L'objectif de cette étude est le développement d'une base de connaissances pour la conversion d'un déchet problématique en matériau de construction pour des projets de génie civil. Le phénomène de mécanisation des sociétés, la croissance rapide de la population, ainsi que le développement du réseau de transport terrestre par la construction des nouvelles routes et autoroutes ont entraîné une croissance sans cesse de l'industrie automobile à travers le monde et par conséquent l'accumulation de gros volumes de pneus usés. Chaque année, les Américains et les Canadiens éliminent en moyenne environ 300 millions de pneus (respectivement 250 et 30 millions de pneus), ce qui a accru les préoccupations environnementales liées à l'élimination de ces déchets non biodégradables et polluants. Par conséquent, la gestion des déchets de pneus nécessite des méthodes innovantes et efficaces d'élimination et de réutilisation des pneus. Un pneu est généralement composé de trois composants principaux, notamment le caoutchouc, le métal et le tissu. Le cycle de vie des pneus est généralement composé de cinq étapes principales : extraction, production, consommation, collecte des pneus usagés et enfin la gestion des déchets qui comprend les sites enfouissement et la récupération. Grâce à l'un des processus de récupération, les pneus usagés sont découpés en différentes formes et tailles appelées agrégats dérivés de pneus (ADP). Actuellement, des efforts considérables sont en cours au niveau mondial pour recycler les pneus usagés sous forme d'agrégats dérivés de pneus (ADP) à des fins d'ingénierie civile et géotechnique différentes. En tant que géo-matériau, les formes déchiquetées et granulées des pneus usés sont généralement mélangées avec du sable et / ou du limon pour former ce que l'on appelle communément des mélanges sol-ADP. En raison de leur faible poids, de leur bon drainage, de leurs propriétés d'isolation thermique satisfaisantes, de leur atténuation des vibrations, etc., les géo-matériaux d'ingénierie contenant du ADP sont devenus intéressants pour les ingénieurs concepteurs. Cependant, en raison de leur faible module d'élasticité, les mélanges ADP-sol présentent une compressibilité significative par rapport à celle des sols conventionnels. Spécifiquement, la compressibilité excessive des mélanges sol-ADP, qui est composé à la fois de la partie immédiate et celle dépendante du temps est extrêmement difficile à cerner dans les applications où de lourdes charges sus-jacentes sont appliquées. Afin de maximiser leur fiabilité et de minimiser la possibilité de ruptures, il est nécessaire d'avoir une compréhension précise du comportement mécanique (par exemple, élastique, plastique et fluage) des mélanges sol-ADP lorsqu'ils sont soumis à une charge. La présente étude comprend deux phases. Les phases consistent en un programme expérimental qui a été mené pour déterminer les paramètres essentiels d'élasticité, de plasticité et de fluage des mélanges granulés ADP-sable. Des simulations MEF ont ensuite été réalisées aux fins de la validation des résultats des essais. Les valeurs des paramètres obtenus grâce aux observations expérimentales ont été utilisées dans le développement de modèles de comportement qui sont proposés pour les comportements de fluage et de déformation plastique des mélanges sable-ADP. En ce qui concerne le fluage, les résultats indiquent une phase de fluage primaire qui est rapidement passée à une phase de fluage stationnaire secondaire, n'atteignant jamais la phase tertiaire. Il a également été observé que l'ampleur de la déformation de fluage est fortement affectée par la teneur en fraction volumique de l’ADP et la charge appliquée. Cette observation a conduit à l'adoption de la loi Norton-Bailey comme modèle constitutif possible du fluage des mélanges ADP-sable. En outre, un modèle complet de comportement sol-ADP doit également englober la plasticité. Ceci a été réalisé grâce au développement d'un modèle d'état critique, basé sur les paramètres de plasticité obtenus expérimentalement des tests triaxiaux. Les courbes de contrainte déviatorique en fonction de la déformation axiale obtenues avec le modèle d'état critique ont capturé la réponse élastoplastique non linéaire obtenue dans les essais. Les résultats ont indiqué que le niveau de résistance au cisaillement dépend fortement de l'angle de frottement à l'état critique qui à son tour dépend de la teneur en ADP. Pour les mélanges ADP-sable utilisés dans cette étude, l'effet de la teneur en ADP démontre un renforcement de la matrice de sable. Cependant, ce renforcement diminue à mesure que la teneur en ADP augmente. / The aim of this study is the development of a knowledge base for the conversion of a problematic waste product into a construction material for civil engineering projects. The phenomenon of mechanization of the societies, rapidly growing population, and also the development of the land transportation network through the construction of the new roads and highways have resulted in an unceasingly growing of auto industry across the world and