Le ballast est la couche granulaire, formée de grains rocheux irréguliers de taille centimétrique, qui supporte la voie ferrée par l'intermédiaire des traverses. Son rôle est crucial dans la transmission des efforts statiques et dynamiques imposés par la circulation des trains vers le sol supportant la voie. Pour comprendre le phénomène de tassement du ballast, qui croît fortement avec la vitesse des trains, et qui entraîne de coûteuses opérations de maintenance, il est important de bien connaître l’influence de la morphologie des grains sur le comportement mécanique du ballast. C’est l’objectif de cette thèse, dans laquelle est développée une technique innovante de caractérisation morphologique fondée sur la décomposition orthogonale aux valeurs propres (« POD »). Cette technique, appliquée à des données expérimentales détaillées (scans 3D) permet d’identifier un choix optimal de fonctions de forme. Il est alors possible de générer numériquement des assemblages granulaires représentatifs du ballast avec différents degrés de raffinement selon le nombre de fonctions de base retenu. Pour passer aux applications mécaniques, les grains, ainsi modélisés par un nombre limité de coefficients, doivent ensuite par une opération de maillage être assimilés à des polyèdres convexes dont le comportement mécanique est simulé par la méthode des éléments discrets (dynamique des contacts, avec le logiciel LMGC90). On détermine alors des caractéristiques de base comme l'angle de frottement interne et la compacité dans l'état critique de cisaillement quasi-statique maintenu. Ces propriétés sont stabilisées à partir d’un nombre assez faible de fonctions de forme (de l’ordre de 10). Dans le domaine de la description morphologique, l’approche fondée sur la POD ouvre d’intéressantes perspectives pour améliorer les caractérisations usuelles. Elle permet de différencier les ballasts selon leur degré d’usure ou la carrière dont ils proviennent. Elle conduit également à une méthode d’identification des faces et des courbures des grains / The ballast is the granular layer formed of irregular centimeter-sized rock grains, which supports the railway through the sleepers. Its role is crucial in the transmission of static and dynamic forces imposed by the movement of trains towards the ground supporting the track. To understand the phenomenon of ballast settlement, which increases significantly with the speed of the trains, and which requires costly maintenance operations, it is important to understand the influence of the grain morphology on the mechanical behavior of the ballast. Such is the objective of this thesis. First, an innovative method for particle shape characterization is developed, based on the Proper Orthogonal Decomposition (POD). When applied to highly accurate experimental data (3D scans of ballast grains), this technique enables the identification of an optimal set of shape functions, such that the shape information is condensed in a minimum number of coefficients. It becomes then possible to numerically generate granular assemblies that are representative of the morphology of ballast grains with different degrees of refinement according to the number of retained shape functions. In order to investigate their mechanical properties, the grains modeled by a limited number of coefficients have to be subjected to a meshing procedure and turned into convex polyhedra, suitable for numerical simulations of mechanical behaviours via the discrete element method (contact dynamics, using the LMGC90 software). We determine some fundamental characteristics such as the internal friction angle and the solid fraction in the critical state of quasistatic steady shear flow. These properties are stabilized after including a rather small number of shape functions in to the model (on the order of 10).The method also opens promising avenues for morphological characterization applications. It proves able to distinguish ballast grains with varying degrees of wear, or produced in different quarries. It also leads to a procedure for identifying faces and curvatures

De nombreux matériaux du génie civil, comme le béton ou les enrobés bitumineux, sont des pâtes granulaires, c'est-à-dire des suspensions dont la concentration volumique en inclusions solides est très élevée. Ce travail porte sur la modélisation et la simulation numérique discrète du comportement et du compactage de pâtes granulaires 2D non browniennes et non colloïdales constituées de grains élastiques rugueux de forme circulaire, baignant dans un liquide newtonien de très grande viscosité. Après avoir introduit un modèle de pâte granulaire dans lequel le seul effet du liquide est d'induire des interactions de lubrification entre paires de grains proches, nous présentons une méthode numérique quasi-statique permettant de simuler le comportement de ces systèmes lorsqu'ils sont soumis à un état de contrainte donné. L'étude de l'état d'équilibre adopté par une pâte granulaire lubrifiée lorsqu'on lui applique une pression isotrope montre que, dans la limite où la rugosité des grains est nulle, un tel système se comporte comme un assemblage sec de grains non frottants. C'est la raison pour laquelle nous étudions ensuite le comportement de ces assemblages en 3D lorsqu'on les soumet à des chargements statiques anisotropes ainsi qu'à des essais de cisaillement simple dans la limite quasi-statique. Nous montrons en particulier que les coefficients de frottement interne statique et dynamique sont non nuls et coïncident, que ces assemblages ne présentent aucune dilatance et qu'ils satisfont un critère de rupture de Lade-Duncan. Le comportement d'une pâte granulaire lubrifiée 2D faite de grains de rugosité finie soumise à un cisaillement maintenu est ensuite analysé et nous comparons nos résultats avec ceux obtenus en cisaillant des assemblages granulaires secs 2D. Finalement, nous étudions de manière détaillée les paramètres influençant le compactage d'une pâte granulaire lubrifiée et mettons en évidence la réduction de la mobilisation du frottement intergranulaire accompagnant la densification du matériau.