Le phénomène de radoucissement d'une roche est étudié à partir de l'observation des modes de localisation des déformations. A partir d'essais de compression triaxiale sur un grès de Fontainebleau, on caractérise à la fois de comportement pré-localisation et la formation des bandes de cisaillement. Les conditions d'essais sont optimisées par un choix adapté de la géométrie de l'échantillon (élancement, taille, forme) et des conditions à l'interface roche-plateau. On montre que le frettage à l'interface modifie l'allure des courbes contraintes-déformations et affecte le mode de rupture. Les caractéristiques de bandes de cisaillement (orientation et épaisseur) sont également modifiées par le frettage. Une technique anti-frettage par lubrification de l'interface est utilisée et validée. L'effet de la présence d'un fluide interstitiel est étudié. On montre que la loi de contrainte effective de Terzaghi est vérifiée dans le cas des essais réalisés en conditions drainées. Les phases de fissuration des échantillons correspondant au seuil de microfissuration, au seuil de dilatance et au seuil de localisation sont identifiées. Le problème du contrôle expérimental de la phase post-pic est également discuté. Les observations de bandes de cisaillement montrent que l'épaisseur et l'angle d'orientation de la bande par rapport à la contrainte principale mineure ont tendance à diminuer quand on augmente la pression de confinement. La microstructure des bandes est étudiée à partir de microphotographies obtenues au microscope électronique à balayage (MEB) et à la loupe binoculaire. L'évolution de la porosité et de la granulométrie dans la zone de localisation est quantifiée. Sous faible pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à l'intérieur et à proximité de la bande caractérisé par une augmentation de la porosité. A forte pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à proximité de la bande et de contractance au co eur de la bande caractérisé par une intense fragmentation des grains et une réduction importante de la porosité. Un modèle de comportement élastoplastique du second-gradient avec écrouissage et radoucissement pour le grès de Fontainebleau est développé. La phase d'écrouissage est étalonnée sur la phase pré-localisation des essais triaxiaux. Le comportement radoucissant est évalué de façon indirecte à partir d'une analyse de l'épaisseur des bandes de cisaillement. (Résumé de l'auteur)

Les objectifs de notre travail de recherche sont de contribuer à l'amélioration de la connaissance du comportement mécanique des sols grossiers à matrice, et de proposer une procédure rationnelle de caractérisation de leur comportement mécanique. En vue d'atteindre ces objectifs, il est important de comprendre l'effet des gros éléments dans ces sols. Pour cela, nous travaillerons sur des sols grossiers de référence à matrice sableuse, en vue de mieux comprendre l'effet des inclusions sur le comportement mécanique des mélanges. Ces travaux s'inscrivent dans le prolongement des recherches développées dans le cadre de la thèse de Pedro [2004]. Ces travaux rentrent également dans le cadre du projet de coopération bilatéral franco-libanais CEDRE entre l'ENPC-CERMES et l'Université Libanaise, Faculté de Génie, Beyrouth. (Intro. Auteur)

Ce travail de thèse combine des approches expérimentales et théoriques visant à caractériser l'impact des effets géomécaniques lors de l'injection de CO2 dans une formation de calcaire. La première partie est consacrée à l'étude expérimentale des évolutions des propriétés pétrophysiques et géomécaniques du calcaire étudié sous l'effet de l'altération chimique. L'évolution de la microstructure de la roche est également étudiée dans le but de comprendre les phénomènes observés à l'échelle macroscopique. La deuxième partie vise à définir, par approche micromécanique, un modèle de comportement géomécanique prenant en compte la dégradation des propriétés mécaniques de la roche carbonatée sous l'effet de l'attaque acide. L'élasticité et la résistance de la roche ont été modélisées et validées par les données expérimentales / This work composed of both experimental and theoretical studies aims at the characterization of carbonate rocks geomechanical evolution during CO2 injection. The first part of the study deals with the experimental work in order to characterize the petrophysical and geomechanical evolution of carbonate rock under chemical effect. Microstructure evolution has been investigated, in order to provider a better understanding of the observed phenomena at the macroscopic scale. The aim of the second part is to derive macroscopic properties of carbonate rock in framework of a micromechanical approach. The elastic moduli and effective strength in both intact and altered states have been computed and are compared with experimental data

