Small size, light weight, high efficacy, longer lifetime and controllable output are the main advantages of high-frequency electronic ballasts for gas discharge lamps. However, power line quality and electromagnetic interference (EMI) issues arise when a simple peak rectifying circuit is used. To suppress harmonic currents and improve power factor, input-current-shaping (ICS) or power-factor-correction (PFC) techniques are necessary. This dissertation addresses advanced high-frequency electronic ballasting techniques by using a single-stage PFC approach. The proposed techniques include single-stage boost-derived PFC electronic ballasts with voltage-divider-rectifier front ends, single-stage PFC electronic ballasts with wide range dimming controls, single-stage charge-pump PFC electronic ballasts with lamp voltage feedback, and self-oscillating single-stage PFC electronic ballasts. Single-stage boost-derived PFC electronic ballasts with voltage-divider-rectifier front ends are developed to solve the problem imposed by the high boost conversion ratio required by commonly used boost-derived PFC electronic ballast. Two circuit implementations are proposed, analyzed and verified by experimental results. Due to the interaction between the PFC stage and the inverter stage, extremely high bus-voltage stress may exist during dimming operation. To reduce the bus voltage and achieve a wide-range dimming control, a novel PFC electronic ballast with asymmetrical duty-ratio control is proposed. Experimental results show that wide stable dimming operation is achieved with constant switching frequency. Charge-pump (CP) PFC techniques utilize a high-frequency current source (CS) or voltage source (VS) or both to charge and discharge the so-called charge-pump capacitor in order to achieve PFC. The bulky DCM boost inductor is eliminated so that this family of PFC circuits has the potential for low cost and small size. A family of CPPFC electronic ballasts is investigated. A novel VSCS-CPPFC electronic ballast with lamp-voltage feedback is proposed to reduce the bus-voltage stress. This family of CPPFC electronic ballasts are implemented and evaluated, and verified by experimental results. To further reduce the cost and size, a self-oscillating technique is applied to the CPPFC electronic ballast. Novel winding voltage modulation and current injection concepts are proposed to modulate the switching frequency. Experimental results show that the self-oscillating CS-CPPFC electronic ballast with current injection offers a more cost-effective solution for non-dimming electronic ballast applications. / Ph. D.

There is significant worldwide environmental concern related to the transportation of Invasive Aquatic Species (IAS) by ships ballast water into non-native environments. This has given rise to the development of a vast array of technological ballast water treatment systems. The complex environmental challenges and tight operational characteristics of marine vessels limits the scope of the technologies used for Ballast Water Treatment (BWT). As a result few technologies have progressed beyond the research and development stage; however one of the most promising technologies for ship board use is the cyclonic separator, or hydrocyclone. Despite the use of hydrocyclones in a wide variety of engineering applications they have yet to be successfully adapted towards the removal of suspended sediment and marine organisms from large volumes of ballast water. The following primary objectives of this study have been met: • Via critical review identify the technological solutions for treating ballast water best suited to onboard use. • Define the critical flow regimes evident within hydrocyclonic separators. • Establish a series of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations, evaluating standard turbulence models in order to determine the capacity for commercial CFD to model hydrocyclonic flow. This study has detailed the operational characteristics of ballast water hydrocyclones with the aim of enabling hydrocyclones to be optimised for individual ship configurations. Flow simulations have been conducted using CFD, and in particular the Detached Eddy Simulation (DES) turbulence model. Finally the DES model is shown to be a legitimate turbulence model for hydrocyclonic flow regimes, validated against empirical and experimental data.

published_or_final_version / Environmental Management / Master / Master of Science in Environmental Management

The pressure distribution at the ballast-tie interface of railroad track plays a key role in overall track support. Failure of the ballast or tie can result from excessive loads that were not designed for, requiring increased maintenance and reducing railroad operating efficiency. Understanding the forces acting on the ballast and tie are required to design higher performance and longer lasting track. To further this understanding, the use of Matrix Based Tactile Surface Sensors (MBTSS) is employed to measure the actual pressure distribution at the ballast-tie interface, characterized by individual ballast particle contact points and non-uniform pressures. The research explores this application of MBTSS including the development of sensor protection and calibration procedures. Results from laboratory ballast box testing conducted at the Transportation Technology Center, Inc. (TTCI) are presented. Conservative estimates of peak pressure under a typical wheel load on new ballast averaged 1450 psi and on fouled ballast averaged 680 psi. Contact areas varied across the range of ballast gradations and are shown to increase under increased applied load. A parameter to describe the "roughness" of the ballast-tie pressure distribution is offered. Results from in-track testing performed at TTCI, including pressure distributions along ten test ties, are also presented.

