Les réponses des sols aux diverses sollicitations qu'ils subissent à l'état naturel sur site sont multiples et dépendent de nombreux facteurs tel que leur nature, le domaine de sollicitation, la présence d'eau et plusieurs autres facteurs (état de contrainte, présence de cavités, etc.). La connaissance du domaine des petites et moyennes déformations pour le dimensionnement de nombreux ouvrages sur des dépôts de sols argileux ou sableux est d'une grande importance. La détermination des propriétés mécaniques des sols dans le domaine des petites déformations est néanmoins importante dans plusieurs applications en géotechnique. Le besoin de déterminer le module de cisaillement des sols à faibles déformations a conduit au développement de différents outils d'investigation.Les outils non intrusifs basés sur la propagation des ondes de surface permettent de s'affranchir des problèmes de remaniement du sol et la détermination des paramètres fondamentaux (G[indice inférieur max]) du sol dans leur vrai état des contraintes. L'étude menée dans ce travail se résume essentiellement en deux volets. Une présentation détaillée, des différentes méthodes et techniques qui déterminent la vitesse d'onde de cisaillement V[indice inférieur s] lors de la caractérisation des sols, est faite en premier stade. On se focalise à décrire le dispositif des bilames piézo-électriques (utilités, avantages et limitations). En second volet, on se consacre sur la caractérisation des sols granulaires au moyen de V[indice inférieur s]. Des simulations numériques illustrées par des essais aux laboratoires sur un modèle simplifié de la cellule oedométrique équipée du dispositif des anneaux piézo-électriques, ont été dirigés. En considérant trois sols pulvérulents de différentes propriétés granulométriques, on a pu voir les difficultés d'interprétation des résultats suivant les méthodes directes dans le domaine temporel. Alors que, des résultats traités dans le domaine fréquentiel se sont avérés plus réalistes.

La stabilité gravitaire des ouvrages hydrauliques (digues fluviales, barrage en remblai, ...) est un problème complexifié par la présence d'infiltration d'eau au sein même de l'ouvrage et de ses fondations. Le territoire national compte près de 10000 km de digues, d'où un enjeu important en terme de risque d'inondation. Les déstabilisations gravitaires observées sur les ouvrages hydrauliques se distinguent par leur brièveté et par leur faible emprise spatiale. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier spécifiquement ces instabilités brèves et de faible déplacement cumulé le long de la pente dans le cas de matériaux granulaires saturés. Dans un premier temps, une campagne expérimentale a été effectuée sur la base d'un protocole de chargement progressif dans lequel un échantillon de sol est lentement incliné jusqu'à obtenir une déstabilisation massive. Il en ressort une phénoménologie complexe composée d'un nombre de précurseurs d'avalanche dépendant de la fraction volumique de l'échantillon. Une forte influence de la fraction volumique du sol sur le seuil de stabilité est également mise en avant. Une deuxième campagne expérimentale basée sur un protocole d'effondrement contrôlé, à inclinaison imposée, a été menée dans le but d'amplifier la cinématique de déstabilisation observée en chargement progressif. Mis à part les échantillons les plus denses qui produisent de simples avalanches de surface, on observe dans les autres cas un ou plusieurs événements successifs, d'allure circulaire, mobilisant des profondeurs très importantes contrairement aux avalanches de surface.. Outre l'inclinaison, on voit bien que, là encore, la fraction volumique est un paramètre clé dans le contrôle de la cinématique de déstabilisation. Des essais préliminaires laissent cependant entendre que, au-delà de la fraction volumique, c'est la microstructure qui semble être le vrai paramètre de contrôle à travers notamment la forme des grains et leur enchevêtrement.

