La conception des structures géotechniques telles que les barrages et les digues ainsi que la fondation des structures civiles est basée principalement sur les paramètres géotechniques obtenus au terrain, par exemple, des essais standards (SPT) et (CPT) de pénétration. Les données obtenues à partir de ces types d’essais (N-SPT, qc-CPT) sont fortement affectées par les caractéristiques des particules du sol (la taille des particules, la forme des grains, et la distribution). Ces essais de pénétration se heurtent généralement à des problèmes de remaniement et s’arrêtent face à la présence de blocs. D’autre part, les essais non destructifs qui permettent la détermination de la vitesse des ondes de cisaillement Vs, ne sont pas affectés par la présence de pierres ou de blocs et continuent à travers les roches. En fait, la vitesse des ondes de cisaillement est aujourd’hui utilisée pour investiguer dans les sols difficiles à échantillonner et peut détecter les caractéristiques des particules car elles influent sur la façon par laquelle l'onde se propage à travers un milieu granulaire. Ce projet vise à mettre en évidence, par des mesures Vs au laboratoire, l'influence des caractéristiques des particules sur les propriétés mécaniques du sol tel que le module oedométrique et le module de cisaillement à faible déformation. L'étude expérimentale a été menée avec la technique P-RAT: anneau transducteur piézoélectrique. Cette technique a été incorporée dans un appareil oedométrique. Deux anneaux piézo-électriques ont été fixés à la base et au sommet de la cellule de l’odomètre et ont le rôle émetteur et récepteur. Dans cette étude, la technique P-RAT est employée pour obtenir la vitesse des ondes de cisaillement de différents matériaux granulaires avec différentes granulométries. La relation entre la vitesse des ondes de cisaillement normalisée, V[indice inférieur s1], avec l’indice des vides illustre les différents facteurs qui ont une incidence sur la propagation des ondes. Enfin, l’étude vise aussi à établir une relation entre les paramètres à très faibles déformations (G[indice inférieur max]) et ceux à grande déformation (E[indice inférieur eod]).

Nowadays, many environmental and climatic factors such as weathering actions, temperature variation, chemical attacks, abrasion and other degradation processes can cause near surface damage (0.0 m to 0.5 m) to most concrete structures exposed to severe environmental conditions. As such, the spread of such damage and, subsequently, the loss of mechanical properties of materials are very progressive in long term. The main purpose of Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method is to 1) characterize near surface damage in concrete structures as a nondestructive testing procedure, 2) estimate the thickness of superficial layers and determine shear-wave velocity (V[subscript S]) profiles. The originality of this research is the application of MASW as a non-destructive method for the evaluation of near surface damage in concrete structures. Indeed, major applications of this method are concerning geotechnical applications. Experiments have been conducted on two concrete slabs (0.80 m, 3 m et 3.50 m) at IREQ with different typical simulated near surface pathologies in order to test the accuracy of MASW method. The results demonstrate that the MASW method has a potential to identify the homogeneity of concrete and estimate the thickness of superficial layers in concrete structures.

