Que ce soit sur chantier ou en usine de préfabrication, de nombreux incidents de mise en œuvre apparaissent encore régulièrement malgré l'utilisation industrielle de bétons de plus en plus fluides: le béton mis en œuvre n'atteint pas les zones les plus difficiles d'accès ou ne remplit les zones les plus ferraillées. Les Bétons Auto-Plaçant (BAP) ont bien sûr repoussé les limites traditionnelles de densité de ferraillage ou de forme des coffrages mais leur grande fluidité peut les rendre potentiellement sensibles à une ségrégation partielle de leurs composants en écoulement ou sous l'effet de la gravité. L'objectifde cette thèse est de développer des techniques de prédiction de la mise en œuvre du matériau en fonction des mesures rhéologiques, des caractéristiques de l'élément à réaliser et du processus de mise en oeuvre retenu. La méthodologie adoptée consiste à isoler et à traiter séparément chacun des problèmes évoqués dans une configuration simplifiée puis de combiner ensuite graduellement les phénomènes mis en jeu. Un matériau modèle simple similaire au béton réel et pouvant reproduire les principaux traits du comportement rhéologique du béton est d'abord mis au point à partir de billes de verre mono-disperses de rugosité contrôlée mélangées dans une suspension de Carbopol, fluide à seuil, stable, transparent et non thixotrope. Une série d'essais sur ce matériau modèle en canal horizontal non ferraillé ou ferraillé, permet alors l'étude des phénomènes suivants: L'arrêt de l'écoulement sous l'influence du seuil d'écoulement du matériau et des caractéristiques du coffrage; l'arrêt de l'écoulement sous l'influence d'un ferraillage élémentaire; le blocage des granulats au droit des armatures. Ces expériences de laboratoire sont menées en parallèle avec des approches analytiques et des simulations numériques. Une corrélation analytique entre les propriétés rhéologiques du matériau et l'arrêt de l'écoulement est proposée et comparée aux simulations numériques et aux mesures expérimentales. De plus, un modèle probabiliste permettant de prédire l'apparition du blocage des granulats au passage d'un ferraillage en fonction de la taille des grains, de leur concentration, du volume de matériau traversant et de la géométrie de l'obstacle est construit à partir des expériences sur fluides modèles et ensuite validé sur des bétons réels. Une analogie entre zone ferraillée et milieu poreux est proposée en considérant le coulage d'un béton comme la propagation d'un fluide à seuil dans un milieu poreux hétérogène et anisotrope. Il devient alors possible d'associer à un plan de ferraillage donné une cartographie de perméabilité et ainsi se passer du maillage de chacune des barres d'acier. Cette technique est validée dans le cas d'écoulements simples de bétons réels dans des coffrages de laboratoire.

Cette étude traite de la modélisation du comportement mécanique et de la rupture de<br />milieux granulaires de type solide.<br />Un milieu modèle constitué de cylindres d'aluminium et de joints de colle jouant le<br />rôle de liens cohésifs permet de mener à bout cette modélisation. Le comportement du lien est<br />étudié expérimentalement et permet d'établir une loi de cohésion et un critère de rupture. Ces<br />résultats sont introduits dans un code de calcul basé sur une méthode en éléments discrets<br />étendue au cas cohésif. Le code est validé en comparant le comportement mécanique et les<br />faciès de rupture d'échantillons macroscopiques réels et numériques.<br />Le modèle est ensuite testé dans le cadre d'applications : déformation et rupture de<br />poutres, fractionnement d'échantillons, détermination de la courbe intrinsèque. Enfin,<br />l'association entre le modèle et une approche phénoménologique, décrivant les transferts de<br />matière, permet d'aborder la fissuration de milieux subissant un retrait ou un gonflement.