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

Le travail de thèse a pour but d'étudier le comportement thermo-hydro-mécanique de l'argile de Boom, choisie comme matériau hôte pour le stockage des déchets radioactifs à Mol, Belgique. En premier lieu, l'étude a été menée sur les propriétés de rétention d'eau et le couplage hydro-mécanique du sol par des essais de compression axiale avec suivi de succion par le tensiomètre. Les résultats obtenus ont permis d'élaborer une procédure expérimentale rationnelle pour l'essai triaxial. En second lieu, des systèmes d'essai triaxial à hautes pressions et à température contrôlée ont été développés pour réaliser des essais de compression, de chauffage, et de cisaillement à différentes températures. Les résultats obtenus ont montré clairement le comportement visco-élasto-plastique. Ce comportement a été modélisé en étendant la loi de comportement thermo-élasto-plastique de Cui et al. (2000) à l'effet du fluage.

L'exploration et la production pétrolière en mer s'étendent vers des profondeurs d'eau sans cesse croissantes. Dans le Golfe de Guinée ou le Golfe du Mexique, les compagnies pétrolières exploitent actuellement des champs situés par des profondeurs d'eau de 1500 m à 2000 m. Les sols marins rencontrés sur ces zones d'offshore très profond présentent des caractéristiques particulières, différentes de celles des sédiments rencontrés sur le plateau continental. Ces sont essentiellement des sédiments argileux très fins normalement consolidés ou sous-consolidés dotés d'un comportement mécanique spécifique et complexe. La résistance au cisaillement non drainé est en général très faible, mais curieusement, sur certaines zones, on trouve en surface une couche avec des cohésions dix fois plus élevées qu'au dessous. Les approches conventionnelles ne permettent pas d'expliquer cette couche indurée. L'objectif de cette thèse a été d'améliorer la compréhension du comportement mécanique de ces sols de grandes profondeurs et d'étudier en particulier l'effet de la minéralogie, de la physico chimie et de la microstructure. Plusieurs hypothèses ont été envisagées pour expliquer l'origine de la couche indurée en surface : effet physico-chimique, bioturbation, vitesse de sédimentation. Les mesures physico chimiques et mécaniques effectuées sur des carottes disponibles ne permettent pas de trancher de façon définitive. Il est probable qu'il n'existe pas une cause unique. Plusieurs améliorations des procédures des essais d'identification des sols ont été proposées (teneur en matière organique, minéralogie, granulométrie). Les propriétés thixotropes de ces sols grands fonds ont été caractérisées par des mesures rhéologiques. Le comportement mécanique des sols a été étudié par des essais oedométriques et des essais triaxiaux. Les sédiments des grands fonds du Golfe de Guinée sont caractérisés par une forte compressibilité, éventuellement liée à la présence importante de smectite. La déstructuration du sol naturel en cours de compression a été bien observée. Les conditions expérimentales et les procédures opérationnelles d'essais triaxiaux drainés et non drainés sous très faibles contraintes ont été améliorées. La sensibilité des sédiments s'est démontrée être un paramètre bien adapté pour décrire le comportement d'un sédiment naturel structuré tel que celui du Golfe de Guinée. La microstructure du sol a été étudiée à l'aide d'analyse de Porosimétrie au Mercure et d'observations au Microscope Électronique à Balayage. Les observations ont apporté des éléments nécessaires pour clarifier le mécanisme de déstructuration du sol au niveau inter-aggrégats.

