La détermination de la vitesse de propagation des ondes de cisaillement (Vs) dans un sol est fondamentale dans tous les problèmes en dynamique des sols. Plusieurs techniques permettent la mesure de Vs dans les sols. En effet, le paramètre Vs permet la caractérisation et l'évaluation du potentiel de liquéfaction des sols granulaires. Cependant, indépendamment de la technique de mesures utilisées, plusieurs valeurs de Vs peuvent être obtenues. Cette diversification peut se justifier par plusieurs facteurs, notamment la granulométrie. D'où cette étude qui porte sur l'influence de la granulométrie sur la vitesse des ondes de cisaillement des sols granulaires. Dans ce mémoire de maîtrise, l'effet des éléments caractéristiques des sols granulaires (D[indice inférieur 50], e, Cu, [sigma][indice inférieur m]) sur la vitesse des ondes de cisaillement est étudié. Quatre types de sols granulaires ayant des propriétés granulométriques différentes sont considérés. Il s'agit de : (1) Le sable d'Ottawa (C-190) (D[indice inférieur 50] = 0,37 mm et Cu=1,96), (2) Le sable de Milby qui est un sable très fin ((D[indice inférieur 50] = 0,247 mm et Cu= 3,2), (3) Le sable Eastman (D[indice inférieur 50] = 0,6 mm et Cu = 11,05) et (4) Le Till Eastman (D[indice inférieur 50] = 0,1 mm et Cu = 22). Les essais en laboratoire ont été réalisés sur une cellule oedométrique équipée d'un dispositif d'anneau piézoélectrique qui permet de déterminer à la fois la valeur le module oedométique (Eoed) à partir de la cellule et la mesure de Vs à partir de l'essai ring actuator développé à l'université de Sherbrooke. Il ressort de cette étude que la vitesse des ondes de cisaillement augmente avec l'augmentation du D[indice inférieur 50]. De plus, cette étude révèle qu'il existe une corrélation directe entre le module oedométrique et le module de cisaillement Gmax. Cette corrélation peut se traduire par une fonction de la forme de la forme Eoed / Gmax = f([sigma]).

Un bon dimensionnement d’une fondation superficielle nécessite une bonne caractérisation du sol sur lequel elle reposera. Pour le cas des sols granulaires, les essais de reconnaissances destructifs (SPT, CPT, etc.) impliquent la conversion des profils obtenus du sol exploré en un profil de rigidité afin de pouvoir estimer sa portance. Une telle tâche peut induire des erreurs au niveau de l’estimation étant donné qu’elle nécessite le passage d’un nombre de paramètres (N, qc) n’illustrant pas l’état réel du sol (rigidité) à des paramètres caractérisant sa performance (module élastique, coefficient de Poisson). La caractérisation des sols granulaires en utilisant la vitesse des ondes de cisaillement (non destructive) nous permet de contourner ce problème étant donné qu’elle nous donne directement la variation d’un paramètre intrinsèque au sol (Vs) à partir duquel il est possible d’effectuer le dimensionnement. La disponibilité d’une technique de mesure de vitesses de cisaillement (P-RAT) sur des échantillons de sols au laboratoire géotechnique de l’UdeS, nous a permis de mettre en œuvre l’application de Vs dans l’estimation de la portance des sols granulaires. Au cours de ce mémoire, une procédure servant à estimer le tassement des fondations superficielles reposant sur des dépôts granulaires est présenté. Les paramètres de cisaillement (Vs, G) d’un sable déterminés à l’aide des essais de caractérisation (P-RAT) ont été utilisés pour construire un modèle numérique de fondation. La consistance des résultats numériques du modèle a été confirmée à travers des essais de chargement de plaque. Ce travail montre donc l’importance des paramètres de cisaillement dans la modélisation d’une application fréquente en géotechnique. Il constitue un départ considérable pour la construction de relations constitutives basées sur le paramètre vitesse de cisaillement.

