A key requirement in evaluation of sliding stability of concrete dams is monitoring shear behavior of 1) concrete joints in dam body, 2) concrete-rock interfaces and 3) rock discontinuities in dam foundation. The methodology consisted of creating a database of observed shear behaviors of the mentioned joints using acoustic emission (AE) technique. Joint samples were fabricated by tension splitting of the cores and pouring concrete on rock joint replica for simulating concrete-rock interfaces. Variations of key parameters including joint geometry, normal stress, displacement rate and bonding percentage were incorporated in the analysis. An analysis was also carried out on natural joints from Daniel Johnson (Manic 5) Dam, Quebec, founded on gneiss to granitic rock. Parametric-based and signal-based analysis methods were used to evaluate the potential of AE for monitoring shear behavior of various kinds of joint with different characteristics. Using AE parameters such as amplitude, count, energy, duration and rise time, this study was done as a feasibility study for AE monitoring of sliding surfaces within dam, dam-rock interface or inside rock foundation. It was found that AE has a good capability for showing the initial shear movement of the non-bonded joints. For bonded joints this technique can show that AE activities are occurring before breaking of adhesive bond. This is important because recording AE signals after an initial breakage of the joint would be too late to install stabilization work to be done beforehand. Of course in the eventuality that a rupture includes a sequence of events even recording AE signals of the first break is still useful. It is recommended to use this method combined with other instrumentation methods (e.g. load measuring instruments) to detect the initial shear movement of the bonded joints. Following experimental work and analysis of crack propagation and asperity degradation along shearing process, four different periods were observed in shear stress-displacement behavior of joints. These periods are: 1) Pre-peak linear period in which AE activities are initiated and show the beginning of shear displacement, 2) Pre-peak non-linear period in which AE signals are generated from crack initiation and degradation of the secondary asperities, 3) Post-peak period where first order asperities are sheared off and joints pass their maximum shear strength and 4) Residual period in which AE activities decrease and reach their minimum values. The applicability. of AE localization technique was evaluated using image analysis and scanned surfaces of the joints by laser. The results indicated that this method can locate regions with rupture governing characteristics. This provides the possibility to reinforce support systems and be aware about possible structure failures before any unexpected mechanical disturbance.

Malgré des résultats prometteurs, les procédés de mise en forme à grande vitesse sont encore peu utilisés dans l'industrie du fait d'un manque de compréhension du phénomène de Bande de Cisaillement Adiabatique (BCA).<br/>Ce travail présente le développement d'outils numériques permettant la simulation adaptative et l'analyse de BCA dans des procédés 3D de mise en forme à grande vitesse. L'utilisation du modèle ALE-adaptatif séquentiel développé dans le logiciel Forge3 permet pour la première fois la simulation automatique de BCA 3D. L'étude des résultats numériques permet de proposer une description innovante du processus de formation de BCA. Les moyens de calcul requis s'avérant très importants, un nouveau code éléments finis hautement parallèle appelé Forge++ est développé. Ce dernier inclut de nouveaux algorithmes tels que le couplage thermomécanique implicite, la méthode de stabilisation RFB et un recouvrement par patch parallèle pour une meilleure simulation de BCA.

Le propre d'une structure géologique superficielle est d'être accessible à l'observation directe, par opposition à une structure profonde. Dans bien des cas, ce sont les structures profondes inaccessibles au géologue qui guident les structures superficielles. Afin de remédier à cette lacune d'observation le géologue imagine alors d'innombrables statragèmes ou techniques visant tous à la connaissance, la moins imparfaite possible, des structures profondes et de leurs relations avec la géologie superficielle. Ce travail s'inscrit dans une telle démarche. Notre point de départ était quelque peu abstrait : la mise en évidence de gradients de déformation horizontaux et verticaux dans une zone plissée ; autrement dit l'étude de plis dont les caractéristiques étaient susceptibles de varier horizontalement et verticalement. Très certainement, de nombreux exemples se prêtent à ce genre d'étude, celui du cisaillement vertical d'une couverture sédimentaire sur un décrochement de son socle nous a semblé pouvoir être un cas assez simple et significatif dans ce domaine, nous l'avons donc retenu. On envisage donc deux blocs de socle, plus ou moins rigides et indéformables qui coulissent l'un par rapport à l'autre horizontalement et qui induisent ainsi, dans la couverture sédimentaire qui les surmonte, des plissements : "les terrains superficiels ne faisant que s'adapter à la déformation des parties profondes de l'écorce, sur lesquelles ils reposent" (J. GOGUEL, 1943, p. 363). On espère ainsi observer un gradient horizontal de plissement en allant du décrochement vers les limites latérales de la zone affectée par le cisaillement induit et un gradient vertical lié au fait que la couche inférieure de la série suivra plus intimement les mouvements du socle que la couche supérieure. Afin de disposer de conditions d'observation convenables, nous avons choisi de modéliser une telle zone de décrochement. Le type de modélisation retenu n'a pas été numérique mais analogique car elle permet d'étudier aisément de grandes déformations.

