Depuis plus de vingt ans, le besoin en numérisation 3D de pièces industrielles augmente considérablement. Par conséquent, un grand nombre de techniques expérimentales ont été proposées ainsi que quelques solutions commerciales. Cependant, des difficultés subsistent pour l’acquisition de surfaces optiquement non coopératives, comme les surfaces transparentes et/ou spéculaires. En effet, la transmission ou réflexion spéculaire de la lumière va à l’encontre du fonctionnement des systèmes conventionnels d’acquisition 3D, qui repose sur l’acquisition de la partie diffuse de la réflexion. Afin d’aborder la problématique de numérisation 3D des surfaces métalliques fortement réfléchissantes, nous proposons l’extension d’une technique non conventionnelle, initialement dédiée aux objets en verre et appelée « Scanning from Heating ». Cette technique diffère des approches classiques de triangulation active par la mesure de l’émission thermique de la surface plutôt que de la réflexion du rayonnement visible. Une source laser est géométriquement calibrée avec un capteur infrarouge pour extraire le nuage de points 3D des images thermiques. En nous appuyant sur les propriétés thermo-physiques des métaux, nous présentons un modèle théorique des échanges thermiques mis en jeu par la technique, permettant de démontrer la faisabilité sur les matériaux métalliques. Grâce à un outil de simulation par éléments finis, les résultats apportent des indications essentielles pour le développement d’une solution expérimentale et le réglage de celle-ci. Un premier dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de valider le processus de numérisation 3D sur des surfaces spéculaires, de géométries et de compositions variées. Par ailleurs, une comparaison de nos résultats de numérisation avec ceux d’un système conventionnel permet de démontrer la polyvalence de notre technique. En effet, à partir d’un panel d’échantillons de géométries identiques mais d’états de surface différents, nous mettons en évidence que les performances d’acquisition 3D ne sont pas influencées par la rugosité de la surface. Enfin, en se basant sur des observations empiriques, un prototype de numérisation 3D est développé afin d’apporter des améliorations conséquentes par rapport au système initial / For the past twenty years, the need for three-dimensional digitization of manufactured objects has increased significantly and consequently, many experimental techniques and commercial solutions have been proposed. However, difficulties remain for the acquisition of optically non cooperative surfaces, such as transparent or specular ones. Since the working principle of conventional scanners is based on the acquisition of the diffuse part of the reflection, transparency and specular reflections may cause outliers. To address highly reflective metallic surfaces, we propose the extension of a non conventional technique that was originally dedicated to glass objects, called “Scanning from Heating”. In contrast to classical active triangulation techniques that acquire the reflection of visible light, we measure the thermal emission of the heated surface. A laser source is geometrically calibrated with a thermal sensor to extract a cloud of 3D points from infrared images. Considering the thermo-physical properties of metals, we present a theoretical model of heat exchanges that are induced by the process, helping to demonstrate its feasibility on metallic materials. With a finite element analysis solver, results give some important indications about the conception and the settings of the experimental solution. A first device has been designed in order to validate the 3D digitization process on specular surfaces, with various geometries and compositions. Furthermore, a comparison of our results with those of a conventional system shows the versatility of our technique. Actually, from metallic samples with the same dimensions but various surface states, we prove that the accuracy of the 3D acquisition is not affected by the surface roughness variations. Finally, according to some practical observations, a 3D scanner prototype has been designed to improve the efficiency of the first system

L’objectif de cette thèse est d’approfondir la connaissance sur la génération et la propagation des ondes à travers l’interface de contact afin de contrôler leurs effets sur le frottement, contrôler les instabilités et réduire les phénomènes d'usure. Le travail est organisé en deux parties principales. La première partie est axée sur une analyse non-linéaire par éléments finis en grandes transformations; la rupture dynamique à l’interface de contact avec frottement, qui sépare deux corps (isotropes et élastiques) en condition de pré-charge statique, est simulée. On définit comme étant une rupture une zone, initialement en adhérence, qui change son état en devenant glissante. Les propriétés des ruptures sont analysées pour une surface plane entre deux matériaux différents