La plupart des ruptures des structures géotechniques sont associées aux phénomènes de localisation des déformations, qui s'accompagnent toujours d'un adoucissement de la résistance. De nombreuses observations expérimentales montrent que d’importants réarrangements et rotations de particules se produisent à l'intérieur des bandes de cisaillement. Cette thèse vise à étudier numériquement les phénomènes de localisation des déformations dans les matériaux granulaires. Considérant les problèmes de dépendance au maillage dans l'analyse par éléments finis dans le cadre de la modélisation continue classique, un modèle de sable basé sur l' état critique a été formulé dans le cadre de la théorie micropolaire. Un code d'éléments finis pour les problèmes bidimensionnels a été développé dans ce cadre. Ensuite, les simulations d'essais bi-axiaux ont permis d’étudier en profondeur les caractéristiques des bandes de cisaillement en termes d'apparition,d'épaisseur, d'orientation, etc. Dans le même temps, l'efficacité de l'approche micropolaire, en tant que technique de régularisation, a été discutée. L'analyse de l'instabilité dans un continuum micropolaire basé sur le travail du second-ordre a également été effectuée. Enfin,pour une application plus large dans la simulation des défaillances en ingénierie géotechnique, le modèle 2D a été étendu à un modèle 3D. Sur la base de l'étude, les modèles 2D et 3D ont démontré leurs capacités de régularisation pour éviter les problèmes de dépendance au maillage et reproduire raisonnablement les bandes de cisaillement dans les géostructures. / Most of the progressive failures of geotechnical structures are associated with the strain localization phenomenon, which is generally accompanied by strength softening. Many experimental observationsshow that significant rear rangements and rotations of particles occur inside the shear bands. The aim of this thesis is to investigate numerically the strain localization phenomena of granular materials. Considering the mesh dependency problems in finite element analysis caused by strains oftening within the classical continuum framework, a sand model based on critical-state has been formulated within the framework of the micropolar theory, taking into account the micro rotations, and implemented into a finite element code for two dimensional problems. Then, the simulations of the shearband in biaxial tests are comprehensively studied in terms of onset, thickness, orientation, etc. At the same time, the efficiency of the micropolar approach, as a regularization technique, is discussed. This is followed by an instability analysis using the second-order work based on the micropolar continuum theory. Finally, for a wider application in simulating failures in geotechnical engineering, the 2D model has been extended to 3D model. Based on the entire study, both the 2D and 3Dmodel demonstrate obvious regularization ability to relieve the mesh dependency problems and to reproduce reasonably the shear bands in geostructures.

La stabilité gravitaire des ouvrages hydrauliques (digues fluviales, barrage en remblai, ...) est un problème complexifié par la présence d'infiltration d'eau au sein même de l'ouvrage et de ses fondations. Le territoire national compte près de 10000 km de digues, d'où un enjeu important en terme de risque d'inondation. Les déstabilisations gravitaires observées sur les ouvrages hydrauliques se distinguent par leur brièveté et par leur faible emprise spatiale. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier spécifiquement ces instabilités brèves et de faible déplacement cumulé le long de la pente dans le cas de matériaux granulaires saturés. Dans un premier temps, une campagne expérimentale a été effectuée sur la base d'un protocole de chargement progressif dans lequel un échantillon de sol est lentement incliné jusqu'à obtenir une déstabilisation massive. Il en ressort une phénoménologie complexe composée d'un nombre de précurseurs d'avalanche dépendant de la fraction volumique de l'échantillon. Une forte influence de la fraction volumique du sol sur le seuil de stabilité est également mise en avant. Une deuxième campagne expérimentale basée sur un protocole d'effondrement contrôlé, à inclinaison imposée, a été menée dans le but d'amplifier la cinématique de déstabilisation observée en chargement progressif. Mis à part les échantillons les plus denses qui produisent de simples avalanches de surface, on observe dans les autres cas un ou plusieurs événements successifs, d'allure circulaire, mobilisant des profondeurs très importantes contrairement aux avalanches de surface.. Outre l'inclinaison, on voit bien que, là encore, la fraction volumique est un paramètre clé dans le contrôle de la cinématique de déstabilisation. Des essais préliminaires laissent cependant entendre que, au-delà de la fraction volumique, c'est la microstructure qui semble être le vrai paramètre de contrôle à travers notamment la forme des grains et leur enchevêtrement. / Gravitational stability of hydraulic structures (river dykes, embankment dam,...) is a problem complicated by the presence of water infiltration within the structure and its foundations. Our country has about 10,000 km of dikes and gravitational failure is a major challenge in terms of flood risk. In hydraulic structures, these destabilizations are characterized by their brevity and their small spatial extent. The objective of this thesis is to study specifically this type of brief instabilities in the case of a saturated granular material. A first series of experiments was carried out on the basis of a progressive loading protocol in which a soil sample is tilted slowly until a massive destabilization is triggered. It shows a phenomenology complex consisting of a number of precursory events prior final avalanching, dependent on the solid volume fraction of the sample. A strong impact of the solid volume fraction of the soil on the stability threshold is also highlighted. A second series of experiments based on a protocol of collapse controlled at imposed slope was conducted to amplify the kinematics of destabilization observed by progressive loading. Apart from the denser samples that produce simple surface avalanches, one or more successive events are observed in other cases. Unlike surface avalanches, these events mobilize grains much deeper, in an almost semi-circular area. In addition to slope angle, solid volume fraction is once again a key parameter in controlling the kinematics of destabilization. Preliminary tests suggest, however, that, beyond solid volume fraction, microstructure appears to be the true control parameter, particularly through grain shape and texture.