Les rejets des eaux de ballast dans le port de Bizerte et les fermes conchylicoles installées au niveau de la lagune de Bizerte peuvent constituer des sources potentielles ayant un impact sur l’introduction des espèces de Dinoflagellés nuisibles, en particulier celles qui sont potentiellement toxiques telles que A. pacificum, A.pseudogonyaulax, A.minutum, A. affine et Polysphaeridium zoharyi, sans pour autant négliger le rôle des courants dans la distribution des kystes. L’étude du trafic maritime sur les 7 années précédant notre prospection a révélé que 14 % de la flotte qui accoste au port de Bizerte est en provenance de la voie maritime d’origine Pacifique. Afin d’identifier les espèces de Dinoflagellés produisant des kystes à l’origine des efflorescences potentiellement toxiques, un échantillonnage à grande échelle spatiale au niveau des sédiments superficiels a été effectué pour relever les densités des kystes en fonction des caractéristiques sédimentaires à savoir la teneur en eau, la matière organique, la granulométrie, l’abondance des formes végétatives ainsi que les facteurs environnementaux. Cette étude a permis l’identification de 48 morphotypes de kystes de Dinoflagellés, principalement dominés par Brigantidinium simplex, Votadinum spinosum, Alexandrium pacificum, Alexandrium pseudogonyaulax, et Lingulodinum machaerophorum. La densité des kystes a varié de 1276 à 20126 kystes g-1 sédiment sec. Des différences significatives portant sur la distribution des kystes ont été enregistrées, ce qui nous a permis de faire la distinction de deux zones dans la lagune de Bizerte. Un intérêt particulier a été porté au complexe Alexandrium tamarense dont fait partie l’espèce A. pacificum connue pour être à l’origine des efflorescences nuisibles (HABs). En outre, l’examen morphologique et le ribotypage des formes végétatives d’A. pacificum en provenance de cultures microalgales obtenues à partir de l’extraction, l’isolement des kystes de résistance en provenance du sédiment, et leur germination ont été réalisés pour l’obtention d’une culture cellulaire monospécifique ABZ1 qui se caractérise par un taux de croissance de µ= 0.33j-1 et un temps de génération T=2.1j. Le profil toxinique obtenu à partir d’un extrait de culture ABZ1, en phase exponentielle a révélé la présence de N-sulfocarbamoyl toxine C1 (9.82 pg toxin cell_1), la GTX6 (3.26 pg toxine cell_1) et la carbamoyl toxine Neo-STX (0.38 pg toxin cell_1), représentant 2,8% du total des toxines de cette souche. Une corrélation entre l’abondance des kystes d’Alexandrium pacificum et le pourcentage en eau ainsi que la matière organique a été relevée. Par ailleurs, la fraction sédimentaire <63µm s’est avérée potentiellement favorable à l’initiation des efflorescences du dinoflagellé Alexandrium pacificum au niveau de la lagune de Bizerte. Une différence significative dans le schéma de la distribution des kystes a été illustrée, mettant en évidence un zonage de la lagune avec une abondance plus importante au niveau des zones conchylicoles. / The ballast water discharges in Bizerte harbor and shellfish aquaculture farms in Bizerte lagoon can be potentials sources with an interest in the introduction of harmful species, especially those that are potentially toxic like A. pacificum, A. pseudogonyaulax, A.minutum, A.affine and Polysphaeridium zoharyi, without neglecting the role of currents in the distribution of cysts. The study of the vessel traffics for 7 years before our prospection in Bizerte harbour have showing that the percentage of vessels coming from the Pacific road is around 14%. In order to identify species of Dinoflagellates producing resting cysts incriminated on potentially toxic blooms, a high spatial resolution sampling of the surface sediment for the identification and counting of resistance cysts was carried out to estimate the cyst density based on sedimentary characteristics, water content, organic matter, granulometry, abundance of vegetative forms and environmental factors. This study allowed the identification of 48 morphotypes of dinoflagellate cysts, mainly dominated