Le pisé est une technique constructive vernaculaire consistant à compacter successivement des couches de terre humide entre des coffrages. Cette technique, présente dans le monde entier, l'est en particulier en France dans la région Auvergne-Rhône-Alpes. Comme il n'existe pas de réglementation attachée à cette technique constructive, il est très difficile pour des propriétaires de réparer leur bien. Le développement de cette technique pour de nouveaux projets souffre aussi de cette absence alors qu'elle répond à certains enjeux posés par le Développement Durable. Le travail présenté ici fait partie intégrante du projet national PRIMATERRE dédié à l'étude des constructions impliquant de la terre. Une loi de comportement élasto-plastique est développée dans ce travail pour modéliser le comportement du pisé. Elle s'appuie sur une approche hiérarchisée de la modélisation en lien avec le nombre d'essais disponibles pour identifier les paramètres de modèle mais aussi en lien avec la complexité de phénomènes à prendre en compte. Ce modèle s'inspire d'un modèle pré-existant, CJS, développé en géotechnique pour modéliser le comportement mécanique des matériaux granulaires. Une adaptation s'est imposée pour prendre en compte les spécificités du comportement mécanique du pisé qui possède de nombreuses similitudes avec celui des matériaux quasi-fragiles. Deux niveaux de modélisation pour le modèle de comportement appelé CJS-RE sont présentés, pouvant être utilisés dans un contexte de sollicitation monotone. Le premier niveau CJS-RE1 est un modèle élastique parfaitement plastique alors que le second niveau CJS-RE2 est un modèle élasto-plastique à écrouissage isotrope. Deux mécanismes de déformation plastique sont présents, l'un lié aux phénomènes purement déviatoires et l'autre aux phénomènes de traction. La validation du modèle a été entreprise sur la base de la simulation d'essais en laboratoire de compression diagonale et de chargement latéral (pushover) sur des murets, issus de la littérature. Le niveau CJS-RE1 a été capable de capturer les phénomènes essentiels issus de ces deux tests et peut être utilisé comme une première approches des problèmes. Le niveau CJS-RE2 a permis de retrouver plus précisément le comportement non linéaire du pisé sur une large gamme de déformations, que ce soit dans l'essai de compression diagonale ou dans le pushover. Enfin, la prise en compte d'interfaces entre les couches dans la modélisation semble constituer une approche surdimensionnée lorsque seule la résistance d'un système constitué en pisé est recherchée. Cependant, parce qu'elles apportent une certaine ductilité au système dans la modélisation, elles peuvent être utilisées lorsque des résultats plus détaillés sont attendus. / Rammed earth is a vernacular building technique consisting in compacting successively layers of moist earth within formworks. This technique is present worldwide and in particular in the region Auvergne-Rhône-Alpes in France. As no regulation exists for rammed earth structures in France, the owners of such structures are helpless at the time when repairing damages appearing in any aging heritage structures. Moreover, this lack of regulation tends to slow down the development of such a constructive solution in new projects though this technique answers many of the issues raised by the sustainable development. The work presented herein is part of the national research project PRIMATERRE devoted to the study of construction building involving earth. Herein, an elasto-plastic constitutive law is developed for modeling the behavior of rammed earth. It is based on a hierarchical approach of the modeling in relation to the information available to identify the set of model parameters and the refinement of phenomena to be modelled. This model was adapted from a pre-existing CJS model used in advanced foundation engineering for the modelling of granular soils. The necessary adaptation of some mechanisms of the model in the context of rammed earth material which holds the characteristics of a quasi-brittle material is highlighted. Two levels for the model denoted CJS-RE which can be used in the context of monotonous loadings are presented herein. The first level is a simple elastic perfectly plastic model (CJS-RE1) and the second model is an elasto-plastic model with an isotropic hardening (CJS-RE2). Two mechanisms of plastic deformation are involved, one related to purely deviatoric phenomena and one related to tensile phenomena. The validation of the model was performed based on different sets of actual tests including diagonal compression tests and pushover tests on wallets. The simple elasto-plastic model CJS-RE1 was able to capture some basic features for these two tests and may be used for a first estimate of the system resistance. The more sophisticated model CJS-RE2 was found better to retrieve the nonlinear behavior of rammed earth over a larger range of deformations throughout both a diagonal compression test and a pushover test. Finally, the modelling of interfaces between layers of earth seems oversized when the resistance of the system is investigated. However, since they may influence the simulated ductility of the system, they may be used to model the behavior of rammed earth system more precisely.

