomb) appear. During the loading, both types of strain coexist displaying a complex transition between plastic flow and frictional shear bands.

Les intrusions magmatiques au sein d’une lithosphère soumise aux contraintes tectoniques sont souvent considérées comme des instabilités thermomécaniques à même de stimuler transitoirement et localement la localisation de la déformation. Dans le but de tester ce modèle et de déterminer les possibles mécanismes gouvernant l’initiation d’une déformation localisée au contact et au sein de corps magmatiques en cours de consolidation, ce travail de thèse se propose de coupler une étude de terrain à une approche expérimentale. Les Cyclades (Mer Égée, Grèce) constituent un domaine de croûte continentale en extension dans lequel se sont mises en place au cœur de cinq dômes métamorphiques extensifs (MCCs) des intrusions magmatiques, elles-mêmes coiffées par des systèmes de détachements. Les diverses campagnes de terrain, combinées aux données de la bibliographie, ont permis de proposer un modèle d’interaction régional dans lequel ces corps magmatiques impactent l’évolution tardive de MCCs cycladiques. Au vu des âges de mise en place des intrusions (15-9 Ma), soit plusieurs millions d’années après le début de l’extension et les premiers stades d’exhumation de roches métamorphiques, le magmatisme dans les Cyclades ne peut être considéré comme un candidat réel pour la genèse de MCCs. Néanmoins, les continuums de la déformation enregistrés en bordure des intrusions (depuis l’état magmatique jusqu’aux conditions ductile/cassant) et les relations géométriques avec les détachements laissent supposer un rôle majeur des complexes magmatiques dans les processus de redistribution et de localisation de la déformation, notamment sur le développement séquentiel de détachements. Les vecteurs de localisation de la déformation au sein de magmas partiellement cristallisés ont été en parallèle recherchés par la voie expérimentale. L’étude du comportement structural de magmas, chimiquement et texturalement proches de systèmes naturels, a permis d’une part de confirmer que la déformation se localise préférentiellement le long d’interfaces à rhéologie contrastée tels aux abords de filons syn-plutoniques. Il est d’autre part montré que la présence initiale d’inhomogénéités texturales (e.g. concentration de cristaux en amas) au sein de magmas moyennement cristallisés peut de manière drastique influencer le degré de localisation de la déformation au cours des stades de refroidissement ultérieurs. / Magma intrusions within the lithosphere are often considered as thermomechanical instabilities capable to locally and transiently stimulate strain localization. With the aim of testing this model and determining possible mechanisms that govern the initiation of localized deformation at the contact and within magmatic bodies, this thesis combine a fieldwork with an experimental approach. The Cyclades (Aegean Sea, Greece) form a highly extended continental domain in which five metamorphic core complexes (MCCs) were intruded by magmatic complexes, themselves capped by detachment systems. All collected structural and kinematic data, combined with previous investigations, converge toward a regional scheme in which magmatic bodies dynamically impacted the late evolution of the Cycladic MCCs. Granitoids were emplaced in relatively short time period (15-9 Ma) while metamorphic domes were largely exhumed after more than 10 Myrs of extension. None of those intrusions thereby proves to be a real candidate for the genesis of MCCs. However, continuums of deformation recorded within granitoids (magmatic to ductile/brittle states) as well as geometrical relationships with detachments suggest a pivotal role of magmatic complexes in redistribution and localization processes of the deformation, with in particular the sequential development of detachments. Precursors of strain localization within partially cristallized magmas have been concurrently deciphered by an experimental study. The investigation of the structural behavior of magmas, chemically and texturally similar to natural systems, corroborates that strain localization is efficiently activated along interfaces with contrasting rheology such as in the vicinity of synplutonic dikes. It has been also shown that the initial presence of textural inhomogeneities (e.g. like clusters) in medium-crystallized magmas can drastically influence the degree of strain localization during subsequent cooling stages.