4 chapitres : 1. Quelques notions sur les modélisations de la houle. 2. Le problème élastique. 3. Stabilité d'un massif de sol cohérent. - 4. Stabilité d'un massif de sol granulaire.

On présente tout d'abord une série d'essais de cisaillement direct 2D monotones et cycliques sur l'interface sable de Fontainebleau-plaque rugueuse et lisse, 'a contrainte normale constante (CNL) et à rigidité normale imposée (CNS). Le but de ces essais est de simuler la situation mécanique le long de pieux soumis à un grand nombre de cycles d'origine environnementale ou anthropique. Ces cycles (typiquement 10000) de faible amplitude (10'a 40 kPa en terme de contrainte de cisaillement) ne sont pas cens'es produire de rupture prématurée. Ces tests incluent une série de cycles d'amplitudes (successives) variées. Le problème de la perte de sable entre la boite et la plaque est trait'e avec attention. Nous avons interprété l'effet de la position du "centre des cycles" dans le plan de contraintes (variables cycliques moyennes) et de la densité initiale. Plusieurs facteurs tels que l'indice initial de densité (ID0), la contrainte normale cyclique moyenne (_n cm0), le niveau initial moyen de contrainte de cisaillement (_cm0), l'amplitude cyclique réduite (__) et la rigidité normale imposée (k qui dans cette thèse, va de 1000 'a 5000 kPa/mm), influencent les déplacements relatifs cycliques moyens normal ([u]cm) et tangentiel [w]cm) et sont pris en considération.On observe soit de la dilatance, soit de la contractance en accord avec l'état caractéristique développé par Luong. L'influence du chemin de contrainte (CNL ou CNS) est également analysée. Un modèle phénoménologique et analytique de comportement d'interface sur chemins cycliques CNL est propos'e. C'est également le cas pour le comportement monotone sur chemins oedométrique et CNL, la variable de mémoire unique étant la densité d'interface (sous contrainte) ou le déplacement relatif normal. Cette formulation permet de traiter, par incréments analytiques finis, les chemins comportant une variation d'amplitude cyclique, et les chemins CNS, ce qui introduit la notion de nombre de cycles équivalent. On notera que les chemins CNS sont toujours contractants. Ces essais sont utilisés pour aborder la simulation par éléments finis, avec le logiciel Plaxis, selon une approche de pseudo-viscoplasticité, le nombre de cycles tenant lieu de temps fictif. L'essai de cisaillement monotone'a la boite est modélisé en densités faible et forte, ainsi que deux essais de pieux modèles centrifugés, l'un en traction, l'autre en compression. Des recommandations sont proposées pour le calcul courant des pieux sous sollicitations cycliques. Cette thèse a été soutenue par l'ANR SOLCYP et le programme national " recherches sur le comportement des pieux soumis à des sollicitations cycliques".