On étudie la dynamique et la rhéologie d'une suspension de vésicules (un modèle pour les globules rouges) dans la limite de faibles nombres de Reynolds en utilisant des simulations numériques, basées sur les méthodes des intégrales au bord et du champ de phase. L'attention est mise sur le lien entre la dynamique microscopique des particules et le comportement d'ensemble de la suspension (c. à d. la rhéologie). On analyse une suspension diluée de vésicules dans un écoulement de cisaillement linéaire et on décrit en détail l'influence des paramètres qui en gouvernent la dynamique. On explique le comportement complexe des grandeurs rhéologiques (viscosité effective et différence des contraintes normales) et on détail le rôle de la membrane de la vésicule. On examine l'influence de la courbure des lignes d'écoulement sur la dynamique des vésicules, et on reporte une migration non-négligeable dans la direction de concavité. L'interprétation donnée reste valable pour la plupart des fluides complexes, comme les émulsions et les suspensions de polymères. De plus, on a investigué le comportement d'une suspension de vésicules dans un apparat de Taylor-Couette microscopique, et une transition vers des états ordonnés à été mise en évidence à des fractions volumiques très faibles. On étudie aussi le comportement d'ensembles de vésicules dans un écoulement parabolique, une situation qui imite les globules rouges dans les capillaires sanguins. Les vésicules, soumises au seules forces hydrodynamiques, forment des agrégats de taille finie, un fait qui pourrait être d'importance physiologique.

L'étude des grandes structures de l'Univers est un des meilleurs moyens pour comprendre l'origine et l'évolution de l'Univers. Dans cette thèse, nous nous spécialisons aussi bien dans la théorie des perturbations aux échelles cosmologiques, que dans le cisaillement cosmique. La théorie des perturbations aux échelles cosmologiques décrit comment les grandes structures de l'Univers se sont formées à partir des minuscules fluctuations primordiales. Cette évolution est généralement décrite en se servant des équations du mouvement d'un fluide, et dans cette thèse nous introduisons quelques nouvelles versions de cette hiérarchie de Boltzmann. Les avantages et inconvénients de ces nouvelles hiérarchies sont analysés en détail. Nous introduisons aussi une nouvelle technique, appelée l'approximation eikonal, qui nous permet de mieux comprendre les résultats des autres approches utilisées en théorie des perturbations. En outre, grâce à sa généralité, elle nous permet de généraliser une grande quantité de résultats. Le cisaillement cosmique décrit comment l'effet des lentilles gravitationnelles déforme notre image du ciel. Dans cette thèse, nous étudions de manière détaillée le bispectre du cisaillement cosmique, au deuxième ordre en les potentiels gravitationnels. Le calcul est intégralement fait en "full sky", généralisant ainsi les résultats existants. Pour simplifier les calculs numériques, nous introduisons et généralisons l'approximation dite de Limber.

Une brosse de polyélectrolytes est constituée par des chaînes de polymères chargées greffées sur une surface. Le but de cette thèse est d'étudier par simulation mésoscopique (dynamique des particules dissipatives, DPD) les facteurs qui influencent les propriétés rhéologiques du système. Les interactions électrostatiques ont été incorporées dans la version initiale de la méthode DPD selon deux techniques (Ewald et PPPM). Les dépendances de la hauteur de brosse en fonction de la fraction de charge, de la densité de greffage et de la concentration en sels, calculées par la méthode DPD, suivent le régime de brosse osmotique non linéaire. L'interaction entre deux brosses en interaction a également été modélisée dans l'ensemble Grand Canonique. Les simulations ont démontré que l'interpénétration entre les deux brosses en interaction diminuent avec la fraction de charge. L'étude de ce système sous cisaillement a permis de démontrer que les forces de friction de brosses polyélectrolytes étaient inférieures à celles de brosses neutres à partir d'une certaine distance de séparation entre les deux surfaces greffées.