De nombreuses études ont montré l’impact de la déformation sur le système K-Ar, et donc les âges ⁴⁰Ar/³⁹ Ar. Ces études se limitent souvent à une comparaison des âges obtenus dans des roches déformées et un protolithe indemne de déformation. La première partie de cette étude a inversement consisté à étudier la distribution de la déformation à différentes échelles et à décrire finement les gradients d’intensité de la déformation. L’étude a porté sur deux protolithes de nature granitique, associés à une différence d’âge entre leur formation et les évènements tectonométamorphiques faible (< 1 Ma ; massif d’Ikaria) ou élevée (>240 Ma ; massif du Tende). Pour le premier cas, la déformation entraine une perte de 40Ar dans les clastes des phases potassiques, interprétée comme résultant de la réduction des tailles des domaines de diffusion qui n’est pas accentuée par une intensité de déformation croissante. Pour le second cas, l’héritageen 40Ar du protolithe se traduit par la circulation de fluides et de 40Ar externe au système via les structures se déformant activement, produisant parfois un vieillissement des âges grandissant dans la phengite des structures les plus localisantes, alors que sur d’autres coupes il est observé un rajeunissement plus logique. Pour les deux cas,l’interprétation des âges obtenus dans les phases néoformées pendant la déformation est ambiguë entre refroidissement,cristallisation et mélange, et nécessite un examen détaillé des données confrontées aux températures de fermeture possibles. Les interprétations indiquent pour le cas d’Ikaria une localisation de la déformation ductile en moins de 1-3Ma le long d’un gradient de second ordre d’une dizaine de mètre d’épaisseur. La localisation de la déformation à l’échelle d’une zone de cisaillement se réalise plus rapidement dans le cas de l’exhumation post-orogénique d’un MCC(~7 Ma) que dans le cas de l’exhumation de matériel continental impliqué dans un prisme de subduction (~14-10 Ma). / Numerous studies have shown the impact of deformation on the K-Ar system, and therefore ⁴⁰Ar/³⁹ Ar ages. These studies often do not provide data characterizing deformation and are limited to a comparison of the ages obtained indeformed rocks and an undeformed protolith. The first part of this study thus consisted in studying the strain distribution at different scales and finely describing strain intensity gradients. The study focused on two granitic protoliths, associated respectively with a difference in age between the formation of the protolith and the age of the tectonometamorphic events that is low (<1 Ma ; Ikaria Island) or inversely high (> 240 Ma ; Tenda massif). In the firstcase study, deformation results in a 40Ar loss in K-bearing phases, interpreted as resulting from the reduction of diffusion domains sizes which is not accentuated by an increasing strain intensity. In the second case study, the 40Arinheritance of the protolith results in fluids and extraneous 40Ar circulation through the actively deforming structures,ages in phengite being increasingly older approaching the most localizing structures in some sections, while others behave in an opposite way, more in line with the progressive strain localization in time. For both cases, interpretation of ages obtained in the newly formed phases during deformation is ambiguous between cooling, crystallization and mixing, and requires a detailed examination of the data confronted with the possible closing temperatures.Interpretations indicate for the Ikaria case study a strain localization in less than 1-3 Ma along a second order gradient of about ten meters in thickness. Strain localization at the scale of a shear zone occurs more rapidly in the case of a post-orogenic exhumation of a MCC (~ 7 Ma) than in the case of the exhumation of continental material involved in a subduction prism (~ 14-10 Ma).