La suffusion est un cas particulier d'érosion interne qui apparait dans les ouvrages hydrauliques. Elle se caractérise par le détachement et le transport des particules fines à travers les gros grains sous l'action d'un écoulement hydraulique en laissant derrière un squelette granulaire dont les caractéristiques en termes de densité et d'arrangement géométrique granulaire ont été changées. De telles modifications dans la micro-structure du sol peuvent conduire à des déformations à l'échelle macroscopique et peuvent influencer le comportement mécanique du sol. Ce travail a été consacré à l'étude du mécanisme de suffusion et à son impact sur les propriétés mécaniques des sols non-cohésifs. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies dans ce travail: l'une numérique et l'autre expérimentale. Un modèle numérique discret a été défini pour décrire quantitativement le comportement macroscopique du sol et analyser la micro-structure des assemblages granulaires. Il est basé sur l'utilisation de particules sphériques et la résistance au roulement aux contacts, ainsi que sur une nouvelle méthode de compactage des échantillons pour simuler celle utilisée au laboratoire, et atteindre une large gamme de densités initiales. Le modèle a été validé par comparaison de résultats numériques et de données expérimentales. Ce modèle a d'abord été appliqué sur des assemblages granulaires avec des teneur en fines différentes afin d'étudier le rôle des particules fines pour une micro-structure de sol donnée, sans tenir compte d'un processus d'érosion. Il a été montré qu'il existe un pourcentage de fines, en dessous de la teneur seuil, où des particules fines peuvent commencer à participer au transfert de force, et que, si la suffusion s'initie et mobilise ces particules, ceci pourra affecter le comportement macroscopique du sol. Par la suite, une cinétique simplifiée d'extraction du grain a été proposée pour décrire le processus de suffusion. Elle est basée sur une approche de couplage fluide-solide partielle. L'intérêt de cette procédure d'extraction est que, d'une part, elle tient en compte des critères géométriques et hydrauliques complexes; d'autre part, le modèle induit un coût de calcul raisonnable. Cette procédure a été validée sur la base d'essais expérimentaux de suffusion effectués avec un dispositif nouvellement développé. Les conséquences de cette érosion sur les propriétés mécaniques des sols ont été caractérisées par la réalisation en laboratoire et la simulation d'essais de compression triaxiale. Le développement de la suffusion et ses conséquences sur le comportement macroscopique sont discutés en terme de densité et granulométrie initiale du sol, de chargement hydraulique et du type de particules érodées (actives ou inactive vis-à-vis du transfert de force). / Suffusion is a particular case of internal erosion taking place in hydraulic earth structures. It is characterized by the detachment and migration of fine particles by interstitial flow leaving behind the granular skeleton. Such modifications in the soil microstructure may lead to deformations at the macroscopic scale and may influence the mechanical behavior of the soil. This research was devoted to investigate the suffusion mechanism and its impact on the mechanical properties of cohesionless soils. To achieve this objective, two approaches were followed in this work: numerical and experimental approaches. A discrete numerical model was defined to describe quantitatively the soil macroscopic behavior and to analyze the microstructure of granular assemblies. It is based on the use of spherical particles and contact rolling resistance, as well as a new method of compaction to mimic the one used in laboratory and to reach a wide range of initial densities. The model was validated through comparison of numerical results with experimental data. This model was first applied on granular assemblies with different fines contents to study the role of fine particles with respect to a given soil microstructure, without taking into account an erosion process. It was shown that there exists a fines content, below the threshold, where fine particles may start to participate in the force transfer that if suffusion initiates and mobilizes these particles, it may affect the macroscopic behavior of the soil. Thereafter, a simplified kinetics of grain extraction was proposed to describe the suffusion process. It was based on a one-way fluid-solid coupling approach. The importance of this extraction procedure is that, on one hand, it takes into account complex geometric and hydraulic criteria; on the other hand, the model involves an affordable computational cost. This procedure was validated based on experimental tests carried out using a newly developed suffusion apparatus. Consequences of this erosion on the mechanical properties of soils were characterized from experimental and simulated triaxial compression tests. Suffusion development and its consequences on the macroscopic behavior are discussed from the results obtained in terms of the initial soil density and gradation, the hydraulic loading and the type of eroded particles (active or inactive in the force transfer).