Le comportement mécanique des sols granulaires est un élément important à prendre en compte dans l'ingénierie géotechnique. Les approches de modélisation actuelles pour le comportement des sols granulaires utilisent des relations constitutives phénoménologiques basées sur la mécanique classique du continuum. Ce problème peut être contourné en utilisant des relations constitutives multi-échelles basées sur les principes thermodynamiques avec variables internes. En utilisant une approche multi-échelle, cette thèse tente de construire des relations constitutives multi-échelles qui tiennent compte de la microstructure des sols granulaires et les mettre en oeuvre pour résoudre des problèmes géotechniques à la fois en petites et grandes déformations. La thèse vise à: 1) construire une relation constitutive multiéchelle pour les sols granulaires secs à partir d'un cadre thermodynamique qui nécessite moins d'hypothèses ad hoc; 2) étendre les formulations thermomécaniques multi-échelles aux sols granulaires partiellement saturés pour lesquels un modèle micromécanique est formulé; 3) implémenter le modèle en utilisant un algorithme d'intégration implicite dans un code aux éléments finis; 4) appliquer le modèle pour analyser l'instabilité des sols granulaires dans les cas de ruptures localisées et diffuses; et 5) démontrer la capacité de l'approche multi-échelle à résoudre certains problèmes géotechniques typiques en mettant en oeuvre le modèle dans un code aux éléments finis explicite. L'approche multi-échelle proposée aboutit à un outil de simulation qui fournit des informations précieuses sur les problèmes d'ingénierie depuis l'échelle des grains jusqu’à l’échelle de la structure. / The mechanical behaviour of granular soils is an important aspect in geotechnical engineering. Current modelling approaches for the behaviour of granular soils employ phenomenological constitutive relations based upon classical continuum mechanics. This problem can be circumvented by using multiscale constitutive relations based on thermodynamic principles with internal variables. Using a multiscale approach, this thesis attempts to construct multiscale constitutive relations that account for the microstructure of granular soilsand to demonstrate their capabilities in solving geotechnical problems at both small and large deformations. The thesis aims to: 1) construct a multiscale constitutive relation for dry granular soils based on a thermodynamic framework which requires fewer ad hoc assumptions; 2) extend the multiscale thermomechanical formulations for partially saturated granularsoils for which a micromechanical model is formulated; 3)implement the model using an implicit integration algorithm in a finite element code; 4) apply the model to analyse the instability of granular soils for both localised and diffuse failures; and 5) demonstrate the capability of the multiscale approach in solving some typical geotechnical problems by implementing the model in an explicit finite element code. The proposed multiscale approach offers a simulation tool that provides valuable insights into engineering problems from the grain to the structure scale.

Les matériaux granulaires sont souvent utilisés les chaussées à faible et moyen trafic, pour la réalisation des couches d’assise, des couches de forme et de la couche de sol support. Les sollicitations dues au trafic sont les principales causes d’endommagement de ces chaussées qui conduisent à deux modes de dégradation: l’orniérage à grand rayon et la fissuration par fatigue de la couverture bitumineuse. L’influence de la non saturation et de la teneur en fines sur la capacité portante des sols granulaires joue un rôle très important sur la rigidité mécanique ainsi que l’endommagement des structures de chaussées soumises aux chargements répétés du trafic. En plus, le phénomène d’hystérésis produit par les conditions environnementales, notamment les conditions hydriques a également une influence importante sur la rigidité de ces matériaux non liés. Cependant, la méthode de dimensionnement des chaussées neuves en France ne permet pas de prendre en compte correctement l’effet de teneur en fines et l’effet de l’hystérésis hydrique. L’objectif de la thèse est d’étudier l’effet de la non-saturation, de la teneur en fines et de l’hystérésis hydrique sur le comportement mécanique des matériaux granulaires de chaussées soumis aux chargements répétés du trafic. Nous avons réalisé une campagne d’essais à différentes teneurs en eau sur deux chemins d’humidification et de séchage, avec mesure de la succion, de la résistance au cisaillement et du comportement résilient (essais triaxiaux à chargements répétés). Finalement, à l’aide de ces résultats expérimentaux, nous avons déterminé les paramètres des modèles classiques d’élasticité non linéaire. Ces modèles sont implantés dans le code de calcul aux éléments finis CAST3M pour déterminer la déflexion de chaussées souples lorsqu’elles sont soumises à des sollicitations mécaniques de trafic et des sollicitations hydriques environnementales. / Granular materials are often used in low traffic pavement structures, with unbound granular base and sub-base layers. The load due to traffic is one of the principal damage modes for these pavements. The main design criteria for these pavements are a rutting criterion for the subgrade, a fatigue criterion for the asphalt layer. The variation of the unsaturated state and the clay content in granular materials have a significant influence on their mechanical behavior. In addition, the hysteresis phenomenon produced by the environmental conditions, including water conditions also has a very important influence on the rigidity of the unbound material. Whereas, the French design method is based on linear elastic calculations. It does not take into account theinfluence of clay content of pavement materials and the influence of the hysteresis phenomenon. Then, the objective of this thesis is to study the unsaturated state, the clay content and the hysteresis phenomenon on mechanical behavior of unbound granular materials for roads subjected to traffic loading. A series of tests for different water contents on both wetting and drying paths have been carried out with matrix suction measurements, shear tests and repeated load triaxial tests for the resilient behavior. Finally, the experimental results were simulated using the nonlinear elastic model (modified Boyce model) generally used for the resilient behavior of granular soils. These models are implemented in the finite element code and calculations have been performed with CAST3M to determine the deflection of full scale pavements at different environmental conditions.