Dans le domaine du génie civil et de la construction, ainsi que de l'industrie, les structures hétérogènes multicouches sont très utilisées. L'une des demandes formulées par les ingénieurs pour concevoir de telles structures est aussi la connaissance des charges limites qu'elles peuvent supporter. Des méthodes d'homogénéisation des plaques et poutres multicouches en analyse limite ont ainsi été développées. Elles conduisent respectivement à des cinématiques de Love-Kirchhoff ou d'Euler-Bernoulli pour la structure homogène équivalente. Afin de prendre en compte les effets de cisaillement, de nouveaux modèles de plaques et de poutres multiparticulaires ont été proposés et justifiés. Après une validation par éléments finis de ces modèles, on les applique au cas des poutres en béton armé renforcées. Ils permettent d'avoir une estimation rapide des chargements maximaux supportables et de construire ainsi un outil de dimensionnement à l'Etat Limite Ultime pour de telles structures.

Dans le contexte de la caractérisation des tissus mammaires, on peut se demander ce que l’examen d’un attribut en échographie quantitative (« quantitative ultrasound » - QUS) d’un milieu diffusant (tel un tissu biologique mou) pendant la propagation d’une onde de cisaillement ajoute à son pouvoir discriminant. Ce travail présente une étude du comportement variable temporel de trois paramètres statistiques (l’intensité moyenne, le paramètre de structure et le paramètre de regroupement des diffuseurs) d’un modèle général pour l’enveloppe écho de l’onde ultrasonore rétrodiffusée (c.-à-d., la K-distribution homodyne) sous la propagation des ondes de cisaillement. Des ondes de cisaillement transitoires ont été générés en utilisant la mèthode d’ imagerie de cisaillement supersonique ( «supersonic shear imaging » - SSI) dans trois fantômes in-vitro macroscopiquement homogènes imitant le sein avec des propriétés mécaniques différentes, et deux fantômes ex-vivo hétérogénes avec tumeurs de souris incluses dans un milieu environnant d’agargélatine. Une comparaison de l’étendue des trois paramètres de la K-distribution homodyne avec et sans propagation d’ondes de cisaillement a montré que les paramètres étaient significativement (p < 0,001) affectès par la propagation d’ondes de cisaillement dans les expériences in-vitro et ex-vivo. Les résultats ont également démontré que la plage dynamique des paramétres statistiques au cours de la propagation des ondes de cisaillement peut aider à discriminer (avec p < 0,001) les trois fantômes homogènes in-vitro les uns des autres, ainsi que les tumeurs de souris de leur milieu environnant dans les fantômes hétérogénes ex-vivo. De plus, un modéle de régression linéaire a été appliqué pour corréler la plage de l’intensité moyenne sous la propagation des ondes de cisaillement avec l’amplitude maximale de déplacement du « speckle » ultrasonore. La régression linéaire obtenue a été significative : fantômes in vitro : R2 = 0.98, p < 0,001 ; tumeurs ex-vivo : R2 = 0,56, p = 0,013 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,59, p = 0,009. En revanche, la régression linéaire n’a pas été aussi significative entre l’intensité moyenne sans propagation d’ondes de cisaillement et les propriétés mécaniques du milieu : fantômes in vitro : R2 = 0,07, p = 0,328, tumeurs ex-vivo : R2 = 0,55, p = 0,022 ; milieu environnant ex-vivo : R2 = 0,45, p = 0,047. Cette nouvelle approche peut fournir des informations supplémentaires à l’échographie quantitative statistique traditionnellement réalisée dans un cadre statique (c.-à-d., sans propagation d’ondes de cisaillement), par exemple, dans le contexte de l’imagerie ultrasonore en vue de la classification du cancer du sein. / In the context of breast tissue characterization, one may wonder what the consideration of a quantitative ultrasound (QUS) feature of a scattering medium (such as a soft biological tissue) under propagation of a shear wave adds to its discriminant power. This work presents a study of the time varying behavior of three statistical parameters (the mean intensity, the structure parameter and the clustering parameter of scatterers) of a general model for the ultrasound backscattering echo envelope (i.e., the homodyned K-distribution) under shear wave propagation. Transient shear waves were generated using the supersonic shear imaging (SSI) method in three in-vitro macroscopically homogenous breast mimicking phantoms with different mechanical properties, and two ex-vivo heterogeneous phantoms with mice tumors included in an agar gelatin surrounding medium. A comparison of the range of the three homodyned K-distribution parameters with and without shear wave propagation showed that the parameters were significantly (p < 0.001) affected by shear wave propagation in the in-vitro and ex-vivo experiments. The results also demonstrated that the dynamic range of the statistical parameters during shear wave propagation may help discriminate (with p < 0.001) the three in-vitro homogenous phantoms from each other, and also the mice tumors from their surrounding medium in the ex-vivo heterogeneous phantoms. Furthermore, a linear regression model was applied to relate the range of the mean intensity under shear wave propagation with the maximum displacement amplitude of speckle. The linear regression was found to be significant : in-vitro phantoms : R2 = 0.98, p < 0.001 ; ex-vivo tumors : R2 = 0.56, p = 0.013 ; ex-vivo surrounding medium : R2 = 0.59, p = 0.009. In contrast, the linear regression was not as significant between the mean intensity without shear wave propagation and mechanical properties of the medium : in-vitro phantoms : R2 = 0.07, p = 0.328, ex-vivo tumors : R2 =0.55, p = 0.022 ; ex-vivo surrounding medium : R2 = 0.45, p = 0.047. This novel approach may provide additional information to statistical QUS traditionally performed in a static framework (i.e., without shear wave propagation), for instance, in the context of ultrasound imaging for breast cancer classification.