Les résidus miniers épaissis représentent une alternative de plus en plus utilisée pour le stockage de surface. Cette technologie, développée au Canada, possède plusieurs avantages par rapport aux résidus miniers conventionnels, qui contiennent typiquement plus d’eau. Ceci permet de réduire la consommation d’eau de la mine, en plus d’améliorer les propriétés mécaniques du matériau, et de réduire l’empreinte des parcs à résidus. Néanmoins, bien que ces avantages soient tous théoriquement vrais, des efforts en recherche expérimentale sont encore nécessaires afin de valider ces affirmations. Ce projet s’inscrit dans cette ligne, et se veut une étude de laboratoire du comportement en cisaillement des résidus miniers épaissis. Le contexte théorique de la résistance au cisaillement statique est tout d’abord abordé pour ce type de matériau. L’essai triaxial et la mesure des vitesses des ondes de cisaillement (V[indice inférieur s]) sont abordés en détails, puisque des liens sont effectués entre les résultats de ces deux essais. Certains modèles de comportement en cisaillement, comme le modèle hyperbolique de Duncan et Chang, sont abordés afin de pouvoir être utilisés comme outils d’analyse. Le phénomène de la liquéfaction statique est également abordé dans le cadre du comportement volumétrique lors du cisaillement. Les positions des écoles de Harvard et de Cambridge sur ce sujet sont résumées et comparées, dans le but d’élaborer un cadre d’analyse clair pour ce projet. Au niveau expérimental, plusieurs essais triaxiaux ont été effectués afin d’évaluer la résistance au cisaillement statique d’un résidu provenant d’une mine d’or canadienne. Des essais en conditions drainées et non-drainées sont effectués et comparés aux résultats provenant d’un autre laboratoire. Cette comparaison a pour but de valider le bon fonctionnement de l’appareil triaxial ELDYN, de marque GDS, utilisé dans le cadre de ce projet. En effet, cet appareil est neuf, et une étape de prise en main et de calibration est nécessaire. Par ailleurs, une méthode de mise en place des échantillons triaxiaux par déposition hydraulique a été élaborée afin de mieux reproduire l’état des résidus sur le terrain. Des essais triaxiaux ont été effectués afin d’évaluer l’impact de la méthode de mise en place sur la résistance au cisaillement et certains autres facteurs. Des mesures de vitesses des ondes de cisaillement sont également effectuées pour 2 raisons. Tout d’abord, la technique de mesure par anneaux piézoélectriques, développée à l’Université de Sherbrooke, n’a jamais été appliquée sur ce type de matériau. Par ailleurs, des modules de cisaillement provenant des essais triaxiaux et des mesures de V[indice inférieur s] sont comparés, afin d’établir un lien entre le domaine des petites et des grandes déformations. Lors de mesures de V[indice inférieur s] sur le terrain, ce type de relation pourrait éventuellement permettre d’obtenir des paramètres de résistance au cisaillement à grandes déformations (φ’, c’) à partir de mesures in situ non-destructives, effectuées à très petites déformations.

La vitesse des ondes de cisaillement est généralement mesurée en laboratoire en utilisant des éléments piézoélectriques comme les bender elements (BE). Cependant, ces techniques présentent certains problèmes au niveau de l’émission à la fois des ondes primaires et de cisaillement, les effets de champ proche, les effets de bords, et l’incertitude au niveau de l’interprétation du signal. Une nouvelle technique, baptisée technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT) a été développée dans le laboratoire géotechnique de l'Université de Sherbrooke afin de minimiser / éliminer les difficultés associées aux autres techniques, en particulier, la pénétration des échantillons, obligatoire pour la technique BE. Cette étude présente une description de la technique P-RAT ainsi que les résultats des simulations numériques réalisées avec le code informatique COMSOL afin d'étudier l'interaction entre les composantes du P-RAT et l'échantillon testé (sol ou solide). L’étude démontre l’efficacité du concept de la méthode P-RAT et présente des modifications pour améliorer la fiabilité et la performance de la méthode P-RAT afin d’étendre son applicabilité dans le domaine du génie civil. L’implémentation de la dernière génération de P-RAT dans une cellule triaxiale et une autre œdométrique était l’aboutissement de cette étude.

La vitesse de propagation des ondes de cisaillement, V[indice inférieur s], est une propriété caractéristique du sol dans le domaine élastique. Elle est directement reliée au module de cisaillement maximal en ne faisant intervenir uniquement que sa masse volumique. V[indice inférieur s] est mesurée à très petites déformations et en conséquence, il s'agit d'un paramètre qui permet de caractériser le sol d'un point de vue mécanique, sans affecter ses propriétés. L'intérêt de l'utilisation de V[indice inférieur s] comme paramètre de caractérisation géotechnique devient de plus en plus important, surtout avec le développement des méthodes de mesures in situ de ce paramètre, notamment celles utilisant les ondes de surface, qui s'effectuent sans intrusion. Or, pour tirer pleinement avantage des mesures de V[indice inférieur s] in situ, il est essentiel de caractériser en laboratoire les sols en termes de V[indice inférieur s] en fonction des propriétés géotechniques plus usuelles comme par exemple l'indice des vides, la résistance au cisaillement, la contrainte de préconsolidation, etc. Les principales méthodes de mesures de V[indice inférieur s] en laboratoire sont revues.La popularité des bilames piézoélectriques s'explique par la simplicité apparente du concept et de l'appareillage, et par la possibilité d'utiliser ces dispositifs dans la plupart des essais usuels. Les limitations associées à l'utilisation de ces dispositifs sont par ailleurs abordées, tant du point de vue des équipements que de l'interprétation des mesures qui se traduisent par des imprécisions importantes, inacceptables dans une perspective de caractérisation. Il est donc apparu pertinent de proposer une configuration originale d'éléments piézoélectriques et nécessaire d'établir une nouvelle méthode d'interprétation. Des modélisations numériques de même que neuf essais de consolidation dans une cellule oedométrique spécialement équipée d'anneaux piézoélectriques ont permis de développer le concept et de tester différentes méthodes d'interprétation.La méthode d'interprétation proposée reconnaît l'existence d'un déphasage qui doit être pris en compte.La performance du nouveau système est démontrée à l'aide de modélisations numériques et de deux essais additionnels en laboratoire impliquant plusieurs séquences de chargement/déchargement sur deux échantillons argileux différents. Le système proposé permet de mesurer V[indice inférieur s] avec plus de précision et de fiabilité sur un échantillon très court, soit environ 1,5 cm de hauteur, comme ceux normalement utilisés dans un essai de consolidation sur l'argile. Des mesures de V[indice inférieur s] pourront être examinées notamment en fonction de l'état de densité du sol, dans une perspective de valorisation de ce paramètre pour fins de caractérisation.