en fonction de l’énergie de nucléation; l’effet de la rugosité de surface est ensuite analysée. En outre, la rupture "cumulatives" dans les aspérités et les conditions pour le couplage ou le non-couplage entre les ondes qui se propagent dans les deux corps sont étudiées. Dans la deuxième partie, l'amorçage du glissement entre deux corps en contact constitués de matériaux différents et séparés par une interface avec frottement, est simulée. L’évolution, en fonction du temps, des forces globales (normale et tangentielle) a été mise en relation avec les phénomènes locaux qui se déroulent à l’interface. L'analyse montre comment les micro-slips à l'interface, en agissant comme ruptures localisées, déclenchent les macro-slips entre les deux corps. L'interaction entre les dynamiques locale du contact et globale du système a été aussi étudiée. Enfin, une analyse paramétrique est menée en fonction de plusieurs paramètres (loi de contact, coefficient de frottement, amortissement matériau, charge normale, etc.). Les résultats mettent en avant le rôle-clé des micro-slips et des précurseurs (propagations d'ondes détectables qui ont lieu pour des valeurs de la force tangentielle globale inférieures à la valeur prévue par la loi de frottement) dans l'amorçage du macro-slip entre les deux corps. En fonction de leur distribution et de leur intensité, l'évolution des forces de contact change en passant d'un comportement de type stick-slip à un glissement continu. La dynamique locale au contact (propagation des ondes et ruptures) a été reliée au comportement global du système (stick-slip, glissement continu, vibrations induites); l'effet des paramètres du contact et du système sur le transfert d'énergie vibrationnelle entre le contact glissant et le système a également été examinée: en fonction de leurs valeurs, on peut avoir différentes modalités d'excitation du système (par une distribution de micro-slips ou par des macro-slips) et différentes processus de propagation et dissipation d'énergie. Les résultats numériques obtenus dans les deux parties de la thèse sont cohérents avec les résultats expérimentaux de la littérature. / This thesis is addressed to the understanding of the mechanisms at the origin of the contact wave fields at frictional interfaces and its relationship with the local characteristics of the surfaces in contact, as well as with the global dynamics and macroscopic frictional behaviour of the system. The aim of this work is to provide insights on the generation and propagation of the waves through the contact both to avoid instabilities and to control their effect on friction. The work is organized in two main parts. The first part presents the development of a non-linear finite element analysis in large transformations of the dynamic rupture at the interface with contact friction separating two bodies (isotropic and elastic) without relative motion. A rupture is considered when an initially sticking zone shifts in sliding state. The properties of the obtained ruptures are analyzed for a flat interface between dissimilar materials in function of the nucleation energy; then the effect of the interface roughness is analyzed. The differentiated rupture inside the asperities and the conditions for coupling and uncoupling between the waves radiating in the two bodies have been also investigated. In the second part, the analysis deals with the sliding onset between two bodies in contact. The sliding between two bodies made of different isotropic elastic materials and separated by a frictional interface is simulated. The evolution along the time of the global normal and tangential forces is analyzed, relating it to the local phenomena occurring at the interface. This part tries to investigate how micro-slips at the interface, acting as distributed ruptures, trigger the macro-slips between the two bodies. The interaction between local and global dynamics is also studied. Finally a numerical parameter space study is carried out, as a function of several system parameters (contact law, friction coefficient, material damping, normal load, translational velocity and regularization time). The results show the key role of the micro-slips and precursors (detectable wave propagations that occur at tangential global force well below the critical value expected by the friction law) in triggering the macro-slip between the two bodies. Depending on their distribution and magnitude the evolution of the contact forces passes from stick-slip-like behaviour to continuous sliding. The local dynamics at the contact (wave and rupture propagation) is linked to the global behaviour of the system (stick-slip, continuous sliding, induced vibrations); the effect of the contact and system parameters on the transfer of vibrational energy between the sliding contact and the system is investigated. The numerical results obtained by the two parts of the work show a good agreement with experimental results in literature.