consequently accumulation of large volumes of scrap automobile tires. Every year Americans and Canadians together average disposal of approximately 300 million tires (respectively 250 and 30 million tires) which consequently has increased environmental concerns over the disposal of such non-biodegradable and pollutant waste materials. Hence, scrap tire management requires innovative and efficient methods of tire disposal and reuse. A tire is generally made from three main components including rubber, metal, and fabric. The tire life cycle is generally composed of five main stages including extraction, production, consumption, collection of used tires and finally waste management which is comprised of landfilling and recovery. Through one of the recovery processes, scrap tires are cut into different shapes and sizes called tire-derived aggregate (TDA). Presently, global extensive efforts are underway in order to recycle the waste tires in the form of tire-derived aggregate (TDA) for different civil and geotechnical engineering purposes. As a geomaterial, usually the shredded and granulated forms of scrap tires are mixed with sand and/or silt to form what is commonly referred to as soil-TDA mixtures. Due to their lightweight, good drainage, satisfactory thermal insulation properties, vibration mitigation, etc., engineered geomaterials containing TDA have become of interest to design engineers. However, due to their low elastic modulus, TDA-soil mixtures exhibit significant compressibility compared to that of conventional soils. Specifically, the excessive compressibility of soil-TDA mixtures which is composed of both immediate and time-dependent portions is extremely challenging in such applications wherein heavy overlying loads are applied. In order to maximize their reliability and to minimize the possibility of failures, it is necessary to have an accurate understanding on the mechanical behavior (e.g., elastic, plastic and creep) of the soil-TDA mixtures when subjected to loading. The present study consists of two phases. These phases consist of an experimental program that was conducted to determine the elastic, plastic, and creep parameters of TDA-sand granulated mixtures. FEM simulations were subsequently conducted for the purposes of test result validation. Values of the parameters obtained through the experimental observations were used in the development of constitutive models which are proposed for the creep and plastic deformation behaviors of the sand-TDA mixtures. In regard to creep, the results indicate a primary creep phase that rapidly transitioned into a secondary stationary creep phase, never attaining the tertiary phase. It has been also observed that the magnitude of the creep strain is strongly affected by the TDA volume fraction content and the applied load. This observation conducted the adoption of the Norton-Bailey law as a possible constitutive model for creep of TDA-sand mixtures. Furthermore, a complete model of soil-TDA behavior must also encompass plasticity. This was achieved through the development of a critical state model, based on the experimentally obtained plasticity parameters of triaxial tests. The calculated deviatoric stress versus axial strain curves obtained with the critical state model captured the non-linear elastoplastic response obtained in the tests. Results indicated that the level of the shear strength is highly dependent on the critical state friction angle which in turn depends on the TDA content. For the loose TDA-sand mixtures used in this study, the effect of the TDA content demonstrates a reinforcement of the sand matrix. However, this reinforcement diminishes as the TDA content increases.

Face au problème du devenir des déchets nucléaires, les nations concernées ont envisagé plusieurs stratégies, et ont notamment entrepris l'étude de faisabilité de sites de stockage en grande profondeur ainsi qu'une étude générale sur l'ensemble du problème, tant du point de vue des barrières (géologiques ou ouvragées) que du point de vue des colis radioactifs. Ainsi, les matériaux constitutifs des barrières sont connus dans leurs grandes lignes mais les contacts entre géomatériaux sont susceptibles d'être des zones critiques en terme d'écoulement de fluides. Ce travail de thèse, réalisé au laboratoire 3S, porte sur la caractérisation du comportement hydromécanique de diverses interfaces entre géomatériaux. Les contacts Argilite Mortier et Argilite Bentonite ont été étudiés en compression et/ou en cisaillement hydromécanique, grâce au dispositif de cisaillement BCR3D, afin de dégager les caractéristiques de leur comportement et d'identifier les paramètres ayant une influence sur leur transmissivité. De plus, les essais de cisaillement mettent en évidence le rôle majeur de la rugosité de l'éponte rocheuse et du niveau initial de contrainte normale sur la réponse hydromécanique des interfaces testées. Finalement, certains aspects ont été abordés par des simulations numériques afin d'améliorer notre compréhension des réponses hydromécaniques des interfaces testées.