by Brigantidinium simplex, Votadinum spinosum, Alexandrium pacificum, Alexandrium pseudogonyaulax and Lingulodinum machaerophorum. The density of cysts ranged from 1276 to 20126 cysts g-1 dry sediment. Significant differences between cyst distributions were recorded, which enabled us to distinguish two areas in the Bizerte lagoon. Particular attention was given to the complex Alexandrium tamarense (HABs). In addition, morphological examination and ribotyping of vegetative cells obtained from microalgal cultures following extraction process, isolation of resistance cysts from sediment, and their germination led to the production of monospecific culture: ABZ1 characterized by a μ (growth rate) = 0.33 day-1 and a generation time T = 2.1 day. These reviews have confirmed the newly identified genus and species in the Mediterranean sea and mentioned specifically in the lagoon of Bizerte: Alexandrium pacificum. The toxin profile obtained from an extract of ABZ1 culture in exponential phase revealed the presence of N-sulfocarbamoyl toxin C1 (9.82 pg toxin Cell-1), the GTX6 (3.26 pg toxin Cell-1), carbamoyl and the Neo-STX toxin (0.38 pg cell toxin-1), representing 2.8% of total toxins of this strain.A correlation between the abundance of cysts of Alexandrium pacificum and water percentage well as organic matter was found. Moreover, sediment fraction <63μm proved potentially favorable to initiate Alexandrium pacificum blooms in Bizerte lagoon. A significant difference in the cyst distribution diagram was shown, highlighting a zoning of the lagoon with a greater abundance in shellfish farm areas.

La dégradation géométrique de la voie ballastée sous circulation commerciale nécessite des opérations de maintenance fréquentes et onéreuses. La caractérisation du comportement des pro-cédés de maintenance comme le bourrage, la stabilisation dynamique, est nécessaire pour proposer des améliorations en terme de méthode, paramétrage pour augmenter la pérennité des travaux. La simulation numérique d'une portion de voie soumise à un bourrage ou une stabilisation dynamique permet de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu dans le ballast. Toutefois, la complexité numérique de ce problème concernant l'étude de systèmes à très grand nombre de grains et en temps de sollicitation long, demande donc une attention particulière pour une résolution à moindre coût. L'objectif de cette thèse est de développer un outil de calcul numérique performant qui permet de réaliser des calculs dédiés à ce grand problème granulaire moins consommateur en temps. La méthodologie utilisée ici se base sur l'approche Non Smooth Contact Dynamic s(NSCD) avec une discrétisation par Éléments Discrets (DEM). Dans ce cadre, une méthode de dé-composition de domaine (DDM) alliée à une parallélisation adaptée en environnement à mémoire partagée utilisant OpenMP sont appliquées pour améliorer l'efficacité de la simulation numérique. / The track deterioration rate is strongly influenced by the ballast behaviour under commercial traffic. In order to restore the initial track geometry, different maintenance processes are performed, like tamping, dynamic stabilisation. A better understanding of the ballast behaviour under these operations on a portion of railway track is a key to optimize the process, to limit degradationand to propose some concept for a better homogeneous compaction. The numerical simulation isdeveloped here to investigate the mechanical behaviour of ballast. However, the main difficultiesof this research action concerns the size of the granular system simulation increasing both in termof number of grains and of process duration. The purpose of this thesis is to develop an efficient numerical tool allows to realize faster computations devoted to large-scale granular samples. In this framework, the Non-Smooth Contact Dynamics (NSCD) of three-dimensional Discrete ElementMethod (DEM) simulations, improved by Domain Decomposition Method (DDM) and processedwith the Shared Memory parallel technique (using OpenMP) has been applied to study the ballast media mechanics.