Résumé Ce travail de thèse concerne le frottement et la dynamique d’un contact glissant entre deux plans secs et rugueux soumis à une faible charge normale. La vibration normale, et le bruit qui en résulte, sont associés à l’excitation induite au cours du glissement par les deux topographies aléatoires des solides en regard. Des mesures expérimentales de l’accélération verticale d’un patin rugueux soumis à son propre poids et en glissement stationnaire sur une piste rugueuse ont permis d’identifier et de caractériser une transition entre deux régimes : un régime de contact ininterrompu entre les solides à basses vitesses et un régime de sauts pour des vitesses plus élevées. Pour ce dernier, la dynamique est gouvernée par de très nombreux impacts entre aspérités que nous avons caractérisés sur le plan statistique (nombre de chocs, durées entre chocs, forces d’impact, etc.). Ces deux régimes conduisent à des comportements en frottement bien distincts. Une des originalités de cette recherche a été de confirmer les scénarios suggérés par les mesures accélérométriques à l’aide d’une mesure haute fréquence des variations temporelles de la résistance électrique de contact au cours du glissement. En améliorant la résolution temporelle des chocs, ces mesures apportent un éclairage dynamique sur la problématique du contact électrique rugueux. Pour interpréter ces résultats expérimentaux, nous avons revisité le modèle standard du Bouncing Ball. Il décrit une bille soumise à la gravité, et rebondissant sur une table animée d’un mouvement vertical aléatoire, représentatif de l’excitation stochastique induite par les topographies de surfaces en glissement. Nous avons introduit pour la première fois dans le modèle un temps de corrélation pour l’excitation aléatoire et montré son influence sur la dynamique des rebonds. Ce temps de corrélation est directement relié aux longueurs de corrélations des surfaces en contact et à la vitesse de glissement. Ce modèle revisité permet in fine une bonne prédiction de la vitesse de transition entre les deux régimes observés expérimentalement. / This work deals with the friction and dynamics of a sliding contact between two dry and rough surfaces subjected to a low normal load. The normal vibration and the resulting noise are associated with the excitation induced during slip by the random topographies of both solids. Experimental measurements of the vertical acceleration of a rough slider subjected to its own weight and steadily sliding on a rough plate enabled identification and characterization of a transition between two regimes: An uninterrupted contact regime at low speeds and a regime of jumps at higher speeds. For the latter, the dynamics are governed by many impacts between asperities that we have characterized statistically (number of shocks, duration between shocks, impact forces, etc.). These two regimes lead to distinct frictional behaviors. One of the originalities of this research was to confirm the scenarii suggested by the accelerometric measurements through high-frequency monitoring of the temporal evolution of the electrical contact resistance during sliding. By improving the temporal resolution of shocks, these measurements provide a dynamics picture of the problem of rough electrical contact. To interpret these experimental results, we have revisited the standard Bouncing Ball model. It describes a ball subjected to gravity, and bouncing on a table animated by a random vertical motion, representative of the stochastic excitation induced by the topographies of sliding surfaces. We improved the model by introducing a correlation time for the random excitation and showed its influence on the dynamics of the bounces. This correlation time is directly related to the correlation lengths of the surfaces in contact and to the sliding velocity. This revisited model enables a good prediction of the speed at which the transition between the two regimes is observed experimentally.

Cette étude réalisée dans le cadre du procédé SPS (Suspension Plasma Spraying) a pour but de mieux appréhender les mécanismes de formation des lamelles résultant de l'impact de particules submicroniques par une approche adimensionnelle. Cette approche repose sur la diminution de la vitesse d'impact à l'échelle micrométrique (40 µm) pour se rapprocher des conditions d'impact des particules sub-microniques (300 nm). Un banc dédié permet d'étudier la dynamique d'étalement de gouttes micrométriques. Cette étude comprend - une étude expérimentale de l'étalement de gouttes isolées durant le procédé, - une approche adimensionnelle comparant les comportements à l'étalement de gouttes aux échelles micrométrique et sub-micrométrique, - une étude de la morphologie des lamelles avec la rugosité des substrats. Les résultats acquis permettent de définir une rugosité la mieux adaptée à un étalement maximal des lamelles aux deux échelles de mesure et d'éviter la présence de défauts à l'interface dépôt/substrat. Des essais de tractions sur des dépôts projetés montreront que le profil de rugosité joue un rôle décisif sur l'adhérence des dépôts. / As part of the Suspension Plasma Spraying process (SPS), this study aims at a better understanding of the impact behavior of sub-micrometric droplets. Using a dimensionless approach, the governing mechanisms of splat formation are studied. This approach is based on the velocity decrease of the micrometric droplet (40 µm), in order to be closer to sub-micrometric particle impact conditions. A specific test bench is used to study the dynamic flattening of micrometric droplets. This work includes - an experimental study of the impact of single droplets on a substrate, - a dimensionless approach to compare flattening behaviors of micrometric and sub-micrometric droplets - a study of splat morphology related to the substrate roughness. The results allow to define the substrate roughness for maximum splat flattening for both measuring scales, and to prevent the formation of any defects at the coating / substrate interface.