Cette thèse a pour but le développement d'un modèle constitutif hydromécanique prenant en compte le couplage de l'endommagement et de la plasticité dans les géomatériaux non-saturés. Le couplage de ce modèle avec les transferts hydrauliques est rendu possible par son implémentation dans le code aux éléments finis $Theta$-Stock. Un algorithme local a été développé spécifiquement dans ce but. Des problèmes hydromécaniques complètement couplés, tels que la création de la zone endommagée par excavation autour d'un tunnel ou la création d'un endommagement de dessiccation et d'humidification ont été simulés. Une contrainte doublement effective incorporant les effets de la succion et de l'endommagement (considéré isotrope) a été définie en s'appuyant sur des bases thermodynamiques. Cette approche a l'avantage de considérer une unique variable de contrainte étant thermodynamiquement conjuguée aux déformations élastiques. Une formulation hyperélastique dépendante de la pression de confinement est utilisée pour décrire le comportement dans le domaine élastique. L'évolution des rigidités élastiques avec l'endommagement est comparée en considérant deux hypothèses : le principe des déformations équivalentes et le principe de l'énergie élastique équivalente. L'hypothèse d'équivalence des déformations permet d'introduire la contrainte doublement effective dans les équations de plasticité et ainsi de coupler plasticité et endommagement. Les équations de plasticité sont dérivées du modèle de Barcelone (Alonso extit{et al.}, 1990), lui même basé sur le modèle de Cam-Clay. Deux critères distincts d'endommagement et de plasticité sont définis qui peuvent être activés aussi bien indépendamment que simultanément. Les surfaces de charges étant exprimées en fonction de la contrainte effective et de la succion, elles évoluent automatiquement en fonction de la succion et de l'endommagement dans l'espace des contraintes totales. Cela permet de représenter la transition d'un comportement ductile vers un comportement fragile lorsque le matériau est asséché. Un algorithme local explicite a été développé pour gérer le couplage des deux phénomènes dissipatifs. L'implémentation du modèle constitutif dans le code aux éléments finis $Theta$-Stock permet l'étude de problèmes hydromécaniques complètement couplés, les lois de transfert dépendant elles aussi de l'état de saturation du matériau. Ce modèle a d'abord été appliqué à la simulation du développement de micro-fissures lors du séchage d'une éprouvette. L'apparition de l'endommagement est expliquée principalement par le gradient de pression très important créé à la surface de l'échantillon lorsqu'on applique une forte variation de succion. Enfin, un problème à échelle réelle est simulé. L'excavation d'un tunnel, la désaturation du sol environnant dû à la ventilation, ainsi que la création de la zone endommagée par excavation sont étudiés. L'étendue des zones l'endommagement et de déformations plastiques autour du tunnel est étudiée

Cette thèse a pour but le développement d'un modèle constitutif hydromécanique prenant en compte le couplage de l'endommagement et de la plasticité dans les géomatériaux non-saturés. Le couplage de ce modèle avec les transferts hydrauliques est rendu possible par son implémentation dans le code aux éléments finis $Theta$-Stock. Un algorithme local a été développé spécifiquement dans ce but. Des problèmes hydromécaniques complètement couplés, tels que la création de la zone endommagée par excavation autour d'un tunnel ou la création d'un endommagement de dessiccation et d'humidification ont été simulés. Une contrainte doublement effective incorporant les effets de la succion et de l'endommagement (considéré isotrope) a été définie en s'appuyant sur des bases thermodynamiques. Cette approche a l'avantage de considérer une unique variable de contrainte étant thermodynamiquement conjuguée aux déformations élastiques. Une formulation hyperélastique dépendante de la pression de confinement est utilisée pour décrire le comportement dans le domaine élastique. L'évolution des rigidités élastiques avec l'endommagement est comparée en considérant deux hypothèses : le principe des déformations équivalentes et le principe de l'énergie élastique équivalente. L'hypothèse d'équivalence des déformations permet d'introduire la contrainte doublement effective dans les équations de plasticité et ainsi de coupler plasticité et endommagement. Les équations de plasticité sont dérivées du modèle de Barcelone (Alonso extit{et al.