Le travail de recherche présenté dans ce document a été réalisé dans le cadre d’une collaboration entre l’ENTPE/ niversité de Lyon et la SNCF. L’objectif de l’étude est la caractérisation des propriétés thermomécaniques des enrobés bitumineux à être utilisés dans la construction de voies ferrées. Le comportement viscoélastique linéaire (VEL) et la résistance à la fatigue d’enrobés pour couche de base couramment utilisés en France ont été étudiés. L’influence de l’eau sur ces propriétés a été aussi étudiée du fait que l’exposition à l’eau des couches bitumineuses en structure ferroviaire peut les altérer et réduire la durée de vie de l’ouvrage. La caractérisation du comportement VEL et de la résistance à la fatigue des matériaux a été faite en réalisant des essais mécaniques en traction-compression sur des éprouvettes cylindriques au laboratoire LTDS/ENTPE. Une nouvelle procédure de conditionnement à l’eau et au gel a été proposée sur la base des méthodes d’essai normalisées française et américaine. La susceptibilité à l’eau des matériaux a été obtenue par comparaison des résultats des essais mécaniques entre éprouvettes conditionnées et non conditionnées. Le comportement VEL des matériaux a été simulé avec le modèle 2S2P1D, développée à l’ENTPE. Trois formules pour couche de base ont été testées : une GB3, une GB4 et une formule appelée GB PMB. Cette dernière est la même formule GB3 mais avec un bitume modifié aux polymères SBS. La GB3 sert comme matériau de référence. La GB4 est un matériau de meilleures performances que la GB3. La formule GB4 étudiée correspond à celle mise en place dans la couche sous-ballast de la Ligne à Grande Vitesse (LGV) Bretagne-Pays de Loire. L’intérêt d’étudier la GB PMB est de savoir si l’utilisation de bitumes modifiés aux polymères est pertinente dans un contexte ferroviaire ou pas. 2 La zone test construite dans la LGV Est-Européenne près de la ville de Reims avec une couche sous-ballast en enrobé bitumineux a servi comme cas d’étude pour cette thèse. Les différents avantages de l’utilisation de matériaux bitumineux en structure ferroviaire retrouvées dans la bibliographie ont été confirmés avec le retour sur l’expérience de cette zone test. Les résultats obtenus des travaux expérimentaux montrent que les trois formules étudiées présentent des capacités portantes (rigidité) suffisantes pour leur utilisation comme couche sous-ballast. La méthode de conditionnement à l’eau et au gel utilisée n’a pas altéré le comportement VEL des matériaux. En ce qui concerne les essais de fatigue, les résultats ont montré que l’utilisation d’un bitume modifié aux polymères augmente sensiblement la résistance à la fatigue de la GB3. La GB PMB a aussi montré une plus faible susceptibilité de la résistance à la fatigue à l’eau et au gel que la GB3. Du fait que les niveaux de sollicitation de la base de la couche d’enrobé de la zone test LVG EE sont très faibles, tous les matériaux étudiés présentent des propriétés satisfaisantes de résistance à la fatigue en couche sous-ballast. / The research presented in this document was carried out in collaboration between the National School of Public Works (Ecole Nationale des Travaux Publics de l’Etat – ENTPE) of the University of Lyon and the French National Railway Company (Société Nationale des Chemins de Fer français – SNCF). The objective of this study is the characterisation of the thermomechanical properties of road base-course bituminous mixtures commonly used in France for their use in railway track structures. Linear Viscoelastic (LVE) and fatigue resistance properties have been investigated. The influence of moisture damage including freeze-thaw cycles on the properties of the studied mixtures was also studied. LVE and fatigue resistance properties were obtained by means of sinusoidal tension-compression tests on cylindrical samples at the ENTPE/LTDS laboratory. A protocol for moisture conditioning of bituminous mixtures samples was developed based on the French and American standard test methods for moisture susceptibility and on the literature review on the subject. Moisture damage was assessed using complex modulus and fatigue tests. The LVE behaviour of the materials was described using the 2S2P1D (2 Springs, 2 Parabolic elements and 1 Dashpot) model developed at the ENTPE/LTDS laboratory. Three road base-course mixtures available in the French market were studied: a GB3, a GB4 and a mixture called GB PMB (for Polymer-Modified Bitumen). The GB3 mixture stands as the reference material since it is commonly used for the base-courses of conventional roads in France. The GB4 mixture stands as a better performing material than the GB3. The specific studied GB4 formulation corresponds to that used as sub-ballast of the Brittany-Loire high-speed line (HSL) in western France. The GB PMB stands as an improved version of the GB3 