Les matériaux granulaires composites sont fréquemment utilisés dans les ouvrages géotechniques. Ces matériaux, composés de constituants de natures et de tailles différentes, ont une rhéologie complexe difficile à appréhender expérimentalement. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur la méthode des éléments discrets est développé et une démarche spécifique est proposée afin de simuler le comportement mécanique de ces matériaux sous sollicitation triaxiale.<br />Le modèle repose sur l'utilisation d'éléments discrets de formes simples non convexes et sur une procédure de calibration des paramètres. Il a été validé par des essais expérimentaux réalisés pour diverses densités sur des matériaux granulaires homogènes. Le modèle est appliqué aux mélanges sable – gravier et sable – pastilles de pneu pour diverses proportions et comparé à des résultats expérimentaux. L'influence de la forme et de la taille relative des éléments est discutée.

Les effets d’échelle sur la résistance mécanique des matériaux, i.e. le fait que plus un échantillon de matière est grand, plus, en moyenne, sa contrainte à rupture sera faible, déjà soulignées par Leonardo da Vinci et Edmée Mariotte il y a des siècles, demeurent de nos jours un problème crucial pour établir des règles de sécurité et de conception de grandes structures à partir de données de laboratoire. Ces effets d’échelle sont généralement expliqués soit par une approche déterministe qui prédit une résistance asymptotique non nulle mais, par construction, ne tient pas compte des fluctuations de la résistance moyenne et de leur dépendance vis-à-vis de la taille, ou d'une approche statistique basée sur la théorie du maillon le plus faible qui implique une résistance nulle pour un système de taille infini.Récemment, un cadre alternatif a été proposé sur la base d’une interprétation de la rupture en compression des matériaux hétérogènes comme une transition de phase critique entre un état intact et un état rompu. Cette interprétation libère les hypothèses de base de la théorie du maillon le plus faible comme la fragilité extrême et l’indépendance entre évènements de microfracturation et prédit qu’un système de taille infinie conservera une résistance mécanique non nulle (σ_∞ ) mais une variabilité associée de la résistance nulle. En appliquant ce cadre critique, les effets d’échelle statistique sur la résistance en compression du béton, un matériau quasi-fragile typique et important en génie civil, sont étudiés dans cette thèse.A partir d’une importante série d’expériences de compression uniaxiale (527 essais) qui a été réalisée sur des échantillons du béton de quatre tailles différentes et trois microstructures différentes, nous démontrons (i) l’échec de la théorie du maillon le plus faible dans ce cas ; et au lieu de cela (ii) la pertinence du cadre critique pour tenir compte des effets d’échelle sur la résistance à rupture en compression du béton, en termes de valeur moyenne, de fluctuation associées et de probabilité de défaillance. A partir d’une analyse détaillée de la microstructure de nos matériaux, nous montrons que la structure des pores, plutôt que les aggrégats, joue un rôle important sur les effets d’échelle sur la résistance à rupture en compression. Dans ce cadre, la résistance asymptotique (σ_∞ ) représente la véritable résistance caractéristique en compression (f_ck ), qui est une propriété essentielle pour la conception de structures à grande échelle et pour le contrôle de la qualité du béton.En conséquence du rôle important de la structure des pores sur les effets d’échelle sur la résistance en compression des bétons à faible porosité, lors de l'estimation de la résistance caractéristique à partir d'une série d'essais avec une seule taille d'échantillon, une condition sur cette taille par rapport à la taille caractéristique de la structure des pores est proposée. / Size effects on mechanical strength, i.e. the fact that larger structures fail under lower stresses than smaller ones, already highlighted by Leonardo da Vinci and Edmée Mariotte centuries ago, remain nowadays a crucial problem to establish structural design rules and safety regulations from an upscaling of laboratory data. These size effects are generally explained either from a deterministic energetic approach that predicts a non-vanishing asymptotic strength but, by construction, does not account for fluctuations around the mean strength and their size dependence, or from a statistical approach based on the weakest-link theory that implies a vanishing strength towards large scales.Recently, an alternative framework has been proposed based on an interpretation of compressive failure of heterogeneous materials as a critical transition from an intact to a failed state. This critical interpretation releases the underlying hypotheses of the weakest-link theory, pure brittleness and the independence of damage events, while predicting a non-vanishing asymptotic mean strength (σ_∞ ) but vanishing intrinsic fluctuations at large scales. The application this framework to the statistical size effects on compressive strength of concrete, a typical quasibrittle material of tremendous importance in civil engineering, is investigated in this thesis.From an extensive series of uniaxial compression experiments (527 tests) carried out on concrete samples with four different sizes and three different microstructures, we demonstrate (i) the failure of the weakest-link theory in this case, and instead (ii) the pertinence of the critical framework to account for size effects on compressive strength of concrete, in terms of average strength, associated fluctuations, and probability of failure. From a detailed analysis of the microstructural disorder of our materials, we show that the pore structure, rather than the concrete mix, plays a significant role on size effects on strength. In this framework, the asymptotic strength (σ_∞ ) represents the genuine characteristic compressive strength (f_ck ) of the material, a key property for the dimensioning large-scale structures from an upscaling of small-scale laboratory mechanical tests and for the quality control of concrete.As a consequence of the leading role of the pore structure in controlling the size effects on compressive strength of low-porosity concretes, when estimating the characteristic (asymptotic) strength from a series of tests with a single sample size, a condition on this size with respect to the characteristic scale of pore structure is proposed to be fulfilled.