Le malaxage est une étape clé de la fabrication des bétons. Il consiste à distribuer de façon homogène et à mouiller tous les constituants présents dans le malaxeur. Ce travail de thèse a été réalisé en utilisant des matériaux modèles (billes de verre), des matériaux de référence présent dans la composition du béton (calcaire, ciment, sable) et différents liquides (eau, isopropanol, glycérol). Cette étude a permis d’identifier les leviers d'optimisation de l’opération de malaxage, et de clarifier la notion de bonne ou mauvaise malaxabilité d'un système granulaire. D’autre part, il a apporté des éléments de compréhension pour réduire la dépense énergétique et la durée du malaxage. Nous avons montré que le comportement du milieu granulaire en cours de malaxage (résistance au cisaillement, cinétique de mouillage, compacité), est très largement affecté par les propriétés du mélange et les caractéristiques du malaxeur, particulièrement lors de la transition “granulaire sec / granulaire humide”. Une étude (paramétrique) a permis de hiérarchiser ces grandeurs qui ont été classifiées parmi les propriétés individuelles des poudres (taille, forme), les propriétés collectives (empilement), les propriétés du liquide mouillant (viscosité, tension superficielle, présence d’un adjuvant), les propriétés d’interface liquide/solide (angle de contact), et les paramètres opératoires (mode d’addition du liquide). Deux niveaux d’analyse complémentaires ont été utilisés pour étudier l'impact de ces différents paramètres. Le régime dynamique (utilisation d’un malaxeur planétaire de laboratoire) a permis de caractériser le comportement du milieu granulaire malaxé grâce à la mesure de la dépense en intensité. Le régime quasi-statique (cellule annulaire de Schulze) a été utilisé afin de réaliser une approche du malaxage et des contraintes locales de façon simplifiée ( plan de cisaillement de surface connue et vitesse très faible). Ce système a permis de distinguer les parts frictionnelles et cohésives mises en jeu au cours du malaxage. Parallèlement, la porosité du lit granulaire a été mesurée en cours de malaxage. Cette porosité évolue avec la quantité de liquide additionnée, et conditionne en grande partie l’évolution de la résistance au malaxage. / Mixing is an important operation in the elaboration of concrete. It creates a homogeneous distribution of solids and liquid. This work was carried out with model materials (glass beads), reference materials present in the concrete composition (calcite, cement, sand) and different liquids (water, isopropanol, glycerol). This study allowed us to optimize the mixing operation, and to clarify the difference between good and bad mixing. Moreover, the study offered informations allowing to reduce the energy consumption and the mixing time. We showed that the granular medium behaviour during the mixing (shear resistance, wetting kinetic, compacity), is affected a lot by the granular medium properties and by the mixer parameters, particularly during the “dry granular medium / wet granular medium” transitional period. A systematic study allowed us to classify these parameters among the individual powders properties (size, shape), the collective properties (packing), the wetting liquid properties (viscosity, superficial tension, liquid with an adjuvant), the liquid/solid interface properties (contact angle), and the process parameters (liquid addition method). Two complementary analysis levels were used to study the influence of these different parameters. The dynamic regime (using of a laboratory planetary mixer) allowed us to characterise the granular medium behaviour during the mixing, using the intensity consumption measure. The quasi-static regime (Schulze annular shear cell) was used in order to achieve a simplified approach to the mixing and to the local stresses (shear plan with a known surface and low velocity). This system allowed us to distinguish the frictional and cohesive interactions that take place during the mixing. In addition, the porosity of the granular medium was measured during the mixing. This porosity changes with the added liquid amount, and is partially responsible of the shear resistance modifications.

