Le barrage poids en enrochement dont l'étanchéité est assurée par un masque en béton sur sa face amont est de plus en plus utilisé aujourd'hui. Son appellation courante est " CFRD1 ". La conception de ce type d'ouvrage est effectuée en suivant des " règles " de conception empiriques. Dans la dernière décennie, plusieurs barrages de type CFRD de grande hauteur ont subi la rupture de leur masque en béton lors de la première mise en eau, montrant ainsi la défaillance de l'approche empirique.Il s'avère alors nécessaire de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu, notamment dans le comportement des enrochements sous fortes contraintes. Ce travail de thèse commence par une recherche bibliographique montrant que les fortes contraintes ont un effet important dans la rupture des particules. Cette rupture est influencée par les caractéristiques des particules, l'assemblage et les conditions mécaniques imposées. Une fois les facteurs influençant la rupture de particules identifiés, on s'intéresse aux modèles de comportement tenant compte de ce phénomène. La plupart des modèles étudiés englobent les différents facteurs d'influence dans un ou plusieurs paramètres difficilement identifiables par les essais mécaniques courants. Un modèle proposé dans le cadre de la thermodynamique prenant en compte la distribution de taille des particules a été retenu pour une analyse plus approfondie. Cette analyse aboutit au besoin d'identifier deux phénomènes importants : i) la distribution de tailles de particules suite à la rupture, et ii) la relation entre la rupture de particules et la dissipation d'énergie par frottement. Concernant le premier phénomène, un modèle probabiliste est proposé. Ce modèle tient compte de l'effet de la taille des particules dans la probabilité de rupture. La comparaison des simulations aux résultats expérimentaux pour un sable montre une bonne approximation de la variation des courbes granulométriques. Concernant la relation entre la rupture de particules et la dissipation d'énergie par frottement, des essais triaxiaux ont été analysés thermodynamiquement sur un plan " énergie reçue/énergie rendue " par le système (l'échantillon de sol). Sur ce plan, on étudie le comportement dissipatif sans rupture qui se traduit par une relation linéaire. Les matériaux présentant une rupture des particules montrent une relation différente. Donc, ce plan permet de mettre en évidence la différence entre l'énergie dissipée par le matériau sans rupture et celui avec rupture de grains. Cette différence est associée au travail mécanique dû à la rupture des particules. Différentes conclusions et perspectives sont proposées à ce point pour le développement de modèles de comportement. Une conséquence directe de la dépendance de la probabilité de rupture avec la taille des particules est l'existence d'un effet d'échelle. Une théorie d'effet d'échelle récemment proposée pour l'enveloppe de rupture a été validée dans le cadre des relations contraintes-déformations. Ceci permet de modéliser la réponse contrainte-déformation d'un matériau contenant des particules de taille significative à partir d'un matériau de granulométrie réduite.Finalement, quelques recommandations de modification aux pratiques existantes dans la conception de barrages à masque amont en béton ont été proposées suite à des analyses de modèles en éléments finis.