Ce travail de recherche est consacré à l’étude de l’endommagement des géomatériaux en utilisant la méthode non destructive par ultrasons. Pour atteindre cet objectif, nous développons dans un premier temps un dispositif à ultrasons modern et novateur qui, en combinant avec un système de sollicitation mécanique, permet de caractériser le processus de l’endommagement du matériau au cours des essais telle que la compression uniaxiale/triaxiale. Plus précisément, le système ultrasonore construit comporte 96 voies et au cours des essais il est capable de mesurer de manière continue les trois types des ondes grâces aux capteurs piézoélectriques spécifiques.L’application de ce système ultrasonore à la caractérisation de l’endommagement des géomatériaux à matrice cimentaire a montré l’efficacité de cette approche. Au cours des essais de compression uniaxiale, l’évolution de la vitesse et de l’atténuation de trois types d’onde a été mise en évidence comme conséquence de l’endommagement au sein du matériau. Nous nous intéressons dans un deuxième temps l’application du système ultrasonore à capturer les images d’endommagement progressif à travers les tomographies des vitesses et de l’atténuation des ondes. L’étude sur les éprouvettes de mortier donne des résultats concordants avec les observations, surtout à la rupture, bien que la résolution reste assez grossière. La dernière partie de ce travail de recherche vise à modéliser l’endommagement du matériau par une approche dite changement d’échelle. Un modèle conceptuel est proposé pour ce type de matériau qui permet de prendre en compte deux mécanismes principaux d’endommagement : la propagation des fissures au sein de la matrice cimentaire et la décohésion entre les inclusions et la matrice. Via un schéma d’homogénéisation en deux étapes, l’influence de ces mécanismes sur l’évolution des vitesses des ondes ultrasonores a été élucidée. Une comparaison des prédictions numériques avec les résultats expérimentaux permet de valider le modèle utilisé. / This research is devoted to study the damage of geomaterials using the nondestructive method like ultrasound. To this aim, we develop in the first step a modern and innovative system of ultrasound which, in combining with a mechanical system, can characterize the process of damage in material during the tests such as uniaxial/triaxial compression. More specifically, our ultrasonic system comprises 96 channels and can be able to measure continuously the three types of waves thanks to the specific piezoelectric sensors.The application of the developped system for characterization of the damage of a cement-based géomatériaux showed the efficacy of this approach. Under uniaxial loading, the evolution of the ultrasonic velocities and the attenuation of three types of wave have been detected as a result of damage within the material.We are interested in the second step the application of the ultrasonic system on the tomography (such as the velocities and attenuation) of damage during loading of materials. The study on some mortar specimens give good agreement between the obtained results and the observations, especially at failure , although the resolution is fairly coarse. The last part of this research is to model the damage of material by using a so-called up-scaling approach. A conceptual model is proposed for this type of material that allows to take into account two main damage mechanisms: crack in the cement matrix and debonding effect between the matrix and inclusions. Via a scheme of homogenization in two steps, the impact of such mechanisms on the evolution of velocities of the ultrasonic waves has been elucidated. The comparison of numerical predictions with experimental results allows validating the model.