La conception des ouvrages de génie civil dans les massifs rocheux fracturés nécessite une connaissance de leur comportement lors des travaux. Les ma ssifs fracturés sont généralement très complexes et représentés par des matrices et des discontinuités rocheuses. Cette thèse a pour objectif d'étudier le comportement mécanique du massif du futur tunnel de St Béat. La thèse est divisée en trois parties. Nous étudions tout d'abord les phénomènes prépondérants et les facteurs agissant sur le comportement mécanique des massifs rocheux. Dans la seconde partie, nous effectuons séparément des études expérimentales sur le comportement mécanique de la matrice et des discontinuités rocheuses. Enfin, dans la dernière partie, nous présentons une modélisation en 2D du comportement du massif fracturé lors du creusement du tunnel. L'étude expérimentale s'appuie sur des marbres rencontrés sur le site du tunnel. Le comportement de la matrice rocheuse est étudié à partir des essais de compression triaxiale sur des échantillons de roche saine. L'évolution de l'endommagement est caractérisée à l'aide des mesures de vitesses de propagation des ondes élastiques. Une enveloppe de rupture selon le critère linéaire de Mohr-Coulomb est proposée pour la matrice rocheuse. Le comportement au cisaillement des discontinuités naturelles est ensuite étudié sous différentes conditions de chargement (contrainte normale constante et rigidité normale imposée). La mesure de topographie des surfaces des discontinuités avant et après chaque essai mécanique permet de déterminer les paramètres statistiques de la rugosité. L'influence de la contrainte normale, la rigidité normale imposée, la rugosité initiale et la vitesse de cisaillement sur le comportement des discontinuités est mise en évidence. Des lois de comportement pertin entes sont proposées pour chaque type d'essais.Les caractéristiques mécaniques obtenues sont alors introduites dans le code de calcul UDEC afin de modéliser le comportement du massif en présence du tunnel, sous différentes conditions aux limites. La réponse en terme de déformations et de contraintes induites autour du tunnel est analysée / The design of civil engineering structures in fractured rock masses requires knowledge of their mechanical behavior. The fractured rock masses are usually very complex and separated in matrix and rock discontinuities. This thesis aims to study the mechanical behavior of St Beat tunnel rock mass. The thesis is divided into three parts. We study first the predominant phenomena and factors affecting the mechanical behavior of rock masses. In the second part, we perform separately experimental studies on the mechanical behavior of matrix and rock discontinuities. Finally, in the last section, we present a 2D model of the fractured rock mass behavior during the digging of the tunnel. The experimental study is based on the marbles encountered on the future tunnel site. The rock matrix behavior is studied using triaxial compression tests on intact rock samples. The damage evolution is characterized using propagation velocities measurements of elastic waves. A failure envelope by Mohr-Coulomb linear criterion is proposed for the rock matrix. The shear behavior of natural discontinuities is investigated under different loading conditions (normal stress or constant normal stiffness imposed). The discontinuities surfaces topography is measured before and after each mechanical test to determine the roughness statistical parameters. The influence of the normal stress, the normal stiffness, the initial roughness and the shear rate on the discontinuities behavior is demonstrated. A behavior law is proposed for each type of test.The mechanical properties obtained are introduced into the code UDEC to model the rock mass behavior with the presence of the tunnel, under different boundary conditions. The response in terms of deformations and stresses induced around the tunnel is analyzed