La caractérisation des matériaux cimentaires au cours du temps est essentielle pour le bon achèvement et le contrôle des constructions de tous genres, afin de prévenir les dégradations et éviter les ruines d’ouvrage. Ce projet de recherche propose l’utilisation des ondes de cisaillement pour mieux caractériser des propriétés physiques et mécaniques de ces matériaux telles que le temps de prise, le module de cisaillement et la ségrégation. Les ondes de cisaillement sont générées par la récente technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT). Cette technique développée à l’université de Sherbrooke, est initialement destinée pour estimer le module de cisaillement des sols à partir de la vitesse des ondes de cisaillement. Le P-RAT a été récemment appliqué sur les pâtes de ciment et les mortiers pour déterminer le temps de prise initiale et finale à partir de la dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement. L’objectif de cette thèse est d’étendre et d’approfondir l’étude de faisabilité du P-RAT en tant que technique non destructive pour la caractérisation physique et mécanique des pâtes de ciment, des mortiers et des bétons et de valider son applicabilité pour une éventuelle utilisation in-situ. Nous avons étudié plusieurs aspects de traitement de signal, dans le domaine temporel et fréquentiel, pour extraire l’information utile à la caractérisation des matériaux cimentaires à partir des ondes de cisaillement. La relation entre la variation du contenu fréquentiel et le temps de prise initiale et finale des pâtes de ciment et des mortiers a été décelée. La méthode fréquentielle proposée dans ce projet est plus rapide que celle de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement et ne requiert pas une expertise dans le domaine de traitement du signal pour l’exécuter. Les essais au laboratoire ont démontré la performance du dispositif formé de deux capteurs P-RAT de diamètre externe de 16 mm, montés de part et d’autre sur les deux bornes d’un étau de serrage, à mesurer le module de cisaillement de 1 jour à 56 jours. Un modèle de régression linéaire multiple a été développé pour estimer la résistance à la compression à partir du module de cisaillement. En plus, une relation empirique a été obtenue entre le module de cisaillement à 24 h et le module d’élasticité statique à 28 jours qui permet la prédiction de ce dernier dès le jeune âge. La faisabilité de P-RAT pour la caractérisation des propriétés physiques des bétons, notamment le temps de prise et la ségrégation, a nécessité au préalable une étude de l’effet des dimensions des capteurs P-RAT sur la qualité des signaux reçus. Une étude comparative a été menée avec trois capteurs de diamètres différents (16 mm, 22 mm et 35 mm). Cette étude a permis d’identifier la dimension du capteur la plus appropriée pour les bétons. Les résultats ont démontré l’intérêt d’utiliser des gros capteurs de 35 mm de diamètre externe pour obtenir des signaux plus clairs avec un faible rapport bruit/signal. La méthode pic à pic s’est avérée adéquate pour déterminer le temps d’arrivée des ondes de cisaillement et calculer leur vitesse. Le temps de prise des bétons, déterminé avec la méthode de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement, survient plus tôt que celui des bétons tamisés, déterminé à l’aide de l’essai de la résistance à la pénétration. La présence de gros granulats dans le béton favorise la connectivité entre les différentes particules ce qui permet un développement rapide de sa rigidité qui affecte la vitesse des ondes de cisaillement. Finalement, l’étude de la ségrégation de huit bétons autoplaçants avec différents degrés de stabilité a été effectuée avec le P-RAT. L’indice de ségrégation a été déterminé à partir de la variation de la vitesse des ondes de cisaillement à trois hauteurs différentes dans une colonne de béton coulé de 450 mm de hauteur totale. Les résultats montrent que le P-RAT est capable d’évaluer la stabilité des bétons fluides à 10 h et à 24 h après le contact eau-ciment. Les bétons avec un indice de ségrégation à 24 h supérieur ou égal à 0,95 sont considérés comme des bétons très stables. Cette valeur critique correspond à l’indice de ségrégation de 5 % calculé avec la méthode de la colonne de ségrégation appliquée sur le béton frais.