Le processus d'érosion éolienne peut entraîner plusieurs conséquences environnementales: la désertification, la dégradation des sols, la pollution de l'air, etc. Cette dernière est liée aux émissions de particules de matériaux granulaires couramment trouvés sur des sites industriels tels que le minerai et le charbon. La distribution granulométrique de ces matériaux consiste habituellement en un mélange d'une large gamme de diamètres, qui comprennent des particules plus grosses qui ne sont pas érodables même avec de fortes rafales de vent. Les particules non érodables jouent un rôle protecteur pour les particules érodables, en recouvrant la surface et en réduisant ses émissions. L'objectif principal de cette thèse est d'estimer plus précisément les émissions dues à l'érosion éolienne compte tenu de l'influence du pavage causée par des particules non érodables. Un modèle analytique a été proposé pour quantifier les émissions des lits de particules et des tas de stockage avec une large distribution granulométrique. Les effets du processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse de frottement moyenne sur la surface érodable puisque les particules non érodables s'accumulent. Des travaux antérieurs ont défini une relation mathématique entre l'évolution de la vitesse de frottement sur la surface érodable et la géométrie des éléments de rugosité. Néanmoins, l’equation n'est valable que pour des taux de couverture de particules non érodables limités. Des simulations numériques ont été effectuées dans ce travail pour étendre cette relation afin d'inclure d'autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec de plus grandes quantités de particules non érodables). Le modèle d'émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la vitesse de frottement (à laquelle les émissions cessent), en tirant parti des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui fournit à son tour la masse émise. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin de mieux comprendre le phénomène de pavage et estimer les émissions d'un lit de particules contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats expérimentaux ont également été utilisés pour valider la modélisation, y compris la masse émise globale et les caractéristiques finales de la surface du lit. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et modélisés pour les émissions globales et la profondeur de lit érodé. Le modèle d'érosion a été étendu pour l'application dans les tas de stockage. Dans ce cas, l'érodabilité des particules est plus complexe, puisque la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. L'idée du modèle était de subdiviser le tas en isosurfaces dans lesquelles les conditions de seuil et la vitesse de frottement sont constantes, et traiter chacune de ces zones comme une source différente où le modèle d'émission peut être appliqué. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin d'estimer les émissions d'un tas de sable contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats modélisés et expérimentaux ont été comparés pour la configuration d'un tas isolé et un bon accord a été trouvé entre la masse émise estimée et mesurée. L'impact de la présence d'un bâtiment et d'un tas de stockage parallèle successif sur l'émission globale de particules a également été évalué. Des expériences en soufflerie et des simulations numériques ont été effectuées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de: (i) l'orientation du vent, (ii) la vitesse du vent, (iii) la distance entre l'obstacles et (iv) la quantité de particules non érodables. Il a été constaté que les interférences de l'écoulement entre les obstacles augmentent les émissions. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact significatif et doivent être prises en compte dans l'estimation et la modélisation des émissions de poussières. / Wind erosion process can lead to several environmental consequences: desertification, land degradation, air pollution, etc. This last one is related to particulate matter emissions from granular materials commonly found on industrial sites, such as ore and coal. The particle size distribution of these granular materials usually consist of a mixture of a wide range of diameters, which include larger particles that are non-erodible even with strong gusts of wind. The non-erodible particles play a protective role for erodible particles, paving the surface and reducing emissions. The main objective of this thesis is to estimate more accurately emissions due to wind erosion considering the influence of the pavement caused by non-erodible particles. An analytical model was proposed to quantify emissions from particle beds and stockpiles with a wide size distribution. The effects of pavement process are incorporated in the model through the decrease of the mean friction velocity on the erodible surface as the non-erodible particles accumulate. Previous works have defined a mathematical relation between the evolution of the friction velocity over the erodible surface and the geometry of the roughness elements. Nonetheless, the formulation was only valid to limited cover rates of non-erodible particles. Numerical simulations were carried out in this work to extend the formulation in order to include other cases encountered in real situations (with larger amounts of non-erodible particles). The proposed emission model describes the relationship between the minimum value of friction velocity (at which emissions cease), taking advantage of the numerical findings, and the final eroded depth of the bed, which in turn, provides the