Ce travail de thèse concerne la prédiction des structures en béton soumises à des chargements extrêmes. Il s'intéresse plus particulièrement au comportement du béton sous fort confinement où la contrainte peut atteindre des niveaux de l'ordre du giga Pascal. La modélisation de ce comportement doit être capable de reproduire la compaction irréversible. Pour ce faire, deux lois de comportement élasto-plastique - endommageable ont été développées et implantées dans un code aux éléments discrets. Les paramètres utilisés dans ces lois sont calibrés par les simulations des essais de traction/compression uniaxial, des essais hydrostatiques et triaxiaux. Une fois les paramètres calibrés, la loi montrant le meilleur agrément avec l'expérience a été choisie pour la prédiction de la réponse du béton sous différents niveaux de confinement. Les résultats du modèle sont analysés non seulement à l'échelle macroscopique mais également à l'échelle de l'élément discret. La nécessité de prendre en compte une loi d'interaction de type élasto-plastique-endommageable est aussi montrée. La deuxième partie du travail de thèse développe une méthode de couplage entre le modèle éléments discrets et un modèle d'écoulement compressible en tenant compte des mécanismes physiques fondamentaux d'interaction entre l'écoulement interne et les particules solides d'un matériau poreux. Le problème d'écoulement est résolu par une méthode en volumes finis, où le volume est discrétisé en tétraèdres issus d'une triangulation régulière de Delaunay. Notre modèle est une adaptation aux fluides compressibles d'un modèle développé initialement pour les écoulements incompressibles. Ce couplage a été utilisé pour simuler le comportement triaxial des bétons humides et saturés sous différents niveaux de confinement. Les résultats nous montrent une bonne reproduction du comportement non-drainé du béton saturé sous faible confinement. Pour fort confinement, les simulations ne se rapprochent des résultats expérimentaux qu'au prix d'une compressibilité du fluide plus faible que celle de l'eau. Par ailleurs, la contrainte effective était une variable pertinente pour décrire le comportement du béton humide par un état limite intrinsèque indépendant du degré de saturation.

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

Ce travail de thèse concerne la prédiction des structures en béton soumises à des chargements extrêmes. Il s'intéresse plus particulièrement au comportement du béton sous fort confinement où la contrainte peut atteindre des niveaux de l'ordre du giga Pascal. La modélisation de ce comportement doit être capable de reproduire la compaction irréversible. Pour ce faire, deux lois de comportement élasto-plastique - endommageable ont été développées et implantées dans un code aux éléments discrets. Les paramètres utilisés dans ces lois sont calibrés par les simulations des essais de traction/compression uniaxial, des essais hydrostatiques et triaxiaux. Une fois les paramètres calibrés, la loi montrant le meilleur agrément avec l'expérience a été choisie pour la prédiction de la réponse du béton sous différents niveaux de confinement. Les résultats du modèle sont analysés non seulement à l'échelle macroscopique mais également à l'échelle de l'élément discret. La nécessité de prendre en compte une loi d'interaction de type élasto-plastique-endommageable est aussi montrée. La deuxième partie du travail de thèse développe une méthode de couplage entre le modèle éléments discrets et un modèle d'écoulement compressible en tenant compte des mécanismes physiques fondamentaux d'interaction entre l'écoulement interne et les particules solides d'un matériau poreux. Le problème d'écoulement est résolu par une méthode en volumes finis, où le volume est discrétisé en tétraèdres issus d'une triangulation régulière de Delaunay. Notre modèle est une adaptation aux fluides compressibles d'un modèle développé initialement pour les écoulements incompressibles. Ce couplage a été utilisé pour simuler le comportement triaxial des bétons humides et saturés sous différents niveaux de confinement. Les résultats nous montrent une bonne reproduction du comportement non-drainé du béton saturé sous faible confinement. Pour fort confinement, les simulations ne se rapprochent des résultats expérimentaux qu'au prix d'une compressibilité du fluide plus faible que celle de l'eau. Par ailleurs, la contrainte effective était une variable pertinente pour décrire le comportement du béton humide par un état limite intrinsèque indépendant du degré de saturation. / This thesis work deals with the predicting of concrete structures submitted to some extreme loadings, and, more particularly, focuses on behavior of concrete under a high-confining pressure. At this range of pressures, irreversible compaction of the material occurs and needs to be considered. Doing so, two elasto-plastic-damaged constitutive laws have been developed and implanted into a discrete element numerical code. Local parameters to be used in these constitutive laws are identified by simulating reference uniaxial traction/compression tests and triaxial compression tests. Once these parameters have been obtained, the law showing the best agreement with the experimental data has been chosen to predict the reponse of concrete sample for triaxial compressive tests at different levels of confinement. The numerical results have been analyzed not only at macroscopic scale but also at discrete element scale. The need of a constitutive law taking into account the elasto-plastic-damaged behavior has been also proved. The second objective of the thesis work was to develop a fluid flow – coupled discrete element model by considering fundamental physical mechanisms of the interaction between the internal fluide flow and the solid particles of a porous material. The flow problem is solved by the finite volume method, where the volume is discretized into tetrahedra issue of a regular Delaunay triangulation. Our model is an adaptation for elastic fluids of a model originally developed for incompressible flows. The developed fluid-flow coupled discrete element has been used to simulate the undrained triaxial behavior of concrete under different levels of confinement. The results show a good reproduction of undrained behavior of saturated concrete under low confinement. For high confinement, the simulations only resemble the experimental results when the fluid compressibility is lower than that of water. Moreover, the effective stress was a relevant variable to describe the behavior of the wet concrete by an intrinsic limit state independent of the degree of saturation.