}, 1990), lui même basé sur le modèle de Cam-Clay. Deux critères distincts d'endommagement et de plasticité sont définis qui peuvent être activés aussi bien indépendamment que simultanément. Les surfaces de charges étant exprimées en fonction de la contrainte effective et de la succion, elles évoluent automatiquement en fonction de la succion et de l'endommagement dans l'espace des contraintes totales. Cela permet de représenter la transition d'un comportement ductile vers un comportement fragile lorsque le matériau est asséché. Un algorithme local explicite a été développé pour gérer le couplage des deux phénomènes dissipatifs. L'implémentation du modèle constitutif dans le code aux éléments finis $Theta$-Stock permet l'étude de problèmes hydromécaniques complètement couplés, les lois de transfert dépendant elles aussi de l'état de saturation du matériau. Ce modèle a d'abord été appliqué à la simulation du développement de micro-fissures lors du séchage d'une éprouvette. L'apparition de l'endommagement est expliquée principalement par le gradient de pression très important créé à la surface de l'échantillon lorsqu'on applique une forte variation de succion. Enfin, un problème à échelle réelle est simulé. L'excavation d'un tunnel, la désaturation du sol environnant dû à la ventilation, ainsi que la création de la zone endommagée par excavation sont étudiés. L'étendue des zones l'endommagement et de déformations plastiques autour du tunnel est étudiée / This thesis work objective is the development of a hydro-mechanical constitutive model which accounts for damage-plasticity couplings in unsaturated geomaterials. The coupling of this model with hydraulic transfers is made possible by its implementation into the Finite Element code Theta-Stock. In order to achieve this implementation, a specific stress-point algorithm has been developed. Fully coupled hydro-mechanical problems have been simulated, such as the creation of the Excavation Damaged Zone around a tunnel and the initiation of damage due to desiccation and humidification. A double effective stress incorporating both the effect of suction and damage (assumed isotropic) is defined based on thermodynamical considerations. The advantage of this approach is that it results in a unique stress variable being thermodynamically conjugated to elastic strains. A pressure-dependent hyperelastic formulation is used to describe the behaviour inside the elastic domain. The evolution of elastic rigidities with damage is then studied. Two hypotheses are compared, the principle of strain equivalence and the principle of equivalent energy. Coupling between damage and plasticity phenomena is achieved by following the principle of strain equivalence and incorporating the effective stress into plasticity equations. The plasticity framework is based on the Barcelona Basic Model (Alonso extit{et al.}, 1990), itself based on the Cam-Clay model. Two distinct criteria are defined for damage and plasticity, which can be activated either independently or simultaneously. Their formulation in terms of effective stress and suction allows them to evolve in the total stress space with suction and damage changes. This leads to a direct coupling between damage and plasticity and allows the model to capture the ductile/brittle behaviour transition occurring when clays are drying. A specific explicit algorithm has been developed to handle the association of the two dissipative phenomena. The implementation of the constitutive model into the Finite Element code Theta-Stock allowed for the simulation of fully coupled hydro-mechanical problems. The hydraulic transfer laws also consider the saturation state. This fully coupled model is first applied to simulate the development of micro-cracks during desiccation of a soil sample. Damage initiation is explained mainly by the important pressure gradient appearing at the boundary when applying a high suction change. Finally, a full-scale problem is simulated. The excavation of a tunnel, the desaturation of the surrounding soil and the creation of the excavation damaged zone are studied

Cette thèse présente une approche globale de la modélisation du comportement thermomécanique et cyclique des alliages à mémoire de forme (AMF) en grandes déformations. Cette approche s’articule en trois étapes : i) La généralisation du modèle ZM de comportement des AMF en grandes déformations dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Pour ce faire, le gradient de la transformation totale est décomposé sous la forme du produit de trois gradients : le gradient de transformation lié à la déformation élastique, le gradient lié au changement de phase et le gradient de transformation lié à la réorientation de la martensite. Cette décomposition permet ainsi la modélisation de la réponse des structures en AMF dans le cas de chargements multiaxiaux non-proportionnels en transformations fi nies. ii) La prise en compte du couplage thermomécanique en transformations fi nies. Pour ce faire, la déformation de Henckya été introduite. Le modèle obtenu intègre trois caractéristiques thermomécaniques importantes des AMF, à savoir l’effet de la coexistence de l’austénite et de deux variantes de martensites distinctes, la variation de la taille de la boucle d’hystérésis avec la température et la transition du processus de changement de phase, d’abrupt à doux. iii) Enfin, en vue de prédire la réponse des structures en AMF sous chargement thermomécanique cyclique, le modèle développé dans la deuxième étape est généralisé pour décrire la pseudoélasticité cyclique des AMF polycristallins. Le modèle obtenu permet la prise en compte de quatre caractéristiques fondamentales liées au comportement cyclique des AMF : la déformation résiduelle accumulée, la dégénérescence de la boucle d’hystérésis, l’évolution de la transformation de phase, d’abrupte à douce. La mise en œuvre numérique de ces modèles s’appuie sur des algorithmes d’intégration appropriés. Des exemples numériques on été traités pour valider chaque étape. / Shape