Le développement récent du transport ferroviaire a conduit à une forte augmentation du trafic durant la dernière décennie, augmentation qui devrait sepoursuivre dans la décennie à venir avec les futurs développements de ce mode de transport. L'augmentation du trafic se traduit pour l'infrastructure par une augmentation des sollicitations subies par les voies ferrées. La qualité des voies ferrées est garante de la performance du mode de transport ferroviaire,mais également de la sécurité des matériels roulants et des usagers de l'infrastructure. Conserver la qualité du réseau ferré est donc une priorité pour les gestionnaires d'infrastructures ferroviaires. Le ballast ferroviaire a pour rôle de répartir les efforts induits par la circulation des trains et d'assurer la bonne géométrie de l'infrastructure. La surveillance de la dégradation du ballast est donc primordiale pour assurer la qualité del'infrastructure.L'objectif de cette thèse est de proposer un outil numérique permettant d'anticiper la dégradation et le comportement d'une infrastructure ferroviaire sous trafic. Cet outil doit permettre de simuler efficacement lecomportement du ballast ferroviaire sous un grand nombre de cycles de chargements mobiles.Une première partie détaille la composition des infrastructures ferroviaires, précise les rôles du ballast et identifie les grandes lignes de son comportement.Il est fait le choix d'utiliser une méthode de représentation du ballast par élément fini et un modèle de comportement élastoplastique. Le ballast est alors traité comme un géomatériau continu répondant à des lois de comportementélastoplastique.Dans une seconde partie, les bases de la modélisation élastoplastique sont rappelées. Puis, plusieurs modèles de comportement issus de la littérature et comportant des éléments intéressants sont identifiés et étudiés.Dans une troisième partie, un nouveau modèle de comportement frottant compactant est proposé. Il est composé d’un critère nouveau et d'une loi d'écoulement originale. Enfin, le modèle est complété par la prise encompte, de la dégradation du matériau via une diminution de l'angle de frottement interne.Dans une quatrième partie, les méthodes stationnaires sont rappelées. Ces méthodes sont spécifiquement développées pour la modélisation des problèmes incluant des charges en mouvement. Les différents algorithmes sont implémentés àl'aide d'un code de calcul développé dans le logiciel Matlab et à l'aide du logiciel d'éléments finis COMSOL Multiphysics. En particulier, la méthode stationnaire à double échelle de temps, qui est un développement nouveau, permet la modélisation rapide d'un grand nombre de cycles de chargements et la prise en compte des effets d'usure du matériau.Dans une dernière partie, les deux principaux modèles tridimensionnels utilisés sont présentés. Sur un faible nombre de cycles de chargements, divers résultats sont établis selon les différents modèles de comportement utilisé. Sur un très grand nombre de cycles de chargements, les résultats obtenus montrent l'évolution des déformations irréversibles de la structure et de la dégradation du matériau. / Recent development in rail transportation has led traffic increasing during last decade, an increase which should continue in next decade due to the future developments of railway transport. Traffic growing induces infrastructure's solicitation increasing. Railways quality is warrant of rail transport performance, but also ensure security of the rolling stock and safety of the infrastructure users. Maintaining quality of the rail network is major priority for railway infrastructure managers. Purpose of rail ballast is to distribute load of the moving trains and to ensure track geometry. Monitoring of ballast degradation is therefore essential to ensure the quality of the infrastructure.The aim of this thesis is to develop a numerical tool to anticipate the degradation and behaviour of a railway infrastructure under traffic. This tool is intended to effectively simulate the behaviour of railway ballast under numerous mobile loads cycles.A first part details the composition of railway infrastructures, specifies roles of the ballast and identifies the main lines of its behaviour.Choice is made to use finite element method to represent the ballast and an elastic-plastic behaviour model. The ballast is then treated as a continuous geomaterial responding to elastic-plastic behaviour. Therefore, in a second part, the basics of elastic-plastic modelling are exposed. Then, several existing behaviours models which present interesting elements are identified and studied.In a third part, a new behaviour model, called "frottant-compactant" is presented. It is composed with a new criterion and an original flow rule. Finally, the model is completed by taking account of materials degradation via internal friction angle decreasing.In a fourth part, the steady-states methods are exposed. These methods are specifically developed for modelling problems including moving loads. Different algorithms are implemented using Matlab coding software and using the finites elements method software COMSOL Multiphysics. Principally, the double time-scale steady-state method, newly developed, allow rapid modelling of numerous loading cycles and representation of material wear effects.In a final part, the two three-dimensional models used are presented. On a few loading cycles, various results are established depending on different behaviour models. On a very large number of load cycles, the results obtained show the evolution of plastic strains in the structure and the degradation of the material.