Le barrage poids en enrochement dont l’étanchéité est assurée par un masque en béton sur sa face amont est de plus en plus utilisé aujourd’hui. Son appellation courante est « CFRD1 ». La conception de ce type d’ouvrage est effectuée en suivant des « règles » de conception empiriques. Dans la dernière décennie, plusieurs barrages de type CFRD de grande hauteur ont subi la rupture de leur masque en béton lors de la première mise en eau, montrant ainsi la défaillance de l’approche empirique.Il s’avère alors nécessaire de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu, notamment dans le comportement des enrochements sous fortes contraintes. Ce travail de thèse commence par une recherche bibliographique montrant que les fortes contraintes ont un effet important dans la rupture des particules. Cette rupture est influencée par les caractéristiques des particules, l’assemblage et les conditions mécaniques imposées. Une fois les facteurs influençant la rupture de particules identifiés, on s’intéresse aux modèles de comportement tenant compte de ce phénomène. La plupart des modèles étudiés englobent les différents facteurs d’influence dans un ou plusieurs paramètres difficilement identifiables par les essais mécaniques courants. Un modèle proposé dans le cadre de la thermodynamique prenant en compte la distribution de taille des particules a été retenu pour une analyse plus approfondie. Cette analyse aboutit au besoin d’identifier deux phénomènes importants : i) la distribution de tailles de particules suite à la rupture, et ii) la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement. Concernant le premier phénomène, un modèle probabiliste est proposé. Ce modèle tient compte de l’effet de la taille des particules dans la probabilité de rupture. La comparaison des simulations aux résultats expérimentaux pour un sable montre une bonne approximation de la variation des courbes granulométriques. Concernant la relation entre la rupture de particules et la dissipation d’énergie par frottement, des essais triaxiaux ont été analysés thermodynamiquement sur un plan « énergie reçue/énergie rendue » par le système (l’échantillon de sol). Sur ce plan, on étudie le comportement dissipatif sans rupture qui se traduit par une relation linéaire. Les matériaux présentant une rupture des particules montrent une relation différente. Donc, ce plan permet de mettre en évidence la différence entre l’énergie dissipée par le matériau sans rupture et celui avec rupture de grains. Cette différence est associée au travail mécanique dû à la rupture des particules. Différentes conclusions et perspectives sont proposées à ce point pour le développement de modèles de comportement. Une conséquence directe de la dépendance de la probabilité de rupture avec la taille des particules est l’existence d’un effet d’échelle. Une théorie d’effet d’échelle récemment proposée pour l’enveloppe de rupture a été validée dans le cadre des relations contraintes-déformations. Ceci permet de modéliser la réponse contrainte-déformation d’un matériau contenant des particules de taille significative à partir d’un matériau de granulométrie réduite.Finalement, quelques recommandations de modification aux pratiques existantes dans la conception de barrages à masque amont en béton ont été proposées suite à des analyses de modèles en éléments finis. / The concrete face rockfill dam (CFRD) is a type of dam widely constructed nowadays. The design “rules“ for this type of dam have remained totally empirical. During the last decade, several high CFRDs have experienced the cracking of the concrete face during first reservoir impounding. This shows the limitations of the current empirical state of practice. It is important to understand the different physical mechanisms leading to these problems, especially those concerning the mechanical behavior of rockfill materials. Looking for answers to this problem, this thesis starts by a bibliographic research which shows that particles breakage is an important issue on the mechanical behavior of rockfills. The particles breakage phenomenon is affected by the characteristics of individual particles, the packing conditions of the assembly and the imposed mechanical solicitations. Once the factors affecting particles breakage have been identified, we study the constitutive models that have introduced the particles breakage phenomena. Most of them reduce the influence of the different factors to a couple of parameters, which are not easily identifiable through current laboratory tests. One constitutive model proposed on a thermodynamic framework has been retained for a more detailed analysis. This analysis leads to two main topics of interest: i) the description of the grain-size distribution due to particles breakage, and ii) the relationship between dissipation of energy and particles breakage. Concerning the first topic, a probabilistic model is proposed to describe the evolution of particles breakage and the variation of the grain-size distribution curve. This model takes into account the dependency of breakage probability with particles size. The comparison between model response and laboratory experiences shows good agreement for the variation of the grain-size distribution curves.Concerning the relationship between dissipation of energy by friction and particles breakage, several drained triaxial tests have been studied thermodynamically on a plot called “input/output power” of the system (soil sample). On this plot, we study the dissipative behavior without particles breakage, which is characterized by a straight line. Materials experiencing particles breakage show a different form. Therefore this plot allows identifying the difference between the dissipated energy of materials with and without particles breakage. This difference is associated to the particles breakage phenomena. Several conclusions and future works are proposed at this point related to the description of the mechanical behavior of rockfills.A direct consequence of the dependency of particles breakage on the particles size is the existence of a size-scale effect. A theory recently proposed for the shear-strength envelope has been validated for the stress-strain relationships. This allows estimating the stress-strain response of a material with very coarse particles from a material with reduced grain-size distribution.Finally, some recommendations to the current practice of CFRDs design are proposed, based on analyses with finite element models.