L'interaction onde-matière a toujours été un sujet d'étude en Physique, c’est le cas de la propagation des ondes élastiques dans le corps humain qu’a conduit à plusieurs modalités d'imagerie. En particulier, les techniques d'elastographie reposent sur l'utilisation des ondes de cisaillement pour obtenir une image élastique des tissus mous. Dans ce contexte, cette thèse présente une étude des différentes techniques d'élastographie, en prêtant particulier attention aux aspects plus fondamentaux comme à ces potentielles applications.Tout d'abord, cette thèse montre que l'élastographie impulsionnelle unidimensionnelle (1D) peut être utilisée pour évaluer l'élasticité des couches de tissue d'épaisseur inférieure à la longueur d'onde utilisée. A cet effet, des simulations et des expériences ont été réalisées avec différents fantômes formés par une couche mince immergée dans un milieu d'élasticité différente. La concordance entre expériences et simulations, ainsi que le valeur de l'élasticité obtenue par élastographie 1D et le valeur de l'élasticité intrinsèque de la couche permettent de valider cette technique. Au même temps ces résultats ont été comparés avec ceux obtenus par la technique de Supersonic Shear Imaging (SSI), où l'onde est guidée le long de la plaque. On ajustant la courbe de dispersion expérimentale obtenue par SSI avec un modèle de Lamb, l'élasticité intrinsèque de chaque plaque est estimée. Les résultats obtenus par élastographie 1D et SSI montrent un bon accord entre eux. Le principal avantage de l'élastographie 1D est qu’il n'est pas nécessaire d'utiliser un modèle pour estimer l'élasticité de la plaque. Deuxièmement, deux nouvelles modalités d'imagerie quantitative pour l'extraction de élasticité des tissus mou à partir d'un champ élastique complexe sont approfondies: l'Elastographie par Retournement Temporel et le filtre inverse passif. Le but de ces deux techniques est d'estimer localement l'élasticité des tissus, par la mesure de la taille de la tâche focale dans une expérience virtuelle de retournement temporel avec des ondes de cisaillement. A partir de l'étude du processus de retournement temporel dans les solides mous, la faisabilité de ces deux techniques est démontrée in vitro dans des échantillons "bi-couche" et in vivo dans le foie et les muscles, en utilisant le bruit physiologique naturel crée par l'activité cardiaque et musculaire. L'efficacité de l'élastographie par retournement temporel diminue dans le cas d'un champ diffus non isotrope. L'emploie du filtre inverse adaptée à une configuration de source de bruit, permet de rétablir l'isotropie du champ et d'améliorer la résolution pour la détection de petites inclusions. Le filtre inverse passif permet, de surcroît, de contrôler la fréquence qui domine le champ de retournement temporel. Ceci est exploité, dans la dernière partie du manuscrit, pour mener la première expérience de spectroscopie passive en volume. Deux situations sont envisagées: la dispersion due à la propagation d'ondes guidées dans des plaques minces et la dispersion des ondes due à la viscosité. / The interaction between wave and matter has long been studied in Physics. In particular, regarding medical applications, wave propagation through the human body resulted in several imaging modalities, each of which uses a specific type of wave linked to a given physical property. The elasticity of soft biological tissues is directly linked to its shear wave speed. Thus, in Elastography, shear waves are tracked for non-invasive assessment of the mechanical properties of soft tissues. In this context, this thesis proposes a study of different elastography techniques from a basic point of view, as well as from its potential applications. Firstly, in this manuscript, the use of 1D transient elastography for the quantitative elasticity assessment of thin layered soft tissues is proposed. Experiments on three phantoms with different elasticities and plate thicknesses were performed. Experimental shear wave speed estimations inside the plate were obtained and validated with finite difference simulation. In addition, the Supersonic Shear Imaging (SSI) technique was performed. For the SSI technique, the propagating wave inside the plate is guided as a Lamb wave. Experimental SSI dispersion curves were fitted using a generalized Lamb model to retrieve the plate bulk shear wave speed. Finally both techniques resulted in similar shear wave speed estimations. The main advantage of 1D transient elastography is that the bulk shear wave speed can be directly retrieved from a time of flight measurement without requiring a dispersion model. Secondly, throughout this thesis, two novel quantitative imaging modalities for extracting the soft tissue's elasticity from a complex reverberated diffuse elastic field are deepen: Time Reversal Elastography (TRE) and the passive inverse filter. The goal of both techniques is to locally estimate the tissue's elasticity, by measuring the focal spot size in a virtual time reversal experiment involving shear waves. By studying the Physics of a time reversal process in soft solids, the feasibility of both techniques as a quantitative imaging techniques is demonstrated in vitro in bi-layer phantoms and in vivo in the liver-belly muscle, by using the physiological noise due to heartbeats and muscular activity. The efficiency of TRE decreases in the presence of a non-isotropic diffuse field. The use of the inverse filter adapted to a passive source configuration, restores the isotropy of the field. As a consequence, the resolution of the elasticity images is improved, leading to a better detection of small inclusions. In addition, the passive inverse filter allows to control the frequency dominating the time reversed field. This is exploited in the last part of the manuscript to conduct the first passive wave spectroscopy experiment in the volume of a soft solid. Two situations are considered: dispersion due to guided wave propagation in thin plates and wave dispersion due to viscosity effects.