emitted mass. Wind tunnel experiments were carried out in order to better understand the pavement phenomenon and estimate emissions from a bed of particles containing a bimodal size distribution. The experimental results were also used to validate the modeling, including the global emitted mass and the final characteristics of the bed surface. A good agreement was found between experimental and modeled results for the global emissions and the bed eroded depth. The erosion model was extended for application in stockpiles. In this case, the erodibility of the particles is more complex as the friction velocity and the threshold conditions are not spatially homogeneous. The idea of the model was to subdivide the pile in isosurfaces in which the threshold conditions and the friction velocity are constant and then treat each one of these areas as a different source where the emission model can be applied. Wind tunnel experiments were carried out in order to estimate emissions from a sand pile containing a bimodal size distribution. The modeled and the experimental results were compared for the configuration of an isolated stockpile and a good agreement was found between the estimated and the measured emitted mass. The impact of the presence of a building and a successive parallel stockpiles on the overall particles emission was also evaluated. Wind tunnel experiments and numerical simulations were carried out for several configurations evaluating the effects of: (i) main wind flow orientation, (ii) wind flow velocity, (iii) gap between the obstacle and (iv) amount of non-erodible particles. It was found that the flow interferences between the obstacles increase emissions. Therefore, all wind perturbations have a significant impact and have to be accounted in dust emission estimation and modeling. / O processo de erosão eólica pode levar a várias consequências ambientais: desertificação, degradação da terra, poluição do ar, etc. Esta última está relacionada com as emissões de partículas provenientes de materiais granulares comumente encontrados em indústrias, como minério e carvão. A distribuição granulométrica destes materiais normalmente consiste em uma mistura com uma ampla gama de tamanhos, incluindo partículas maiores que não são erodíveis mesmo com fortes rajadas de vento. As partículas não erodíveis desempenham um papel protetor para as partículas erodíveis, pavimentando a superfície e reduzindo as emissões. O objetivo principal desta tese é estimar com maior acurácia as emissões devidas à erosão eólica considerando a influência da pavimentação causada pelas partículas não-erodíveis. Um modelo analítico foi proposto para quantificar as emissões de leitos de partículas e pilhas com ampla distribuição granulométrica. Os efeitos do processo da pavimentação são incorporados no modelo por meio da diminuição da velocidade de fricção média na superfície erodível à medida que as partículas nãoerodíveis se acumulam. Trabalhos anteriores definiram uma relação matemática entre a evolução da velocidade de fricção na superfície erodível e a geometria dos elementos rugosos. No entanto, a formulação é válida apenas para limitadas taxas de cobertura de partículas não-erodíveis (< 12%). Simulações numéricas foram realizadas neste trabalho para estender a formulação de modo a incluir outros casos encontrados em situações reais (com maiores quantidades de partículas nãoerodíveis). O modelo de emissão proposto descreve a relação entre o valor mínimo da velocidade de fricção (para qual as emissões cessam), utilizando os resultados numéricos, e a profundidade final erodida do leito, que, por sua vez, fornece a massa emitida. Experimentos em túnel de vento foram realizados para melhor compreender o fenômeno da pavimentação e estimar as emissões de um leito de partículas contendo uma distribuição granulométrica bimodal. Os resultados experimentais foram também utilizados para validar a modelagem, incluindo a massa global emitida e as características finais da superfície do leito. Uma boa concordância foi encontrada entre os resultados experimentais e modelados para as emissões globais e a profundidade erodida do leito. O modelo de erosão foi estendido para aplicação em pilhas de estocagem. Neste caso, a erodibilidade das partículas é mais complexa, uma vez que a velocidade de fricção e as condições de limiar não são espacialmente homogêneas. A ideia do modelo é subdividir a pilha em isosuperfícies em que as condições de limiar e a velocidade de fricção são constantes e, em seguida, tratar cada uma dessas áreas como uma fonte diferente onde o modelo de emissão pode ser aplicado. Foram realizados ensaios experimentais em túnel de vento para estimar as emissões de uma pilha de areia contendo uma distribuição de tamanho bimodal. Os resultados experimentais e modelados foram comparados para a configuração de uma pilha isolada (orientada 60 e 90° em relação a direção do escoamento) e uma boa concordância foi encontrada entre a massa estimada e a emitida. O impacto na emissão da presença de um edifício e de uma pilha de estocagem sucessiva também foi avaliado. Experimentos em túnel de vento e simulações numéricas foram realizados para várias configurações avaliando os efeitos de: (i) orientação do vento, (ii) velocidade do vento, (iii) espaçamento entre os obstáculos e (iv) quantidade de partículas não erodíveis. Verificou-se que as interferências do escoamento entre os obstáculos aumentam as emissões. Portanto, todas as perturbações no escoamento têm um impacto significativo e devem ser contabilizadas na estimativa e modelagem de emissões de partículas.