Modéliser la localisation de la déformation dans les géomatériaux de manière objective nécessite l'utilisation de méthodes capables de régulariser le problème aux limites en introduisant une longueur caractéristique. Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons choisis d'utiliser les milieux à microstructures de types second gradient. Une question, alors se pose quant à l'identification des paramètres constitutifs qui interviennent dans la formulation de ces milieux. L'objectif de cette thèse est de mettre en place une méthode d'identification d'une loi de comportement enrichie de type second gradient. L'identification paramétrique d'une loi constitutive écrite dans un formalisme de milieu enrichi de type second gradient local est étudiée. Une partie de l'identification peut-être réalisée à partir d'essais homogènes, mais l'identification complète nécessite de considérer des modes de déformation à forts gradients, comme cela est le cas en présence d'une localisation de la déformation. La procédure d'identification développée s'appuie sur des résultats expérimentaux d'essais mécaniques sur le grès de Vosges, pour lesquels le mode de déformation des échantillons a été caractérisé à l'aide de mesures de champs cinématiques, y compris en régime localisé. Un certain nombre d'observables peuvent être extraits de ces essais, qui servent à appuyer la comparaison entre calculs numériques et observations expérimentales. L'identification nécessite le calcul d'une matrice de sensibilité pour l'optimisation des observables. Afin de calculer cette matrice, deux études de sensibilité sont effectuées. Ces études consistent à évaluer l'influence de la variation de chaque paramètre constitutif sur les données sélectionnées. La première étude de sensibilité porte sur la partie homogène des essais, elle permet l'optimisation d'un certain nombre de paramètres qui jouent un rôle uniquement dans cette partie. La deuxième étude concerne le régime de déformation localisé. Celle-ci permet le calcul de la matrice de sensibilité. Grâce à cette matrice, il est possible de démarrer l'optimisation des observables. Ainsi, chaque observable pourra être optimisé indépendamment des autres. A l'issue de cette optimisation un jeu de paramètre est proposé. Il permet de reproduire de manière fiable, les essais expérimentaux à 20 et 30 MPa de confinement. / The strain localisation modelling of geomaterials requires the use of enhanced models, able to regularise the boundary value problem, by introducing a characteristic length. In this research work, we have chosen to use second gradient models. A question then arises, concerning the identification of second gradient constitutive parameters. This PhD research work aimed to develop an identification method to obtain theses parameters. The study proposed here covers a parametric identification of a constitutive law written in the local second gradient formalism. A part of this identification may be performed through homogenous tests, however the complete identification requires the consideration of high gradient deformation modes, as it is the case where localized deformation is observed. The identification procedure developed uses experimental results from mechanical tests on Vosges sandstone, for which the deformation mode was characterised by kinematic field measurement, including the localized regime. A certain number of observable data can be extracted from these tests, they are then used for the comparison between experimental and numerical data. It is necessary to compute the sensitivity matrix in order to optimise the observables data. In this sense, two sensitivity studies have been carried out, allowing the evaluation of the influence of each constitutive parameter on the selected data. This first analyse concern the homogenous part of the tests. Constitutive parameters involved in this part can be then optimized. The second analyse concerns the localized regime and the sensitivity matrix computation. Once this is achieved, the optimization of the observable data can be conducted. Each observable data can be optimised independently. A set of constitutive parameters is proposed. It allows a good matching between experimental and numerical results at two confining pressures ; 20 and 30 MPa.

Le solution du stockage des déchets nucléaires en formations géologique profondes est de plus en plus envisagée. Au cours des travaux d'excavation la barrière naturelle est soumise à des sollicitations de déconfinement qui peuvent induire un endommagement important, et mener localement le matériau à la rupture. Les conditions d'écoulement des fluides et la perméabilité du massif peuvent se trouver fortement modifiées du fait de cet endommagement, mettant ainsi en jeu la sûreté du site. Notre travail de recherche a consisté en la caractérisation expérimentale du comportement hydromécanique de deux roches argileuses : l'argile de Boom (site de Mol, Belgique) et l'argile à Opalinus (site du Mont Terri, Suisse). Des essais triaxiaux axisymétriques en condition saturée ont été réalisés afin d'étudier l'évolution de la perméabilité de ces deux roches en fonction de la contrainte isotrope et du déviateur des contraintes. Les roches argileuses sont des géomatériaux aux comportements complexes liés à de nombreux processus couplés. L'existence d'interactions physico-chimiques fortes entre le fluide et les particules solides et la très faible perméabilité de ces matériaux ont nécessité l'adaptation du dispositif expérimental. Enfin des procédures spéciales de mesures de la perméabilité et de détection de la localisation de la déformation en bandes de cisaillement ont été développées. Nous montrons que la rupture par localisation de la déformation ne modifie pas significativement la perméabilité de l'argile de Boom. En revanche, pour l'argile à Opalinus une forte augmentation de la perméabilité est mise en évidence dans le cas d'une importante fracturation sous faible confinement.