L'approche multi-échelle FEMxDEM est une méthode numérique innovante pour les problèmes géotechniques impliquant des matériaux granulaires. La méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments discrets (DEM) sont simultanément appliquées à résoudre, respectivement, le problème structurel à la macro-échelle et la microstructure du matériau à la micro-échelle. L'avantage d'utiliser une telle configuration à double échelle est de permettre d'étudier un problème d'ingénierie sans la nécessité de lois de comportement standard, capturant ainsi l'essence des propriétés des matériaux. Le lien entre les échelles est obtenu par homogénéisation numérique, de sorte que la loi de comportement continu numérique et la matrice tangente correspondante sont obtenues directement à partir de la réponse discrète de la microstructure.En règle générale, l'approche FEMxDEM présente quelques inconvénients; la vitesse de convergence et la robustesse de la méthode ne sont pas aussi efficaces que dans les modèles FEM classiques. De plus, le coût de calcul de l'intégration de la micro-échelle et la dépendance du maillage typique de la macro-échelle, rendent l'approche multi-échelle FEMxDEM discutable pour des utilisations pratiques. Le but de ce travail est de se concentrer sur ces questions théoriques et numériques avec l'objectif de rendre l'approche multi-échelle FEMxDEM robuste et applicable à des configurations à l'échelle réelle. Une variété d'opérateurs est proposée afin d'améliorer la convergence et la solidité de la méthode dans un cadre quasi-Newton. L'indépendance de l’intégration des différents points de Gauss et les caractéristiques d’intensivité sur les d'éléments sont exploités par l'utilisation d’une parallélisation en utilisant un paradigme OpenMP. Au niveau macro, une relation constitutive second gradient est mise en œuvre afin d'enrichir la relation de Cauchy de premier gradient apportant indépendance du maillage au modèle.Les améliorations susmentionnées rendent l'approche FEMxDEM compétitive avec les modèles FEM classiques en termes de coût de calcul permettant ainsi d'effectuer des simulations multi-échelle FEMxDEM robustes et indépendantes du maillage, depuis l'échelle du laboratoire (par exemple essaie biaxiale test) jusqu’à celle du problème à l'échelle de l'ingénierie (par exemple, excavation d’une galerie).Mots clés:Double échelle, homogénéisation numérique, loi constitutive numérique, élasto-plasticité, second gradient, matériaux microstructurés, grande déformation, éléments finis, éléments discrets, méthode de Newton, parallélisation, unicité. / The multi-scale FEMxDEM approach is an innovative numerical method for geotechnical problems involving granular materials. The Finite Element Method (FEM) and the Discrete Element Method (DEM) are simultaneously applied to solve, respectively, the structural problem at the macro-scale and the material microstructure at the micro-scale. The advantage of using such a double scale configuration is that it allows to study an engineering problem without the need of standard constitutive laws, thus capturing the essence of the material properties. The link between scales is obtained via numerical homogenization, so that, the continuum numerical constitutive law and the corresponding tangent matrix are obtained directly from the discrete response of the microstructure.Typically, the FEMxDEM approach presents some drawbacks; the convergence velocity and robustness of the method are not as efficient as in classical FEM models. Furthermore, the computational cost of the microscale integration and the typical mesh-dependency at the macro-scale, make the multi-scale FEMxDEM approach questionable for practical uses. The aim of this work is to focus on these theoretical and numerical issues with the objective of making the multiscale FEMxDEM approach robust and applicable to real-scale configurations. A variety of operators is proposed in order to improve the convergence and robustness of the method in a quasi-Newton framework. The independence of the Gauss point integrations and the element intensive characteristics of the code are exploited by the use of parallelization using an OpenMP paradigm. At the macro level, a second gradient constitutive relation is implemented in order to enrich the first gradient Cauchy relation bringing mesh-independency to the model.The aforementioned improvements makes the FEMxDEM approach competitive with classical FEM models in terms of computational cost thus allowing to perform robust and mesh-independent multi-scale FEMxDEM simulations, from the laboratory scale (e.g. biaxial test) to the engineering-scale problem, (e.g. gallery excavation).Keywords:Double scale, numerical homogenization, numerical constitutive law, elasto-plasticity, second gradient, microstructured materials, large strain, finite elements, discrete elements, Newton method, parallelization, uniqueness.