Dans les systèmes anaérobies de traitement d'eaux usées, la biomasse microbienne complexe incluant archées et bactéries peut être maintenue au sein du procédé par l'adhésion aux supports solides sous forme de biofilm. Le but de ce travail est d'évaluer l'impact des propriétés des matériaux supports sur l'adhésion et la colonisation du consortium méthanogène. Différents matériaux (le polyéthylène, le polypropylène, le chlorure de polyvinyle, l'acrylonitrile butadiène styrène, le polycarbonate, le verre borosilicaté, l'acier inoxydable 304L et Bioflow 30 ®) sont décrits en termes de topographie par la détermination de rugosité et en termes d'énergie de surface par la mesure d'angle de contact. Le biofilm est évalué quantitativement et les structures communautaires bactériennes et archéennes sont observées grâce à l'analyse moléculaire à différents stades de sa mise en place. L'adhésion d'un consortium méthanogène sur les matériaux après deux heures de contact dans un réacteur annulaire rotatif révèle que les communautés adhérées diffèrent de l'inoculum, y compris en termes de proportion archées/bactéries. Ce résultat a un impact significatif sur le démarrage de digesteurs anaérobie car les tendances observées sont confirmées pendant l'établissement du biofilm actif. La mise en oeuvre de différents matériaux dans des réacteurs à lit fixe a permis de montrer que les populations d'archées des biofilms sont spécifiques au matériau et indépendantes de l'inoculum. / In anaerobic wastewater treatment systems, the complex microbial biomass including Archeae and Bacteria may be retained as a biofilm by attachment to solid supports. The aim of this study is to evaluate the impact of support material properties on adhesion and colonization. Various substrata (polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene, polycarbonate, borosilicate glass, stainless steel 304L and Bioflow 30®) are described in terms of topography by determinating of roughness and in terms of surface energy by contact angle measurement. Adhesion is quantified and the bacterial and archaeal community structure are assessed by molecular analysis in various stages of the biofilm development. Adhesion of a methanogenic consortium on these substrata Is measured after two hours of contact in a rotating annular reactor. The result reveals that the adhered communities were different from the parent inocula, including the Archeae/Bacteria ratio. This result has a significant impact on the start-up of anaerobic digesters because the observed tendencies are confirmed during the establishment of the active biofilm. Start-up of anaerobic fixed-bed reactors using different substrata showed that Archeae populations in the biofilms are specific to each of the material and independent of the inoculum.

Lors de la mise en oeuvre du béton dans les coffrages ou lors du pompage du béton, une couche, appelée couche limite, constituée d’eau et de fines, se forme près de l’interface. Diverses études ont montré que le frottement à l’interface béton-paroi dépend essentiellement des propriétés rhéologiques de la couche limite, de sa composition et de la rugosité de la paroi. L’objectif principal de cette étude est de comprendre les phénomènes se produisant à l’interface à l’échelle des grains. Toutefois, compte tenu de la complexité de deux corps en contact : couche limite et paroi, le système étudié est simplifié. La complexité du matériau béton a ainsi été simplifiée, en considérant que ce milieu est constitué de grains sphériques monodisperses et sans cohésion. Par ailleurs, la rugosité de la paroi formée en réalité par des aspérités irrégulières, est représentée par des géométries simples. L’étude repose sur l’utilisation de deux modèles, un modèle analogique et un modèle numérique.L’approche analogique est constituée d’un dispositif expérimental monté sur le tribomètre. Le cisaillement s’effectue en déplaçant, une baguette crénelée placée sous un empilement de billes confiné par une masse. Trois baguettes représentant trois rugosités différentes sont utilisées. Les résultats expérimentaux montrent que les conditions à l’interface (vitesse, rugosité, pression) influent sur le frottement et sur les mécanismes à l’interface.L’approche numérique est basée sur la méthode des éléments distincts. La rugosité de la paroi est modélisée par un assemblage de sphères collées sur un plan mobile. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance entre les approches numérique et expérimentale. De même, l’étude numérique réalisée en conditions périodiques et pour différentes rugosités montre que les conditions à l’interface influent sur le frottement et sur le comportement du milieu près de l’interface (profils de vitesses, épaisseur de la couche cisaillée, etc.). / When fresh concrete is placed into formworks or during concrete pumping, a layer, called boundary layer, consisting of water and fines, is formed at the interface. Various studies have shown that the friction between the concrete and the wall (form or pipe) is closely linked to the rheological properties of the boundary layer, its composition and the wall roughness. This study aims at understanding the wall-concrete interface phenomena at a grain scale. However, due to the complex nature of the two bodies in contact: boundary layer and wall, a simplified system has been considered. The concrete has been simplified by assuming that it consists of monodispersed spherical grains and without cohesion. Moreover, the irregular asperities of the wall roughness are represented by simple geometries. The study is based on the use of two models, an analog model and a numerical model.The analog approach consists of an experimental device fitted on the tribometer. The test consists in moving rough plates under stacks of confined monodispersed beads. The roughness of the plate is represented by crenels. Three plates representing different roughnesses are used. The experimental results show that the friction and the interface mechanisms are affected by the interface conditions (velocity, roughness, pressure).The numerical approach is based on the Discrete Element Method (DEM). The wall roughness is modeled by an assembly of spheres fixed on a moving plane. The results obtained by numerical simulations compared with those of the analog model show a good confrontation. As well, the numerical study carried out with periodic boundary conditions and for different roughnesses shows that the interface conditions affect the friction and the behavior of the medium near the interface (velocities profiles, thickness of the shear layer, etc.).