Les discontinuités granulaires dans les ouvrages hydrauliques ou dans leur fondation constituent une source majeure d’instabilités à l’origine des phénomènes d’érosion. L’érosion interne est ainsi définie comme une migration de particules engendrée par un écoulement interne parasite, dans un sol ou dans un ouvrage en terre. A long terme, les conséquences de cette migration peut affecter la stabilité des ouvrages et peut même conduire à leur rupture. La sécurité des ouvrages en terre dépend principalement de la performance de leurs filtres, c’est-à-dire de la capacité du filtre, mis en interne en phase de conception ou en externe en phase de réparation, à retenir les particules fines. L’espace poral d’un filtre granulaire est divisé en volumes élémentaires, appelés pores, reliés entre eux par des étranglements plus étroits appelés constrictions. Des recherches récentes ont montré que la distribution des tailles de constriction (CSD) joue un rôle fondamental dans la compréhension des propriétés de filtration des sols granulaires. Ce travail vise à étudier la CSD et son impact sur les mécanismes de filtration dans les matériaux granulaires. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies dans ce travail: l’une numérique et l’autre analytique. Dans le cas des matériaux de forme sphérique, la méthode des éléments discrets (DEM) permet de calculer la CSD en s’appuyant sur une partition de Delaunay en tétraèdres. Cependant, une CSD plus réaliste peut être obtenue par association des tétraèdres voisins selon un critère basé sur le chevauchement de leurs sphères de vide inscrites. A partir de cette considération et en se basant sur les modèles analytiques existants, un modèle révisé est proposé pour obtenir rapidement la CSD. Les échantillons DEM générés sont ensuite utilisés pour examiner le potentiel de transport des particules fines à travers un filtre d’épaisseur donnée. Les résultats des essais de filtration numériques menés ont montré une corrélation entre la CSD et la possibilité de migration des particules fines. En conséquence, une formule analytique a été proposée pour calculer le diamètre d’ouverture de contrôle des filtres granulaires. Cette taille caractéristique qui prend en compte la granulométrie et la densité du matériau granulaire, a été introduite dans un critère de filtre construit sur la base de la CSD, en vue de le représenter de manière plus physique. Le critère proposé reproduit correctement des résultats expérimentaux rapportés dans la littérature. / The granular discontinuities in hydraulic structures or in their foundation constitute a major source of instabilities causing erosion phenomena, process by which finer soil particles are transported through the voids between coarser particles, under seepage flow. In the long term, the microstructure of the soil will change and the excessive migration become prejudicial to the stability of the structures and may also induce their failure. The safety of earth structures is mainly dependent on the reliability of their filter performance, i.e. the ability of the filter placed inside the structure during construction or outside during repair, to retain fine particles. Indeed, the void space of a granular filter is divided into larger volumes, called pores, connected together by throats or constrictions. Recent researches showed that the distribution of throats (Constriction Size Distribution or CSD) between pores plays a key role to understand the filtration properties of a granular soil. This research is devoted to investigate the constriction sizes and their impact on the mechanisms of filtration in granular spherical materials. To achieve this objective, two approaches were followed in this work: numerical and analytical approaches. In the case of spherical materials, the Discrete Element Method (DEM) can help to compute the CSD using the Delaunay tessellation method. However, a more realistic CSD can be obtained by merging adjacent Delaunay cells based on the concept of the overlap of their maximal inscribed void spheres. Following this consideration and by extending the previously developed analytical models of CSD, a revised model is proposed to quickly obtain the CSD. The DEM data generated are then used to explore the potential of transport of fine particles through a filter of a given thickness by means of numerical filtration tests. A correlation has been found between the CSD and the possibility of migration of fine grains. Accordingly, an analytical formula has been proposed to calculate the controlling constriction size of a filter material. This characteristic size, which takes into account the particle size distribution (PSD) and the density of the material, has been used to reformulate a constriction-based criterion in a more physical manner. The proposed filter design criterion is verified based on experimental data from past studies and a good agreement has been found.