On présente tout d’abord une série d’essais de cisaillement direct 2D monotones et cycliques sur l’interface sable de Fontainebleau-plaque rugueuse et lisse, `a contrainte normale constante (CNL) et à rigidité normale imposée (CNS). Le but de ces essais est de simuler la situation mécanique le long de pieux soumis à un grand nombre de cycles d’origine environnementale ou anthropique. Ces cycles (typiquement 10000) de faible amplitude (10`a 40 kPa en terme de contrainte de cisaillement) ne sont pas cens´es produire de rupture prématurée. Ces tests incluent une série de cycles d’amplitudes (successives) variées. Le problème de la perte de sable entre la boite et la plaque est trait´e avec attention. Nous avons interprété l’effet de la position du ”centre des cycles” dans le plan de contraintes (variables cycliques moyennes) et de la densité initiale. Plusieurs facteurs tels que l’indice initial de densité (ID0), la contrainte normale cyclique moyenne (_n cm0), le niveau initial moyen de contrainte de cisaillement (_cm0), l’amplitude cyclique réduite (__) et la rigidité normale imposée (k qui dans cette thèse, va de 1000 `a 5000 kPa/mm), influencent les déplacements relatifs cycliques moyens normal ([u]cm) et tangentiel [w]cm) et sont pris en considération.On observe soit de la dilatance, soit de la contractance en accord avec l’état caractéristique développé par Luong. L’influence du chemin de contrainte (CNL ou CNS) est également analysée. Un modèle phénoménologique et analytique de comportement d’interface sur chemins cycliques CNL est propos´e. C’est également le cas pour le comportement monotone sur chemins oedométrique et CNL, la variable de mémoire unique étant la densité d’interface (sous contrainte) ou le déplacement relatif normal. Cette formulation permet de traiter, par incréments analytiques finis, les chemins comportant une variation d’amplitude cyclique, et les chemins CNS, ce qui introduit la notion de nombre de cycles équivalent. On notera que les chemins CNS sont toujours contractants. Ces essais sont utilisés pour aborder la simulation par éléments finis, avec le logiciel Plaxis, selon une approche de pseudo-viscoplasticité, le nombre de cycles tenant lieu de temps fictif. L’essai de cisaillement monotone`a la boite est modélisé en densités faible et forte, ainsi que deux essais de pieux modèles centrifugés, l’un en traction, l’autre en compression. Des recommandations sont proposées pour le calcul courant des pieux sous sollicitations cycliques. Cette thèse a été soutenue par l’ANR SOLCYP et le programme national ” recherches sur le comportement des pieux soumis à des sollicitations cycliques”. / A series of monotonic and cyclic 2D direct shear tests on sand (Fontainebleau)-rough/smoothmaterial interfaces under constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS)conditions are presented. The aim of these tests is to simulate the situation along the shaftof piles subjected to a large number of cycles due to environmental or anthropic loadings.These cycles (typically 104) are of small amplitude (10, 20 and 40 kPa in terms of shearstress) as the service loads are not supposed to produce an early failure. These tests in-clude the series of changing the cyclic amplitude in succession. The problem of loss of sandbetween the box and the rough plate, typical phenomenon in this type of test, receives aspecial attention. It is interesting to observe, according to the initial density, the positionof the ”center of cycles” in the stress plane (mean cyclic variables). Several factors such asinitial density (ID0), initial normal stress (_n cm0), level of initial mean cyclic stress ratio(_cm0), reduced cyclic amplitude (__) and imposed normal stiffness (in this thesis, k =1000, 2000 and 5000 kPa/mm) that influence the intensity of mean cyclic normal ([u]cm)and shear ([w]cm) displacements are considered. Along CNL paths either dilation or con-traction is exhibited, in agreement with the characteristic state developed by Luong. Theinfluence of the stress path (under constant normal stress or prescribed normal stiffness)is also highlighted. It should be highlighted that CNS paths are ever contractive. Themodel of monotonic interface behaviour under CNL and oedometer paths is fully analyt-ical and based on the rate-type framework with the normal relative displacement or theinterface density as unique memory parameter. While the analytical formulations for iden-tification are first proposed to describe the interface behaviour under cyclic CNL condition,the variation of cyclic amplitude and CNS condition are modeled by applying the analyticalformulations for validation using finite analytical increments and introducing the notion ofequivalent number of cycles. For numerical simulations by the FEM (Plaxis) these tests areinterpreted and formulated according to a pseudo visco-plastic framework, the number ofcycles being a fictitious time. The direct shear tests and two centrifuge pile tests (pull-outand compression) are also modeled. Recommendations are proposed for the calculation ofreal usual piles under cyclic loading. This thesis is one part of the national French project”ANR and National Program SOLCYP” (Research on behaviour of piles subjected to cyclicloading).