Au sein des communautés végétales, les traits fonctionnels dirigent et influencent les processus sol-plantes. Le ruissellement et l'érosion concentrés, causes principales de la dégradation des sols, peuvent être contrôlés par des végétations herbacées qui créent une rugosité hydraulique induisant la réduction de la vitesse des flux de ruissellement et la rétention des sédiments. L'approche des traits, plutôt que taxonomique, permet de comprendre et caractériser les effets directs de la végétation sur le ruissellement et la rétention des sédiments. Ce projet de recherche vise à approfondir les connaissances vis-à-vis des effets (i) des traits fonctionnels (Chapitre 1), (ii) de la complémentarité des traits (Chapitre 2), et (iii) de la diversité fonctionnelle (Chapitre 3) sur les écoulements concentrés et la rétention des sédiments afin d'évaluer l'efficacité et le design de haies herbacées pour réduire les impacts de l'érosion des sols dans les bassins versants limoneux d'Europe. Parmi les combinaisons de traits principaux identifiées comme augmentant la rugosité hydraulique (densité et diamètre des tiges, et densité et surface foliaire), certains traits sont négativement corrélés. Un meilleur effet pourrait donc être atteint au sein d'assemblage d'espèces par un effet complémentaire des traits. Cependant, des effets non-additifs des diversités en espèces et fonctionnelle ont été trouvés, chacun généré par un effet dominant des traits dans les communautés testées. Ces effets des traits et de la diversité fonctionnelle sur la rugosité hydraulique et la rétention des sédiments constituent une nouvelle avancée dans la compréhension des effets de l'assemblage des traits sur les processus d'écoulement et d'érosion des sols ainsi qu'une base pour le design et la modélisation des haies herbacées pour le contrôle du ruissellement et de l'érosion. / Plant-soil processes are driven and influenced by plant functional traits in vegetation communities. Concentrated runoff and erosion constitute the main cause of soil degradation and can be managed by herbaceous vegetation creating hydraulic roughness that induces flow velocity reduction and sediment retention. Using plant trait-based approach, unlike taxonomical approach, allows to understand and characterise the direct effects of the vegetation on runoff and sediment retention. This research project aims to deepen the knowledge regarding the effects of (i) plant functional traits (chapter 1), (ii) traits' complementarity (chapter 2) and (iii) functional diversity (chapter 3) on concentrated runoff and sediment retention processes, in order to evaluate the efficiency and design of herbaceous hedges to reduce the impacts of soil erosion in loamy European agricultural catchments. The identification of the main efficient traits and traits' combinations towards hydraulic roughness increase (stem density, diameter, leaf area and density) highlighted negatively correlated traits, suggesting that a trade-off could be reached within a plant species assemblage through a complementarity effect of the traits. However, non-additive effects of plant species diversity and functional diversity were found, both driven by dominant traits in the community. The effects of traits and functional diversity on the hydraulic roughness and sediment retention constitute a new advance in the understanding of plant trait assemblage on runoff and soil erosion processes and a baseline for the design and modelling of herbaceous hedges for runoff and erosion control.