in which the base bitumen is replaced by polymer-modified bitumen. The interest of the study of this third mixture is to assess the relevance of using PMB’s in bituminous mixtures intended for railway platforms. The test zone of the East-European HSL served as case study to identify the loading conditions and the behaviour of a bituminous sub-ballast layer in a French track. The several advantages of using bituminous mixtures as sub-ballast material identified in the literature are confirmed by the feedback from this test zone. The results obtained show that the studied bituminous mixtures present excellent bearing capacities (stiffness) for their use as sub-ballast layers in France. The used moisture conditioning protocol did not alter the LVE behaviour of the materials. The good performance of the materials is then expected to be perennial regarding the effect of moisture on the LVE behaviour. With respect to fatigue resistance, the results show that the use of a PMB provides an important increase of the fatigue life as well as a reduction of the susceptibility to moisture damage. However, given the identified loading levels of the bituminous sub-ballast in a common French track structure, all three mixtures present adequate fatigue resistance properties.

The development of Discrete Element Model (DEM) of railway ballast for the purpose of studying the behavior of ballast particles during tamping is addressed in a simulation study, with the goal of optimizing the railroad tamping operation. A comprehensive literature review of applicability of DEM techniques in modeling the behavior of railway ballast is presented and its feasibility in studying the fundamental mechanisms that influence the outcome of railroad tamping process is analyzed. A Discrete Element Model of railway ballast is also developed and implemented using a commercially available DEM package: PFC3D. Selection and calibration of ballast parameters, such as inter-particle contact force laws, ballast material properties, and selection of particle shape are represented in detail in the model. Finally, a complete tamping simulation model is constructed with high degree of adjustability to allow control of all process parameters for achieving realistic output. The analysis shows that DEM is a highly valuable tool for studying railroad tamping operation. It has the capability to provide crucial and unprecedented insights into the process, facilitating not only the optimization of current tamping practices, but also the development of novel methods for achieving sustainable improvements in track stability after tamping in the future. Different ways of modeling particle shapes have been evaluated and it has been shown that while using spheres to represent irregular ballast particles in DEM provides immense gains in computational efficiency, spheres cannot intently capture all properties of irregularly shaped particles, and therefore should not be used to model railway ballast particles. Inter-particle and wall-particle contact forces are calculated using Hertzian contact mechanics for determining ballast dynamics during tamping. The results indicate that the model is able to accurately predict properties of granular assemblies of the railway ballast in different test cases. The developed model for simulating tamping operation on a half-track layout is expected to be extended in future studies for evaluating rail track settlement and stability, optimization of tamping process, and performance of different ballast gradations. / MS

Durant les cinquante dernières années le développement technologique du train et des infrastructures ferroviaires ainsi que la rapide augmentation des vitesses en ligne ont provoqué une forte augmentation du besoin d'outils numériques pour la conception des infrastructures et des véhicules. Les principaux objectifs de mes travaux de recherche sont de deux ordres : d'une part contribuer à faire progresser les méthodes numériques en développant un outil rapide et simple, capable de simuler les principaux comportements physiques et d'autre par étudier, comprendre et décrire deux phénomènes particuliers: la vitesse critique et le tassement du ballast. La thèse est composée de deux parties. Dans la première partie on montre le modèle numérique adopté pour simuler le système véhicule/infrastructure. Les innovations fondamentales introduites dans cette partie de la thèse résident dans le modèle de liaison entre les attaches et le rail, et dans le nouvel algorithme proposé pour résoudre la non linéarité du problème. En effet, afin de rendre plus rapide la résolution, la méthode du point fixe a été couplée avec la méthode de Newton Raphson. