In this research, the fundamental mechanics for the changes in stresses and strains states due to groundwater pumping is formulated. This was accomplished by developing a 3D closed form solution. The results from this research are compared with results of finite element (FE) analyses and data obtained from interferometric synthetic aperture radar (InSAR). Land subsidence (LS) due to groundwater pumping from a single well for different geological profiles and the reason why LS continues after groundwater pumping cessation were investigated. FE analyses for four different scenarios were used to investigate the effects of cemented layers and non-cemented layers above the aquifer on EF initiation. A practical method which is based on the stiffness and cementation strength of the cemented layer and the gradient of the slope of the subsidence bowl (ɑ) was proposed to determine earth fissure (EF) initiation. Three-point bending beam test was conducted in the lab to determine the mode of failure and the modulus of rupture of a local cemented soil that occurs in areas where EFs were observed. The major findings are as follows. LS due to groundwater pumping consists of i) isotropic compression and ii) simple shear on vertical planes with rotation. For a parabolic distribution of groundwater level in a homogenous aquifer, simple shear on vertical planes will be dominant when the characteristic length of the aquifer is larger than √2 times the aquifer thickness. Fine-grained soils are responsible for LS occurring after the cessation of pumping and for sagging in LS profiles. Regardless of the stiffness and cementation strength of the top layer above the aquifer, EF will not initiate if ɑ is less than 8x10⁻⁵. When the stiffness of the top cemented layer increases, it becomes more prone to EF initiation. However if the layer is stiff enough to be classified as "rock" then a higher value of ɑ is needed to initiate an EF. The experiments show that the preferred mode of failure of a cemented soil is shear rather than bending and existing cracks significantly influence the results of EF formation.

Cette étude traite de la prise en compte du gradient de contrainte et du frottement pour calculer l’amorçage de fissures en fatigue. On s’intéresse notamment au dimensionnement d’une manille en Inconel 718 munie de bagues en Inconel 718montées avec interférence. Pour cela, on réalise des essais de fretting et de fatigue pour étudier les conditions d’amorçage de fissures en présence de gradient de contrainte et de frottement. Les résultats expérimentaux mettent en évidence l’effet du gradient des contraintes sur l’amorçage de fissures et justifient la prise en compte du gradient pour le dimensionnement en fatigue des structures. A travers ces essais balayant une gamme de gradient de contrainte étendue, on confirme que la présence d’un gradient de contrainte retarde l’amorçage de fissures. Les avantages et les inconvénients de plusieurs approches de fatigue multiaxiale intégrant le gradient de contrainte sont étudiés. De cette analyse, une proposition est faite permettant de décrire au mieux les résultats expérimentaux de fatigue et de fretting. Cette approche s’appuie sur l’utilisation d’une fonction de poids dépendant du gradient de la pression hydrostatique. Cette approche est similaire à des approches mises en oeuvre sur d’autres problématiques de fatigue ce qui permet de dégager quelques points de convergence pour traiter le problème du gradient de contrainte en fatigue. Un essai de fatigue sur une manille munie d’une bague montée avec interférence est réalisé. L’effet du gradient de contrainte sur l’amorçage de fissures dans ce système est trop faible pour que l’utilisation d’une approche intégrant l’effet de gradient soit pertinente. Cette observation est cohérente avec les résultats expérimentaux précédents obtenus dans cette étude. L’inconel 718 apparaît donc comme un matériau peu sensible à l’effet de gradient de contrainte. Une approche de fatigue multiaxiale de type Crossland permet une description raisonnable de la durée de vie du système. Une analyse numérique montre que la tenue en fatigue du système est peu sensible au coefficient de frottement alors que l’interférence a un impact beaucoup plus important. / This study focuses on the stress gradient effect and the friction to estimate the crack initiation condition in fatigue. The industrial application is a lug in Inconel 718 with shrink fitted rings also in Inconel 718.Fretting tests and fatigue tests are performed to measure crack initiation conditions with friction and stress gradient. The experimental results confirm the beneficial effect of the stress gradients on the fatigue crack initiation. These results justify the consideration of stress gradients to design structures against fatigue. Through these experiments which sweep over a large range of stress gradients, it is confirmed that stress gradient delays the crack initiation. The benefits and the drawbacks of several multiaxial fatigue approaches dealing with stress gradients are studied. Then, a proposal is done to describe accurately the experimental results of fatigue and of fretting. The proposal is based on a weight function and on the use of the gradient of hydrostatic pressure. This approach is very similar to some approaches already applied to other fatigue issues. This enables to highlight some similarities to deal with the effect of stress gradient in fatigue. Fatigue tests are finally performed on a lug with shrink fitted rings. The stress gradient effect on this application is too low to make relevant the use of a fatigue approach dealing with stress gradient. These experimental results are consistent with the previous results of fatigue and fretting. Therefore, the Inconel 718 appears as a low sensitive material to stress gradient. A multiaxial fatigue approach such the Crossland criterion enables to describe correctly the fatigue strength of this system. The numerical analysis shows that the fatigue strength of the system is not very sensitive to the coefficient of friction whereas the interference impacts significantly on the fatigue strength of the system.