A key requirement in evaluation of sliding stability of concrete dams is monitoring shear behavior of 1) concrete joints in dam body, 2) concrete-rock interfaces and 3) rock discontinuities in dam foundation. The methodology consisted of creating a database of observed shear behaviors of the mentioned joints using acoustic emission (AE) technique. Joint samples were fabricated by tension splitting of the cores and pouring concrete on rock joint replica for simulating concrete-rock interfaces. Variations of key parameters including joint geometry, normal stress, displacement rate and bonding percentage were incorporated in the analysis. An analysis was also carried out on natural joints from Daniel Johnson (Manic 5) Dam, Quebec, founded on gneiss to granitic rock. Parametric-based and signal-based analysis methods were used to evaluate the potential of AE for monitoring shear behavior of various kinds of joint with different characteristics. Using AE parameters such as amplitude, count, energy, duration and rise time, this study was done as a feasibility study for AE monitoring of sliding surfaces within dam, dam-rock interface or inside rock foundation. It was found that AE has a good capability for showing the initial shear movement of the non-bonded joints. For bonded joints this technique can show that AE activities are occurring before breaking of adhesive bond. This is important because recording AE signals after an initial breakage of the joint would be too late to install stabilization work to be done beforehand. Of course in the eventuality that a rupture includes a sequence of events even recording AE signals of the first break is still useful. It is recommended to use this method combined with other instrumentation methods (e.g. load measuring instruments) to detect the initial shear movement of the bonded joints. Following experimental work and analysis of crack propagation and asperity degradation along shearing process, four different periods were observed in shear stress-displacement behavior of joints. These periods are: 1) Pre-peak linear period in which AE activities are initiated and show the beginning of shear displacement, 2) Pre-peak non-linear period in which AE signals are generated from crack initiation and degradation of the secondary asperities, 3) Post-peak period where first order asperities are sheared off and joints pass their maximum shear strength and 4) Residual period in which AE activities decrease and reach their minimum values. The applicability. of AE localization technique was evaluated using image analysis and scanned surfaces of the joints by laser. The results indicated that this method can locate regions with rupture governing characteristics. This provides the possibility to reinforce support systems and be aware about possible structure failures before any unexpected mechanical disturbance.

Les cendres volcaniques issues des différents mécanismes de fragmentation ont diverses textures et morphologies externes. Chaque particule de cendre peut donner des informations sur son propre environnement et sur les mécanismes de formation. On peut définir un régime de fragmentation et la quantité de l'eau qui participe au processus de fragmentation. Actuellement, les cendres volcaniques ont surtout fait l'objet d'approches qualitatives. En effet, la complexité et la variabilité des formes des particules volcaniques rendent l'approche quantitative difficile et la caractérisation numérique des textures de surface des cendres volcaniques, en raison de sa complexité, est encore mal définie. Des descriptions de surface simples et bien définies sont présentées dans cette étude. On se base sur le fait que la variation de niveau de gris est liée à la variation de rugosité de la surface. Ici, des valeurs de niveau de gris ont été employées sous une forme correspondant aux valeurs z vertical sur la surface. Les inconvénients et les avantages de la simplicité de la méthode sont discutés. Sept paramètres de rugosité (Rq, Ra, Rsk, Rku, Rv, Rp, Rt), trois paramètres de quadtree (nQT, mQT, sQT) et dimension de fractale sur des surfaces de cendres sont mesurés. Une analyse de gradient basée sur des opérateurs de Sobel a été exécutée et des parcelles de terrain polaires ont été produites, sur la base de la fréquence des gradients. Différents paramètres de forme, tels que le facteur de forme, la compacité, l'arrondi, l'allongement, la solidité, la convexité et les dimensions de fractale sont calculés sur les parcelles de terrain polaires. Des échantillons provenant de l'activité variée de 5 volcans ont été choisis pour l'analyse 2D : Nemrut, Erciyes (Turquie), Galunggung (Indonésie), Villarica (Chili), Miyakejima (Japon). Cependant, des images tridimensionnelles permettent à différents dispositifs morphologiques d'être mieux interprétés et mesurés. En conséquence, des coupes de particules, la stéréoscopie et le meulage commandé ont été employés pour acquérir une reconstruction 3D. Des paramètres externes sont calculés sur les surfaces 3D des particules des cendres du volcan Villarica. Les paramètres externes sont employés pour regrouper les différents types de particules selon leurs mécanismes de framentation et en particulier pour séparer les changements de styles en cours d'éruptions, liés au rapport eau/magma. Les paramètres de morphologie de surface optima ont été déterminés à l'aide des corrélations entre les paramètres de surfaces qualitatif, la porosité, l'abondance des xénolithes, les rapports de masse eau-magma (R) et des paramètres de surfaces quantitatifs. On admet que Ra et Rq sont des paramètres de rugosité sensibles à la micro-rugosité (par exemple à la poussière fine) tandis que d'autres paramètres de rugosité, Rsk et Rku, mesurent la macro-rugosité liée aux cavités de surface (vésicules). En effet, le paramètre de quadtree nQT, la dimension de fractale des surfaces et la solidité des parcelles de terrain polaires ont aussi la même réponse à la micro-rugosité, semblable à Ra et Rq. En raison de l'intérêt croissant pour les propriétés externes de matériaux normaux, les paramètres des surfaces proposés dans cette étude peuvent être appliqués aux surfaces de divers matériaux normaux