Cette thèse se consacre au comportement d'interface des matériaux granulaires, et particulièrement au phénomène de localisation des déformations au voisinage d'une paroi. À l'aide d'une géométrie annulaire à vitesse de cisaillement et pression de confinement imposées, on confronte des approches expérimentale et numérique. L'approche expérimentale est composée par des expériences avec des matériaux modèles dans deux appareils de cisaillement simple annulaire (ACSA et mini-ACSA). On relie les mesures globales des contraintes et des variations volumiques aux mesures de déformation du milieu granulaire obtenues par corrélation d'images (ACSA) et par imagerie par résonance magnétique (mini-ACSA). L'approche numérique consiste en des simulations discrètes bidimensionnelles (dynamique moléculaire). On étudie l'influence de la géométrie et de la rugosité des parois dans le comportement des interfaces granulaires. En simulation, on complète l'étude avec l'analyse des effets inertiels.

Cette thèse se consacre au comportement d'interface des matériaux granulaires, et particulièrement au phénomène de localisation des déformations au voisinage d'une paroi. À l'aide d'une géométrie annulaire à vitesse de cisaillement et pression de confinement imposées, on confronte des approches expérimentale et numérique. L'approche expérimentale est composée par des expériences avec des matériaux modèles dans deux appareils de cisaillement simple annulaire (ACSA et mini-ACSA). On relie les mesures globales des contraintes et des variations volumiques aux mesures de déformation du milieu granulaire obtenues par corrélation d'images (ACSA) et par imagerie par résonance magnétique (mini-ACSA). L'approche numérique consiste en des simulations discrètes bidimensionnelles (dynamique moléculaire). On étudie l'influence de la géométrie et de la rugosité des parois dans le comportement des interfaces granulaires. En simulation, on complète l'étude avec l'analyse des effets inertiels.

Pour caractériser certains comportements des gouges de failles, des travaux à l'Appareil de Cisaillement Simple Annulaire ont été réalisés. Ils consistent à cisailler un modèle de gouge épaisse sur des distances plurimétriques. La diminution progressive, à grand déplacement, du frottement apparent est représentée par une nouvelle loi puissance qui prend en compte le niveau de confinement et dans laquelle l'effet de l'eau est négligeable. Les perturbations en déplacement, en dessous d'un certain seuil, en vue de relâcher le cisaillement, induisent une cicatrisation lors de la recharge où l'on a mis en évidence le rôle des déformations volumiques, et plus particulièrement la dilatation empêchée de la bande de cisaillement. Par ailleurs, la variation du confinement, sous forme sinusoïdale ou par paliers, entraîne une déformation volumique et une variation du cisaillement proportionnelles. Ces perturbations ont peu d'influence sur un échantillon ayant subi dans son passé un confinement supérieur à celui pratiqué par les variations. Les variations sinusoïdales se font sans déphasage et sans qu'il y ait résonance ; l'effet de la période est plus présent à faibles valeurs (< 20 s). La bande de cisaillement montre une réduction importante de sa perméabilité à l'eau attribuée à la production de fines particules résultant du broyage des grains de sable. Un nouveau dispositif permet d'avoir accès à des mesures de la pression normale au voisinage de la bande de cisaillement pour une interface rugueuse. La comparaison avec les travaux antérieurs sur une interface lisse conduit à une convergence satisfaisante ; une exception importante est le cas des phases d'adoucissement à long terme. La réponse globale des essais semble résulter de l'interaction entre la bande de cisaillement et le reste de l'échantillon.

Nous présentons une série de résultats expérimentaux visant à modéliser le comportement mécanique d'une zone de faille. Nous avons utilisé un appareil de cisaillement simple annulaire permettant d'appliquer des cisaillements plurimétriques à des échantillons épais de gouge granulaire (sable de quartz). Nos résultats mettent en évidence un nouveau processus spectaculaire d'adoucissement en glissement: le coefficient de frottement effectif de la gouge décroît de 70% sur des distances caractéristiques décimétriques. La diminution progressive du frottement avec le glissement est bien représentée par une loi puissance sans échelle caractéristique de longueur. On constate que ce nouveau processus d'adoucissement permet de rendre compte quantitativement des distances d'adoucissement apparentes et des énergies de fracture mises en jeu durant les grands séismes. Nous proposons de l'inclure dans une extension des lois de frottement classiques de type RSF (``rate- and state-dependent friction''). Outre ces résultats macroscopiques, nous avons aussi pu mesurer, par corrélations d'images, les déformations microscopiques à l'intérieur des échantillons. Dès le début du glissement, la déformation se localise dans une bande de cisaillement broyée d'épaisseur constante. Cette bande est séparée du reste du matériau par une fine zone de transition indurée. On remarque que le processus d'adoucissement macroscopique est systématiquement associé à un effet de relaxation lente des incréments de déformation hors de la bande de cisaillement. Nous interprétons ces deux processus concomitants comme résultant d'un découplage progressif entre la bande de cisaillement et le reste de l'échantillon. L'épaisseur mécanique effective de la gouge est donc significativement plus grande que l'épaisseur de la bande de cisaillement. Nous proposons d'extrapoler nos résultats aux zones de faille naturelles, dont la structure présente souvent de fortes analogies avec celle de nos échantillons cisaillés.