Memory Alloys (SMAs) are a class of smart materials that possess two salient features known as pseudoelasticity (PE) and shape memory effect(SME). In industrial applications, SMA structures are typically subjected to complex service conditions, such as large deformations, thermomechanically coupled boundaries and loadings, and cyclic loadings. The reliability and durability analysis of these SMA structures requires a good understanding of constitutive behavior in SMAs. To this end, this work develops a comprehensive constitutive modeling approach to investigate thermomechanical and cyclic behavior of SMAs in fi nite deformations. The work is generally divided into three steps. First, to improve accuracy of SMA model infinite deformation regime, the ZM model proposed by Zaki and Moumni (2007b) is extended within a fi nite-strain thermodynamic framework. Moreover, the transformation strain is decomposed into phase transformation and martensite reorientation components to capture multi-axial non-proportional response. Secondly, in addition to the fi nite deformation, thermomechanical coupling effect is taken into account by developing a new fi nite-strain thermomechanical constitutive model. A more straightforward approach is obtained by using the fi nite Hencky strain. This model incorporates three important thermomechanical characteristics, namely the coexistence effect between austenite and two distinct martensite variants, the variation with temperature of hysteresis size, and the smooth transition at initiation and completion of phase transformation. Finally, with a view to studying SMA behavior under cyclic loading, the model developed in the second step is generalized to describe cyclic pseudoelasticity of polycrystalline SMAs. The generalized model captures four fundamental characteristics related to the cyclic behavior of SMAs: large accumulated residual strain, degeneration of pseudoelasticity and hysteresis loop, rate dependence, and evolution of phase transformation from abrupt to smooth transition. Numerical implementation of these models are realized by introducing proper integration algorithms. Finite element simulations, including orthodontic archwire, helical and torsion spring actuators, are carried out using the proposed models. The future directions of this work mainly involve plasticity and fatigue analysis of SMA structures.

Cette thèse présente une approche globale d’optimisation vis-à-vis de la fatigue des matériaux et structures en alliages à mémoire de forme (AMF). Cette approche s’articule en trois étapes : i) Le développement d’une loi de comportement capable de prédire la réponse thermomécanique à l’état stabilisé d’une structure en AMF sous chargement cyclique multiaxial non proportionnel. On prend notamment en compte la dépendance de la déformation résiduelle par rapport à la température. Par ailleurs, la méthode LATIN à grand incrément de temps a été généralisée pour les AMF dans le cadre du modèle ZM. Ceci permet de résoudre les problèmes de convergence numérique rencontrés lorsque le processus de transformation de phase se produit avec une pente du plateau de transformation faible. ii) Le développement d’un critère de fatigue à grand nombre de cycles pour les AMF. Ce critère s’inscrit dans le cadre de la théorie d’adaptation à l’instar du critère de Dang Van pour les métaux élasto-plastiques. Le critère proposé permet de calculer en chaque point de la structure en AMF un facteur de fatigue indiquant son degré de dangerosité. iii) Le développement d’une approche d’optimisation structurale qui peut être utilisée pour améliorer la durée de vie en fatigue prédite par le critère proposé dans la deuxième partie. Des exemples numériques sont traités pour valider chaque étape. L‘approche globale a par ailleurs été testée et validée pour l’optimisation structurale d’un stent. / This thesis presents a comprehensive and effi cient structural optimization approach for shape memory alloys (SMAs) with respect to fatigue. The approach consists of three steps: First, the development of a suitable constitutive model capable of predicting, with good accuracy, the stabilized thermomechanical stress state of a SMA structure subjected to multiaxial nonproportional cyclic loading. The dependence of the saturated residual strain on temperature and loading rate is discussed. In order to overcome numerical convergence problems in situations where the phase transformation process presents little or no positivehardening, the large time increment method (LATIN) is utilized in combination with the ZM (Zaki-Moumni) model to simulate SMA structures instead of conventional incremental methods. Second, a shakedown-based fatigue criterion analogous to the Dang Van model for elastoplastic metals is derived for SMAs to predict whether a SMA structure subjected to high-cycle loading would undergo fatigue. The proposed criterion computes a fatigue factor at each material point, indicating its degree of safeness with respect to high-cycle fatigue. Third, a structural optimization approach, which can be used to improve the fatigue lifetime estimated using the proposed fatigue criterion is presented. The prospects of this work include the validation of the optimization approach with experimental data.