Cette thèse résulte d’une collaboration entre le Pr Ayadi de l’Institut National Polytechnique de Lorraine et le Pr Varna de l’Université Technologique de Luleå. Depuis 2005, le Professeur Varna a développé une méthode originale qui permet d’obtenir l’ensemble des constantes thermoélastiques d’un stratifié endommagé à partir de deux paramètres : l’ouverture moyenne et le glissement moyen des lèvres des fissures, normalisés par rapport à la contrainte appliquée. Dans cette thèse, nous analysons le potentiel de l’interférométrie de speckle pour obtenir la mesure de ces deux grandeurs. Plus généralement, nous montrons l’utilité de la mesure du champ de déplacement pour caractériser le développement de l’endommagement dans les stratifiés. Le premier chapitre décrit l’endommagement qui peut affecter les matériaux composites stratifiés. L’objectif est de mettre en évidence les points particuliers pour lesquels la mesure du champ de déplacement pourrait apporter des informations originales. Dans le deuxième chapitre, le principe de l’interférométrie de speckle est exposé. Nous avons particulièrement insisté sur les raisons qui nous on conduit à choisir cette technique pour réaliser cette étude. Dans le troisième chapitre, nous présentons une étude expérimentale du potentiel de l’interférométrie de speckle pour caractériser les différentes formes d’endommagement qui peuvent apparaître dans un stratifié verre/époxyde . Enfin, dans le dernier chapitre, nous analysons expérimentalement le développement de l’endommagement dans un stratifié carbone/époxyde / This work results from a collaboration between Pr Ayadi (Institut Polytechnique de Lorraine) and Pr Varna (Technical University of Luleå). Since 2005, Pr Varna has developed an original method that allows for the determination of all the thermoelastic constants of a damaged laminate. The stiffness reduction is governed by two parameters: the average value of the opening and the average value of the sliding of the crack surfaces. These values are normalized with respect to the applied loading. In this work, the potential of speckle interferometry is analysed to obtain these two parameters. More generally, we show the usefulness of displacement field measurements to characterize damage development in laminates. The first chapter is dedicated to the damage that occurs in laminates. The main objective is to highlight the points for which displacement field measurements could bring interesting information. In the second chapter, the principle of speckle interferometry is described. The choice of this technique for the considered application is discussed and justified. In the third chapter, an experimental study of the potential of speckle interferometry is proposed to characterize the damage forms that occur in a glass/epoxy laminate. In the last chapter, the development of damage is experimentally analysed in a carbon/epoxy laminate

Des réseaux de fissures superficielles de fatigue thermique ont été détectés dans des conduites de centrales nucléaires, plus précisément dans les zones de mélange du circuit de refroidissement du réacteur à l'arrêt. De nombreux travaux expérimentaux ont d'ores et déjà été menés pour caractériser l'apparition et la propagation de ces fissures. L'aspect aléatoire de l'apparition de celles-ci a conduit à proposer un modèle probabiliste de formation et de propagation de fissures. Dans un premier temps, des essais de fatigue mécanique uniaxiale sur des éprouvettes entaillées ont été réalisés afin de mettre en évidence le multi-amorçage de fissures, leur arrêt par obscurcissement et leur coalescence par recouvrement des zones d'amplification des contraintes. Dans un deuxième temps, le modèle probabiliste a été établi sous deux hypothèses : la germination continue de fissures en surface, grâce à une loi d'amorçage à seuil suivant un processus ponctuel de Poisson, et le processus d'obscurcissement qui interdit l'amorçage ou la propagation d'une fissure si celle-ci se situe dans la zone de relaxation des contraintes d'une autre fissure déjà existante. La propagation des fissures est assurée par une loi de type Paris basée sur des calculs de facteurs d'intensité des contraintes en pointe et en fond de fissure. L'évolution des réseaux de fissures multidirectionnelles en surface peut ainsi être suivi au moyen de trois grandeurs : la probabilité d'obscurcissement, comparable à une variable d'endommagement de la structure, la densité de fissures activées, comparable à la densité de fissure d'un réseau réel, et la densité de fissures actives qui permet de connaître le nombre de fissures qui se propagent toujours dans la zone d'étude. La distribution des tailles de fissures est également accessible permettant une comparaison plus rapide avec les résultats expérimentaux.