Le comportement mécanique de matériaux granulaires est intrinsèquement lié aux propriétés individuelles des grains constitutifs ainsi qu’à leur assemblage (texture, distribution des vides, contact entre grains…). Soumis à un chargement extérieur, cet assemblage se déforme incluant le déplacement relatif entre les particules mais également la déformation propre des grains jusqu’à leur rupture si elle se produit. Pour étudier la rupture d'une seule particule, des études expérimentales et numériques ont été réalisées. Quatre particules sphériques formées de billes d’argile expansée légère ont été testées en compression à déplacement contrôlé jusqu’à la rupture (essai brésilien). Des photos ont été prises avec une fréquence d’acquisition de 4 images par seconde pour suivre la déformation des grains durant l’essai. La structure interne d'une particule a une influence significative sur l'initiation de la fissure. Pour approfondir cet effet, une micro-tomographie par rayons X a été utilisé pour scanner une particule afin d'obtenir la structure géométrique réelle en 3D. Ensuite, un modèle numérique 3D basé sur la géométrie des particules incluant la porosité interne a été construit avec Abaqus pour les mêmes conditions de chargement. Une comparaison des résultats des tests de laboratoire et des simulations a été faite. Sur la base des résultats, l’initiation des fissures, leur localisation dans le grain et la classification des ruptures de particules ont été établies. Afin d’étudier le rôle de l’anisotropie et en particulier de la fabrique d’un matériau granulaire soumis à un chargement externe, cinq essais de compression biaxiaux ont été réalisé sur un assemblage de grains quasi-sphériques placés dans une chambre confinée. Des photos ont été prises pendant les tests et ont été enregistrées selon une fréquence définie. Un programme écrit sous Matlab a été utilisé pour traiter les photos, obtenir le champ de déplacement et analyser les résultats. Un intérêt particulier a concerné l’orientation des contacts, le tenseur de fabrique et son évolution durant le chargement. L'impact de certains facteurs clés tels que la densité de compactage, la pression de confinement, la taille des plateaux de chargement, la taille des particules et l’épaisseur des échantillons sur la déformation des échantillons ont été étudiés. Une attention particulière s’est portée sur les grains subissant une rupture. Nous avons déterminé le nombre de contact sur ces grains et les avons reproduits, dans le modèle numérique (grain 3D) soumis à un chargement diamétral, par le biais de contraintes cinématiques / The mechanical behaviour of granular materials is deeply related to both the individual particle properties and to the assembly of grains (fabric, void distribution …). Subjected to an external loading, the assembly deforms which is not only dependent on relative grain displacements but also on the grain deformation and to grain breakage when occurring. Experimental and numerical studies of single particles were performed. Four approximately spherical particles of light expanded clay were tested to investigate the breakage phenomenon under diametric displacement-controlled compression load. Photos were taken with a frame rate of 4 images per second during the testing. Since the interior of a heterogeneous particle has significant influence on the failure initiation, an X-Ray micro tomography system was used to scan particles. Moreover, the post-processing enables us to obtain the real 3D volumetric structure. Then a 3D numerical model including pore structure was built in Abaqus for the same loading conditions. A comparison of results from laboratory tests and simulations was made. Based on the results, the crack initiation process, its location and classification of particle failures were set. For purpose of understanding the anisotropy and in particular fabric of packing of granular material when disturbed under external loading, five biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles settled in a chamber under confining pressure. During the test, photos were taken by the camera and saved to a computer at periodic intervals. Software written with Matlab codes was used to process the photos, determine the displacement field and analyse the results. Focus on contact orientation, fabric tensor and its evolution during testing were put on. Impact of some key factors such as packing density, confining pressure, sizes of the covers, sizes of the particles and thickness of samples on the packing characteristic were analysed. In order to understand mechanical behaviour and kinematic of multiple particles under external load considering particle breakage, six biaxial compression tests were performed on an assembly of approximately spherical particles. Photos were taken to record the location of each particle during the tests. Software written with of Matlab codes was used to process the photos and trace the displacement of all particles in order to analyze kinematical behaviour of the particles. A particular attention was payed to given particles subjected grain breakage within the assembly. Their contacts and relative displacements were introduced in the numerical model of single grain breakage and conclusions were derived