Excavations in soft clays come with a number of specific challenges. The use of lime-cement columns in the passive zone of such works represents a promising solution to some of these problems, such as basal heave stability or excessive deformations. Nevertheless, lime-cement columns in the passive zone of excavations in soft clays are not yet widely used and studied. Knowledge about this improvement method is still limited, particularly when it comes to numerical modelling. They have mostly been studied numerically using simple geometries or constitutive models that do not allow to represent the key features of the material, that could influence the behaviour of the structure. Thus, there is a need for more investigations regarding precise modelling tools for this type of problems. In this study, an advanced constitutive model named the Concrete model was employed to capture the mechanical behaviour of the lime-cement improved soil material. A boundary value problem representing an excavation in soft clay supported by sheet pile walls and lime-cement columns was studied using a three dimensional finite element model that included the Concrete model for lime-cement column panels. The results show that the Concrete model is able to capture the behaviour of lime-cement improved clay very well. Key features such as strain hardening and strain softening are well represented. The results of the boundary value problem were compared to field measurements and it was showed that the Concrete model employed in a three dimensional finite element representation of the problem is able to give realistic results. / Schakter i lös lera medför ett antal specifika utmaningar. Användningen av kalk-cementpelare i den passiva zonen i sådana fallen är en lovande lösning på några av dessa problem, t.ex. jordhävning eller stora deformationer. Kalk-cement pelare i den passiva zonen av schakter i lös lera har dock ännu inte använts och studerats i någon större utsträckning i Sverige. Kunskapen om denna metod är fortfarande begränsad, särskilt när det gäller numerisk modellering. Denna förstärkningsmetod har studerats numeriskt med hjälp av enkla geometrier eller konstitutiva modeller som inte gör det möjligt att representera materialets viktigaste egenskaper som kan påverka konstruktionens beteende. Det finns därför ett behov av mer forskning för en precis modellering för denna typ av problem. I den här studien användes en avancerad konstitutiv modell (Concrete model) för att simulera det mekaniska beteendet hos det kalkcementstabiliserade jordmaterialet. Ett gränsvärdesproblem som representerar en schakt i lös lera som stöds av spontväggar och kalkcementpelare studerades med hjälp av en tredimensionell finita elementmodell. Resultaten visar att den advancerade konstitutiva modellen kan simulera beteendet hos kalkcementstabiliserad lera mycket väl. Viktiga egenskaper som t.ex. töjningshärdning och töjningsuppmjukning är väl representerade. Resultaten av gränsvärdesproblemet modellering jämfördes med fältmätningar och det visades att konstitutiva modellen som används kan ge realistiska resultat. / Les excavations dans les argiles molles présentent de nombreuses difficultés. L’utilisation de colonnes en chaux-ciment dans la zone passive de ces structures représente une solution prometteuse à certains de ces défis, tels que le soulèvement de la base ou les déformations excessives. Néanmoins, l’utilisation et l’étude des colonnes en chaux-ciment dans la zone passive des excavations dans les argiles molles ne sont pas généralisées et les connaissances à ce sujet sont encore limitées, notamment en ce qui concerne la modélisation numérique. La plupart des études numériques se basent sur des géométries simples ou des modèles constitutifs ne permettant pas de représenter certaines particularités du comportement du matériau, qui pourraient influencer le comportement de la structure. Il est donc nécessaire d’approfondir les recherches sur les outils de modélisation pour ce type de problème. Dans cette étude, un modèle constitutif avancé (Concrete model) a été utilisé pour reproduire le comportement mécanique de l’argile stabilisée à la chaux et au ciment. Un problème de valeurs aux limites représentant une excavation dans de l’argile molle soutenue par des murs de palplanches et des colonnes en chaux-ciment a été étudié à l’aide d’un modèle d’éléments finis tridimensionnel. Les résultats montrent que le modèle employé permet de reproduire le comportement de l’argile stabilisée à la chaux-ciment de manière très satisfaisante. Les particularités du comportement du matériau, telles que l’écrouissage et l’adoucissement, sont bien représentées. Les résultats du problème de valeurs aux limites ont été comparés aux mesures sur le terrain et il semble que ce modèle constitutif, employé dans une représentation tridimensionnelle par éléments finis du problème, soit capable de donner des résultats réalistes.