Le sujet de thèse vise à approfondir les connaissances actuelles sur les interactions métal solide / métal liquide et plus particulièrement à étudier le comportement en fatigue de l'acier martensitique T91 dans un environnement de plomb-bismuth liquide. Ce sujet s'inscrit dans le cadre du projet MEGAPIE (MEGAwatt PIlot Experiment) qui veut démontrer la faisabilité d'une cible de spallation en plomb-bismuth liquide.<br />Nous avons développé un dispositif expérimental qui a permis la réalisation d'essais de fatigue oligocyclique et de fatigue propagation à 300°C dans l'eutectique plomb-bismuth (Pb 45%masse, Bi 55%masse). Ce milieu contribue à diminuer la durée de vie en fatigue oligocyclique de l'acier T91 et augmenter la vitesse de fissuration. La présence de l'eutectique Pb-Bi modifie les mécanismes de germination-croissance des fissures courtes , notamment en supprimant l'efficacité des barrières microstructurales. Un changement du mode de fissuration a également été observé lors des essais de fatigue propagation lorsqu'il y a mouillage du front de fissure par le métal liquide. Nous pensons que le métal liquide modifie l'activité du fond de fissure en localisant la déformation plastique.<br />Toutefois, l'effet néfaste du métal liquide sur le comportement en fatigue du matériau s'atténue pour des niveaux de déformations faible et nous montrons également qu'une pré-oxydation de la surface du matériau semble une voie à explorer pour l'amélioration de la tenue en fatigue dans un métal liquide.

Cette étude porte sur des non linéarités physiques des géomatériaux à travers une approche micromécanique. Le caractère frottant de ces matériaux nécessite une adaptation des techniques d'homogénéisation non linéaire. Différentes méthodes de détermination de critères de résistance macroscopiques sont élaborées. On détermine notamment les états limites d'un milieu à matrice frottante suivant la nature de la règle d'écoulement dilatante ou non). On élabore ensuite une théorie micromécanique de la poroplasticité. Elle permet d'apporter un éclairage sur l'existence d'une contrainte effective poroplastique. Dans le cas d'une matrice frottante, on montre qu'une telle contrainte effective fait défaut. Les non linéarités dues à la présence de fissures frottantes sont enfin examinées. On met en évidence l'impact de la règle d'écoulement régissant le mouvement relatif des faces des fissures (éventuellement dilatant) et de la propagation de celles-ci sur le comportement macroscopique.

Ce travail est centré sur l'étude de la nucléation de fissures dans la glace. Une partie importante de l'étude a été consacrée à la mise au point d'une glace artificielle qui fournit un matériau bidimensionnel idéal pour un couplage d'études expérimentales et théoriques. Notre démarche a consisté à conduire une série d'expériences de fluage sur ce type de matériau et sur le type de glace couramment utilisé par la communauté des glaciologues. Selon le niveau de contrainte (entre -1 et -0,5 MPa) le fluage de la glace était accompagné ou non par de l'endommagement. La partie la plus originale de l'étude expérimentale réside dans l'analyse des images vidéo qui permettait l'enregistrement de l'apparition des fissures dans le tiers central des échantillons. Nous avons ainsi obtenu une base de données importante sur la taille des fissures, leur orientation et leur localisation et sur les déformations de la glace. La confrontation des résultats expérimentaux et des analyses théoriques nous a permis de renforcer nos connaissances sur les mécanismes physiques qui sont à l'origine des processus de déformation et de germination de fissures dans la glace de lac. Enfin, en utilisant le modèle de l'inclusion d'Eshelby, dans le cadre d'un comportement viscoplastique newtonien, nous discutons un critère de nucléation basé sur le facteur d'intensité de contrainte en mode 1.