La nature complexe de l'argile a amené les chercheurs à s’intéresser à ses comportements mécaniques et microstructure. L'objectif de cette recherche est d'étudier l'influence des chemins de contrainte triaxiaux sur le comportement mécanique et sur les mécanismes qui se produisent au niveau microstructural. L’étude est réalisée en considérant à un niveau de contrainte donné, le phénomène de dilatance est approché suivant des chemins de contraintes différents. Dans un deuxième temps, l’étude se porte sur l’influence de la succion sur le comportement. Pour les argiles remaniées saturées, le comportement dilatant à un niveau de contrainte donné, atteint par deux chemins de contrainte différents a été finement analysé. L’influence du niveau de contrainte a été également abordée dans le cadre de cette étude. L’analyse microstructurale a été analysée à différentes échelles au moyen de différentes méthodes. Au niveau macroscopique, les résultats ont montré que, pour un niveau de contrainte donné, le comportement volumétrique est fonction du chemin de contrainte. La dilatance est activée dans le cas d’argiles surconsolidées principalement lorsque le chargement est purement déviatorique. Au niveau microscopique, les résultats mettent en évidence cinq modes d’orientation des particules qui pourraient être activés sous chargement triaxial. Les résultats révèlent que l’apparition de la dilatance dans les argiles remaniées fortement surconsolidées peut être attribuée à l'arrangement tortueux des particules d'argile, l'ouverture des micropores ainsi que la formation et l’ouverture de fissures mésoscopiques. Pour les argiles remaniées non saturées, les études sont réalisés par les essais macroscopiques et mésoscopiques sur l'argile Kaolin K13 et un mélange kaolinite-montmorillonite. L’évolution des succions a été mesurée au moyen d’hygromètres placés dans les extrémités supérieure et inférieure d’échantillon. Les résultats démontrent que la contrainte déviatorique d’argile non saturée, lorsque la succion est forte, commence par augmenter jusqu'à un sommet puis diminue pour rejoindre une valeur résiduelle. La résistance au cisaillement d’argile non saturée augmente généralement avec la contrainte moyenne et la succion. Cependant, dans nos essais à succion très élevée le développement d’une fissuration lors du séchage a conduit à perdre l’homogénéité du matériau et à réduire la résistance au cisaillement de l’éprouvette / The complex nature of clay has aroused great interest of researchers in its mechanical behaviour and microstructure. The objective of this research is to examine the influence of triaxial stress paths on the mechanical behaviour of remoulded clay and the mechanisms that occur at the microstructural level. The dilatancy phenomenon is particularly investigated considering a given stress level reached by following different stress paths. In the second part, this research focuses on the influence of suctions on the mechanical behaviour. For the saturated remoulded clay, the dilative behaviour at a given stress level, reached by following two different stress paths was analysed in detail. The influence of stress levels was also examined in this research. The microstructural analysis was conducted at different scales by means of different methods. The macroscopic results of saturated clay show that, at a given stress level, the volumetric behaviour greatly depends on the stress path. In the case of overconsolidated clay, the dilatancy is activated especially when triaxial shearing is performed following the purely deviatoric stress path. At the microscopic level, the results highlight five modes of particle orientation that could be activated under triaxial loading. The results also reveal that the appearance of dilatancy phenomenon in highly overconsolidated remoulded clay may be attributed to the tortuous arrangement of clay particles, the opening of micropores, and the formation and opening of mesocracks. For the unsaturated remoulded clay, the studies were performed through many macroscopic and mesoscopic tests on Kaolin K13 clay and a kaolinite-montmorillonite mixture. The evolution of suctions was measured using hygrometers placed near the upper and lower ends of clay specimens. The results show that, at a high suction level, the deviatoric stress of unsaturated clay increases to a peak and then decreases down to a residual value. The shear strength of unsaturated clay generally increases with increasing mean stress and suction. However, in the high suction tests, the development of cracks during drying led to the inhomogeneity of the specimens and thus resulted in relatively small shear strengths