La mesure du déphasage des ondes de cisaillement offre la possibilité de caractériser l'anisotropie sismique présente dans les différentes couches de la Terre, qui résulte généralement des orientations préférentielles des minéraux anisotropes induites par la déformation. Le nouveau logiciel SplitLab présenté dans cette thèse, simplifie le traitement des données depuis la requête des données jusqu'à la masure de déphasage et l'interprétation des résultats. La comparaison de trois techniques indépendantes pour mesurer ce déphasage permet de quantifier la qualité des résultats et de détecter automatiquement les mesures sans déphasage apparent. Ce critère est appliqué aux mesures de déphasages des ondes SKS enregistrées en 16 stations situées sur le Craton Est Européen. Les résultats indiquent que les directions rapides reflètent les structures anciennes, qui constituent le Craton Est Européen. En outre, les directions rapides dans le Sud-ouest s'alignent avec la bordure du craton et sont en continuité avec la tendance générale définie par les stations éloignées du Craton. Les stations dans les unités externes de l'Oural montrent des directions rapides perpendiculaires à la tendance générale de la chaîne de montagne.

Reproduction de : Thèse doctorat : Acoustique : Le Mans : 2003. / Titre provenant de l'écran-titre.

L'élastographie impulsionnelle est une technique de caractérisation tissulaire permettant de mesurer in vivo les propriétés viscoélastiques des tissus vivants en étudiant la propagation d'ondes de cisaillement. Au cours de cette thèse, un outil numérique permettant de simuler des ondes de cisaillement dans des tissus mous viscoélastiques a été développé et validé par comparaison avec un modèle analytique et des données expérimentales. Dans un deuxième temps cet outil de simulation a été utilisé pour étudier dfférentes stratégies permettant de mesurer l'élasticité de milieux hétérogènes. Plusieurs méthodes permettant de mesurer in vivo la viscosité de cisaillement des tissus vivants ont également été étudiées. Ces différentes techniques ont notamment été appliquées à l'étude des propriétés visocélastiques du foie par élastographie impulsionnelle quantative. Enfin, un nouveau système de micro-élastographie permettant de mesurer les paramètres visocélastiques de petis organes ou de tissus situés au contact de la sonde a été proposé. Ce système de micro-élastographie de contact a été appliqué avec succès pour mesurer in vivo l'élasticité du foie sur deux modèles murins : un modèle d'amyloïdose et un modèle de fibrose expérimentale. / Transcient elastography is a tissue characterization technique used to measure non-invasively the viscoelastic properties of human tissues. In hepatology, this new technique is now a common diagnostic toll to assess liver fibrosis. However, it could still benefit from technological and algorithmic improvements to extend its use to order clinical applications. In this thesis, a numerical tool to simulate shear wave propagation in viscoelastic soft tissues was developed. Its results were validated by comparison with those provided by an analytical model and compared to experimental data. This tool was then used to test several inverse methods to compute the shear modulus and the shear viscosity of a medium from the displacements measured using ultrasound. These techniques were applied in vivo to measure the viscoelastic properties of liver. Finally, a novel micro-elastography device dedicated to the measurement of the elasticity of small organs or tissues was introduced and tested to quantify the elasticity of the liver in two murine mdols in vivo : a model of amyloidosis and a model of experimental fibrosis.