Le comportement thermomécanique des géomatériaux est un sujet de recherche qui touche un nombre important de domaines d'application : le stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde, le comportement des structures géothermiques, le stockage de chaleur, le comportement des matériaux à proximité des câbles à haute tension, le comportement saisonnier des matériaux asphaltiques, l'origine des tremblements de terre, etc. Dans le contexte du stockage des déchets radioactifs en couches géologiques profondes, un intérêt particulier a récemment été accordé à l'étude du comportement thermomécanique de l'argile de Boom, l'argile à Opalines, l'argilite du Callovo-Oxfordien et la diorite d'Äspö. L'ensemble de ces études montre qu'une exposition à des températures élevées peut altérer les propriétés physiques et mécaniques des géomatériaux : l'angle de frottement, la cohésion, la perméabilité-porosité, les modules élastiques, la résistance, le comportement volumique, le comportement post-pic, le comportement à long terme, etc. Depuis une trentaine d'années, un nombre important de modèles de comportement ont été développés dans le but d'intégrer les effets de la température à des modèles élasto-plastiques dérivés de la théorie de l'état critique. Cependant, peu de ces modèles intègrent les effets du temps sur le comportement thermomécanique des géomatériaux ; lequel apparaît essentiel au dimensionnement de structures à long terme. L'objectif de ces travaux de thèse est de répondre à cette problématique en intégrant les effets de la température au modèle de comportement mécanique L&K. Le modèle de comportement L&K est un modèle à deux mécanismes, l'un dit "plastique" permettant de décrire le comportement mécanique instantané des matériaux, l'autre dit "viscoplastique" permettant de décrire le comportement différé. Après un état des lieux détaillé concernant les comportements thermomécaniques instantané et différé des géomatériaux, les effets de la température ont été pris en compte à travers l'évolution des paramètres d'écrouissage des deux mécanismes. Ce modèle thermomécanique a été validé sur des applications expérimentales en support de ce travail de thèse. Les résultats montrent que la formulation proposée permet de reproduire fidèlement le comportement thermomécanique des géomatériaux. Les applications à venir concernent des calculs sur ouvrage dans le contexte du stockage des déchets radioactifs / The effect of temperature on the behaviour of geomaterials is a crucial issue in geotechnical and underground engineering. The thermo-mechanical behaviour of rocks and soils contains many applications in the fields of high-level nuclear waste disposal, heat storage, geothermal structures, petroleum drilling, zones around buried high-voltage cables, bituminous materials, and geological research. In the context of nuclear waste disposal at great depths, the thermo-mechanical behaviour of Boom clay, Opalinus clay, Callovo-Oxfordian argillite and Äspö diorite has recently received special attention in Europe. Research in these areas has demonstrated that rocks and soils may suffer from changes in their mechanical properties during short-to long-term exposure to an elevated temperature. These changes include effects on the friction angle, permeability/porosity, elastic moduli, shear strength, dilatancy, softening, brittle-to-ductile transition, creep, etc... Since Prager's first works on the modelling of non-isothermal plastic deformation, many constitutive models have been developed to include these phenomena in computational inelasticity. Most models generalize the critical-state model to include the effects of temperature on the short-term behaviour of clays and rocks. However, the effect of time on the thermo-mechanical behaviour is often not coupled to the rate-independent plasticity even if the long-term behaviour appears essential for ensuring the safety and stability during the design and construction analysis in many fields, such as the storage of nuclear waste and more generally underground excavations. Thus, it appears important to combine both instantaneous and delayed thermo-mechanical effects to obtain appropriate constitutive equations to model such problems. In this Ph.D thesis, a unified thermo-plastic/viscoplastic constitutive model has been developed for this purpose. This model is a straightforward extension of the unified elasto-plastic/viscoplastic L&K constitutive model which was developed in previous Ph.D works. The updated thermo-mechanical model includes the evolutions of the two yield limits and the fluidity coefficient with temperature. The model was validated under several thermo-mechanical conditions on clayey rocks. The typical features of the thermo-mechanical behaviour of geomaterials were well reproduced. The numerical predictions of the triaxial compression tests and creep tests clearly indicate that the model can predict the overall behaviour of geomaterials under deviatoric and non-isothermal stress paths

Du point de son comportement mécanique, la maçonnerie apparaît comme un géomatériau quasi-fragile composite, caractérisé par la coexistence de trois échelles d'études (macroscopique, mésocopique et microscopique) et deux comportements intimement couplés, l'endommagement fragile et la plasticité non-associée. Suite à une revue bibliographique étendue des nombreuses modélisations déjà proposées (approche macroscopique phénoménologique, approche micromécanique, analyse multi-échelle), il semble que deux points importants restent encore difficiles à traiter : la prise en compte de la structure de l'appareil et la localisation de la déformation liée au caractère adoucissant et non-associé des comportements. <br />Afin de répondre à ces problèmes, une modélisation micromécanique discrète dans un cadre dynamique non-régulier a été proposée. La maçonnerie est vue comme un milieu divisé composé d'une collection de corps déformables reliés par des lois non-régulières. Le modèle de base pour les joints vifs, composé du contact unilatéral et du frottement de Coulomb est enrichi pour les joints de mortier par des modèles de zone cohésive, fragile ou à endommagement progressif. Le cadre numérique de cette modélisation s'appuie sur la méthode ``Non-Smooth Contact Dynamics'' apte à intégrer la dynamique non-régulière en présence de contraintes unilatérales et de frottement sec. Le comportement des corps est traité par des méthodes aux éléments finis adaptées au caractère discret des structures modélisées. Les lois non-régulières d'interfaces sont résolues quant à elles par des méthodes itératives dédiées aux problèmes de complémentarité de grande taille.<br /> Enfin, une collaboration interdisciplinaire a été conduite avec les architectes et les archéologues du bâti pour mener à bien des études d'édifices monumentaux en utilisant la stéréophotogrammétrie numérique.