Résumé non disponible

La caractérisation des fissures dans les roches est devenu un thème de recherche majeur pour de nombreuses applications géophysiques dans le domaine de la subsurface ou des réservoirs (entre autres l'exploration sismique, l'étude continue de l'évolution d'une zone de production en pétrole, gaz ou eau, le stockage de déchets toxiques, la géothermie ... ). Cet intérêt pour les fissures provient de ce qu'elles se comportent à la fois comme des réserves de fluide et comme des chemins d'écoulement potentiels. Au cours de ce travail, nous nous sommes consacrés à l'étude des vitesses d'ondes se propageant dans les roches fissurées. Notre objectif est de modéliser, à partir d'une méthode différentielle auto-cohérente, l'influence de la fissuration et de la saturation en fluide sur les propriétés élastiques effectives et, par conséquent, sur les vitesses des ondes. Le modèle construit repose sur une hypothèse de géométrie simplifiée pour les inclusions poreuses: la porosité dite rigide est représentée par des sphères tandis que la porosité de type compressible (les fissures) est décrite par des ellipsoïdes de révolution. Des distributions isotropes et anisotropes de. fissures ont été considérées. Ce modèle permet * d'accéder aux modules élastiques effectifs d'une roche sèche ou . d'une roche saturée à l'intérieur de laquelle le fluide est non relaxé. Aussi les vitesses calculées correspondent-elles à des fréquences élevées, de l'ordre de celles mises en jeu en laboratoire (MHz). Une seconde étape de cette étude permet de prédire la dispersion entre les vitesses à haute (MHz) et basse (Hz-kHz) fréquences. La dispersion de vitesse est attribuée à un écoulement local du fluide contrôlé par la ,variation de compressibilité des inclusions poreuses. Dans cette optique, le modèle différentiel auto-cohérent et la limite basse fréquence de la théorie de Biot ont été combinés. Nos résultats soulignent qu'une dispersion importante est attendue pour les rêches fissurées, plus particulièrement dans le cas des ondes de cisaillement. Lorsque deux fluides coexistent dans l'espace poreux et que la saturation n'e st pas uniforme, la modélisation des vitesses nécessite de prendre en compte une seconde famille assimilées à des poches correspondant à des zones de saturations différentes. significatives d'une échelle beaucoup plus grande que celle des pores/fissures et so second mécanisme de dispersion appelé mécanisme de l'écoulement de poche. élaboré qui permet de décrire les vitesses en fonction de la saturation en te hétérogénéités tant à l'échelle microscopique qu'à l'échelle des poches. Nous avons cherché à modéliser le comportement des vitesses mesurées en laboratoire sur des échanti llons pendant des cycles d'imbibition/drainage. L'hystérésis de vitesse observé expérimentalement est simulé en considérant des distributions de fluide différentes suivant le processus de saturation impliqué. Les vitesses prédites s'accordent avec les données expérimentales. A l'aide d'une démarche analogue, on a montré que les anomalies de vitesses détectées avant certains séismes peuvent aussi être significatives d'une saturation non uniforme. Un dernier volet de ce travail, motivé par les recherches menées sur le stockage des déchets nucléaires, a été consacré à l'étude de la fissuration thermique dans des roches ignées. Deux processus de fissuration méritent d'être examinés. Le premier dépend de ta dilatation thermique des minéraux et a été envisagé d'un point de vue expérimental. Le second est lié à la saturation en fluide de la roche. Un modèle a été réalisé afin d'analyser, pour des roches fissurées et saturées, l'effet de la fissuration thermique sur la perméabilité. Cette dernière s'avère contrôlée par deux effets antagonistes: la fermeture des fissures et l'amélioration de la connectivité. L'augmentation de perméabilité attendue pour une élévation de température atteignant 300°C reste modérée (1 à 2 ordres de grandeur).

Cette étude s'inscrit dans le domaine de la conception et du dimensionnement de structures industrielles. Elle consiste à proposer une méthodologie permettant de simuler l'endommagement ductile de structures métalliques, suivi de l'amorçage et de la propagation de fissures. La démarche s'organise en trois temps. La première étape consiste à pouvoir décrire correctement l'évolution de l'endommagement jusqu'à l'amorçage de la fissure, par un modèle continu. Or, l'utilisation de modèles de comportement ductiles endommageables classiques avec la méthode des éléments finis conduit à de nombreux problèmes, tels que la dépendance pathologique à la finesse et à l'orientation du maillage ou le verrouillage volumique. Une nouvelle formulation mixte non locale à quatre champs est proposée dans le cadre des petites perturbations afin de surmonter ces problèmes. L'étape suivante vise à améliorer la qualité du calcul. Pour cela, une procédure d'adaptivité de maillage reposant sur un indicateur d'erreur est mise en place afin de permettre d'atteindre le niveau de qualité désiré par l'utilisateur, tout en minimisant les coûts de calculs. Associée au lissage des champs aux anciens points de Gauss avant projection directe aux nouveaux points de Gauss et à l'ajout de viscosité dans le modèle, elle permet de reprendre les calculs sur le nouveau maillage plus adapté après quelques divisions du pas de temps. Enfin, une fois toute la phase d'endommagement décrite avec précision, la dernière partie est consacrée au développement d'une stratégie d'amorçage et de propagation de fissure utilisant l'adaptation de maillage. Pour cela, le chemin de fissure est représenté par un maillage auxiliaire dont le front est le plus régulier possible. Pour déterminer l'orientation de cette discrétisation, un critère reposant sur le gradient de l'endommagement lissé est formulé. Cette stratégie est mise en oeuvre sur un cas test académique en dimensions deux et trois. Par la suite, il serait intéressant de pouvoir appliquer cette méthodologie avec des modèles plus réalistes faisant intervenir le taux de triaxialité, et ce en grandes déformations.