Le travail présenté a pour objectif la prédiction numérique de la résistance résiduellede grandes structures vis-à-vis d’évènements accidentels, tels que ceux rencontrés p.ex. dans le cas de la collision de navires ou d’impact d’oiseaux en aéronautique. Cesévènements peuvent dans certain cas conduire à la rupture, qui est ici considéréeductile. La difficulté de cette étude, consiste à reproduire dans une méthodologieunifiée basée sur la méthode des éléments finis les étapes successives menant àla ruine ultime de la structure. Ces étapes sont : l’endommagement ductile, lalocalisation de la déformation et la propagation de la fissure. Un élément essentiel pour la conception d’un modèle de fissuration ductile prédictif est le traitement numérique de la phase transitoire critique de localisation de la déformation induite par l’endommagement dans une bande de matière étroite.A cet effet, trois points de vue différents en termes de champ de déplacement àtravers la bande de localisation sont proposés. Ces trois approches se distinguentpar le type de discontinuité considérée : forte, faible et régularisée (expression nonlinéaire). Un cadre variationnel consistant est élaboré pour chacune des trois approches.Ainsi la cinématique enrichie est incorporée dans la formulation de l’élément fini enutilisant la méthode des éléments finis enrichis (X-FEM). Puis, la performance deces méthodes est évaluée vis-à-vis de leur capacité à modéliser la phase transitoireentre endommagement diffus (mécanique des milieux continus) et propagation defissure (mécanique de la rupture). Ces travaux sont réalisés dans le contexte dematériaux ductiles. D’après les analyses réalisées, la combinaison du modèle de ’discontinuité fortecohésive’ et la X-FEM semble être la plus prometteuse des trois approches étudiéespour allier physique et numérique. Le développement d’un tel modèle est discutéen détail. Enfin, deux critères supplémentaires sont définis : le premier pour lepassage de l’endommagement diffus au modèle de bande cohésive et un deuxièmepour le passage du modèle de bande cohésive à la rupture. / The present work aims at numerically predicting the current residual strengthof large engineering structures made of ductile metals regarding accidental events,e.g. ships collision or bird strike in aviation, which may potentially lead to failure.With this aim in view, the challenge consists in reproducing within a unified finiteelement (FE)-based methodology the successive steps of micro-voiding-induceddamage, strain localization and crack propagation, if any.A key ingredient for a predictive ductile fracture model is the proper numericaltreatment of the critical transition phase of damage-induced strain localizationinside a narrow band. For this purpose, three different viewpoints in terms ofdisplacement field across the localization band are proposed involving a strong,weak and (non-linearly) regularized discontinuity, respectively.A consistent variational framework is elaborated for each of the three methods,whereby the enriched kinematics is embedded into the FE formulation using theeXtended FEM. Then, within a comparative procedure, the performance of thesemethods is assessed regarding their ability of modeling the transition phase betweendiffuse damage (continuum mechanics framework) and crack propagation (fracturemechanics framework), always in the context of ductile materials.According to the aforementioned analyses, the combination of the strong discontinuitycohesive model and the X-FEM appears to be the most promising of thethree studied approaches to bring together physics and numerics. The developmentof such a model is discussed in detail. Finally, two supplementary criteria aredefined: the first one for the passage from diffuse damage to the cohesive bandmodel and the second one for the passage from the cohesive band model to thecrack.