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la présentation des résultats numériques obtenus. Enfin, les résultats des simulations ont été utilisés pour la compréhension et la description de l'origine de la vitesse critique et des effets du train sur le tassement du ballast. La vitesse critique peut être définie comme une certaine valeur de vitesse qui provoque un fort incrément des vibrations et des déplacements verticaux et latéraux de l'infrastructure. Ce phénomène a été étudié par plusieurs équipes et a été attribué à un effet de résonance comparable au phénomène aérodynamique du mur du son: «Mach effect». Le train produit des vagues de déformation sur l'infrastructure; la vitesse de ces vagues, nommée «vitesse de Rayleigh», dépend principalement des caractéristiques du ballast et du sol. En effet même si l'effet «Mach» est physiquement plausible pour ces conditions, les trains n'atteignent pas, pour le moment, ces vitesses. Néanmoins des résultats expérimentaux ont permis l'observation du phénomène de la vitesse critique pour des trains roulant à la vitesse de 135 km/h (nombre Mach proche à 0.4). Donc, pour le moment, il n'y a ni estimation exacte ni explication physique de la vitesse critique dans l'intervalle inférieur à la vitesse de Rayleigh. Dans cette thèse une nouvelle explication a été proposée. La masse du train et les suspensions ont une influence non négligeable qui modifie la réponse du système véhicule/infrastructure en termes de modes de vibration. Pour cette raison, il est nécessaire de lier les fréquences d'excitation, et donc la vitesse du train, avec les modes de vibration du système couplé. Des comparaisons entre les analyses modales du système couplé et la déflexion de la traverse en fonction de la vitesse du train ont été menées. Lorsque la vitesse du train, qui excite le système suite aux passage des traverses, rejoint la valeur critique, un phénomène de résonance s'observe. La deuxième étude développée concerne les coûts des entretiens liés au tassement du ballast. Le but est de trouver une fonction de coûts liés aux caractéristiques et aux variables du véhicule, et de proposer une nouvelle méthode pour calculer la partie du péage ferroviaire lié au tassement du ballast (50 % environ du coût total). En calculant la déflection du ballast grâce au modèle présenté dans cette thèse, il est possible d'évaluer l'effet de chaque véhicule sur le tassement. Une fois calculé le coût total d'un certain type de ligne, lié à une certain seuil d'intervention (somme des intervention des bourrages plus la substitution total du ballast), il est possible d'évaluer le coût de chaque passage de train et de le lier à toutes le variables du modèle. / A numerical model to predict train induced vibrations is presented. The dynamic computation considers mutual interactions in vehicle/track coupled system by means of a finite and discrete elements method. The vehicle is modeled by 7 bi-dimensional rigid elements representing: the body, the two boogies and the four wheels. The railway is discretized as finite Timoshenko beam elements. Axial deformation is assumed insignificant. The substructure is made-up of: rail-pads, sleepers, ballast, and background. Rail-pads are modeled as spring/damper couples without mass and sleepers are modeled as rigid elements. The rail-sleeper contact is assumed extended to a connection-area, rather than a single point assumption. To model this area many spring/damper couples are disposed along the length of sleepers. The ballast is modeled as blocks of mass made-up of rigid elements, connected to sleeper by spring/damper couples. To allow the transmission of vibrations in longitudinal direction too, spring/damper couples connect ballast elements horizontally.The dynamic interaction between the wheel-sets and the rail is accomplished by using the non-linear Hertzian model with hysteresis damping. The rail defects and the case of out-of-round wheels are considered too.A modal analysis of supporting structure is done to validate the substructure model comparing it to experimental data.Comparisons between numerical results of our model, experimental data and numerical results of others literature models are done on contact-force, rail accelerations and sleepers accelerations to validate the coupled vehicle/track system.Moreover a modal analysis of the coupled vehicle/track system is done to analyze the relationship between resonance frequencies, train velocities and ballast displacements.A sensitivity analysis is done to evaluate the variables more affecting the maintenance costs. The parameters more conditioning the ballast maintenance costs are the ballast modulus and the train mass.The effects of train velocity on the ballast displacements are analyzed in relationship with substructure properties. A new formulation to evaluate the railway toll connected to ballast wear is introduced.A new interpretation of the critical velocity in the range 100-300 km/h is proposed.

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