Les glissements de terrain sont les risques naturels fréquents dans le monde. D'une part, ils concernent un comportement alterné pour les géomatériaux : le comportement solide décrit classiquement par la géomécanique, et celui fluide après la rupture. D'autre part, ils peuvent être induits par plusieurs facteurs. Par exemple, la géologie, la topographie, la végétation, la variationclimatique, et les activities humaines. Dans les régions tropiques et tempérées, il est bien connu que les glissements de terrain surviennent fréquemment après les pluies intensives, à cause de la saturation des sols non saturés.Comme jusqu'à présent, il n'y a aucun modèle constitutif satisfaisant pour décrire une telle transition pour les géomatériaux non saturés, nos travaux se concentrent d'abord à un modèle unifié, qui associe un modèle hydro-élasto-plastique pour les géomatériaux non saturés, un modèle visqueux de Bingham, et un critère de transition entre les phases solide et fluide. Le modèle unifié permet dedécrire complètement le comportement avant et après la rupture, induite par des conditions hydromécaniques, pour les géomatériaux non saturés dans un cadre unifié.Ensuite, la Méthode des Eléments Finis avec les Points d'Intégration Lagrangiens (MEFPIL), qui bénéficie des avantages des approches Lagrangiennes (suivre les variables internes) et de celles Eulériennes (traiter les grandes transformations), est améliorée et choisie pour effectuer les calculs dans ce cadre. Nous avons introduit une nouvelle formulation hydro-élasto-plastique avec le couplage hydromécanique basée sur la MEFPIL, et l'implanté dans l'Ellipsis (le code basé sur la MEFPIL). En outre, pour inverser la matrice non symétrique de la formulation, un nouveau solver basé sur la méthode stabilisée du gradient bi-conjugué (BiCGSTAB) a été aussi implanté.Enfin, plusieurs benchmarks sont proposés pour valider le comportement mécanique des géomatériaux non saturés décrit par le modèle, et un glissement de terrain heuristique induit par la pluie est simulé, nous pouvons étudier les effets de paramètres divers sur l'infiltration d'eau et sur la rupture. En outre, une simulation du glissement de terrain à Shien (Chine, 2012), avec des paramètres réels est présentée. / Landslides are common natural disasters all over the world. On one hand, they implicate an alternate behaviour for geomaterials: the solid behaviour dealt with classically by geomechanics, and the fluid behaviour after failure. On the other hand, they can be induced by several factors. For example,geology, topography, vegetation, climatic variation, and human activities. In tropic and tempered regions, it is well known that the landslides occur frequently after intense rainfalls, because of saturation effect of unsaturated soils.As there is, up to now, no satisfactory constitutive model to describe such a transition for unsaturated geomaterials, our work is thus focused firstly on a unified model, that associates an hydro-elastoplastic model for unsaturated geomaterials, a Bingham's viscous law, and a transition criterion between solid and fluid states. The model allows to describe both solid and fluid behaviours for unsaturated geomaterials in a unified framework, and is made possible to simulate completely the behaviour of unsaturated geomaterials before and after failure, induced by hydromecanical conditions.Secondly, the Finite Element Method with Lagrangian Integration points (FEMLIP), that benefits from both the Lagrangian approaches (track internal variables) and Eulerian approaches (solve large transformations), is ameliorated and chosen to carry out calculations in this framework. We have introduced a new hydro-elasto-plastic FEMLIP formulation with hydromecanical coupling, and implemented it in Ellipsis (FEMLIP based code). Moreover, in order to inverse nonsymmetric matrixin the formulation, a new solver based on the biconjugate gradient stabilized method (BiCGSTAB) has been also implemented.Finally, several benchmarks are proposed to validate the model for the main features of unsaturated geomaterials, and a heuristic rainfall-induced landslide is simulated, we could study the effects of various parameters on the water infiltration and on the failure. Moreover, a simulation of the Shien landslide in China (2012) with real parameters is presented.