Le travail présenté dans ce mémoire est consacré à l'application des méthodes de changement d'échelle pour la modélisation du comportement des milieux poreux non saturés dont la phase solide est constituée d'un matériau élastique linéaire. Pour aborder le cas non sturé, il est essentiel de connaître la répartition des phases fluides au sein de l'espace poreux. Les outils permettant de déterminer les positions d'équilibre d'une interface capillaire au sein de d'un milieu poreux et d'étudier leur stabilité sont présentés ici, en particulier dans le cas où il existe des échanges de matière entre les phases fluides. On utilise ensuite les outils de l'homogénéisation linéaire "classique" pour aborder le comportement mécanique d'un milieu poreux saturé par deux phases fluides. Les résultats obtenus sont appliqués pour estimer les déformations de séchage à contrainte imposée constante en condition isotherme en tenant compte de l'influence des caractéristiques morphologiques de l'espace poreux et des domaines occupés par les phases fluides. On propose également une modélisation du comportement d'un milieu mésofissuré non saturé prenant en compte le couplage entre les efforts capillaires et les changements de géométrie des fissures. On montre sur l'exemple du séchage que, dans le cas où les fissures sont très aplaties, la prise en compte de cette non-linéarité modifie radicalement le comportement par rapport à celui prévu par un modèle linéaire. Le mémoire s'achève avec l'examen du comportement d'un matériau granulaire non saturé. On utilise pour cela une approche numérique reposant sur l'hypothèse de périodicité du milieu étudié. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail démontre clairement l'intérêt qu'il y a à se référer aux phénomènes se déroulant à l'échelle des pores ainsi qu'aux propriétés morphologiques des domaines occupés par chacune des phases pour construire des modèles de comportement pertinents pour les milieux poreux non saturés.

Les soft-glassy systems constituent une classe de matériaux présentant de nombreuses caractéristiques mécaniques communes, liées à la présence d'un désordre structurel totalement ou partiellement figé. Ces matériaux regroupent entre autres les suspensions colloïdales et les émulsions concentrées, les polymères vitreux, les mousses et les matériaux granulaires. La réponse mécanique de ces matériaux amorphes dépend a priori fortement de leur état structurel particulier. La première partie du manuscrit traite précisément, dans le cas d'une mousse 2D, du couplage entre structure statique et plasticité sous déformation. La réalisation d'une simulation numérique réaliste nous permet alors de distinguer deux tendances principales : aux petites déformations, les réarrangements de bulles engendrent une relaxation de la structure (élargissement du domaine élastique). Aux fortes déformations, la plasticité permet la relaxation de la contrainte imposée ; les réarrangements se localisent alors sur une mince région dont l'épaisseur typique est la taille d'une bulle. Cette étude nous conduit à proposer un scenario pour l'apparition de la bande de cisaillement. La seconde partie s'intéresse à la microplasticité des empilements granulaires. Par de faibles vibrations, nous induisons des micro-déplacements de grains que nous détectons par une technique de diffusion multiple de la lumière. La dynamique sondée présente de forts effets de mémoire et s'avère indépendante de la densité de l'empilement. Une interprétation en terme d'évolution lente du réseau de forces permet de rendre compte de l'ensemble de nos observations.

Cette thèse consiste en l'étude expérimentale de la dynamique d'une interface granulaire inclinée et cisaillée par un écoulement d'eau laminaire, continu. Dans le canal de géométrie contrôlée, deux modes de transport sédimentaires sont observables: par érosion hydrodynamique et par écoulement gravitaire en masse. Une première étude est consacrée aux seuils de mise en mouvement des particules. Deux modèles simples prenant en compte la gravité, la friction entre particules et le cisaillement du fluide, permettent de retrouver l'influence de la vitesse de l'écoulement d'eau et de la pente du lit sur les seuils de transport par érosion et par avalanche. Le régime d'écoulements gravitaires est ensuite exploré pour des pentes au-delà de l'angle maximal de stabilité. Les mesures d'évolution de la pente du tas et du débit de particules (par PIV) montrent que l'avalanche atteint rapidement un régime quasi-stationnaire. La vitesse des grains dépend uniquement de la pente du tas, dans une relation quantitativement prédite par un modèle adapté des développements récents de modélisation de la rhéologie des granulaires. Dans une troisième partie on s'intéresse à la déformation de l'interface granulaire dans un régime particulier. La formation de rides à tourbillon est observée à la surface de l'avalanche, lorsqu'on applique un écoulement d'eau qui tend à transporter les particules dans la direction opposée. Après une phase initiale de croissance exponentielle, l'amplitude des rides sature. La zone de recirculation à l'arrière de la ride semble contrôler la forme des structures tandis que la quantité de matière transportable par l'avalanche semble déterminer leur amplitude.

Depuis les premiers travaux d'Einstein en 1906, le comportement des suspensions granulaires macroscopiques a fait l'objet de nombreuses études notamment en rhéologie. Cependant, la question des mécanismes susceptibles d'intervenir aux interfaces de ces suspensions reste ouverte et peu abordée. C'est précisément l'objet de cette thèse.<br /> Nous proposons de sonder les propriétés d'une interface grains/fluide en injectant un fluide dans une suspension granulaire isodense dont nous contrôlons la fraction de grains. Cette suspension est confinée dans une cellule de Hele-Shaw et nous pouvons injecter soit de l'air soit du fluide interstitiel pur.<br /> Pour les fractions de grains inférieures à 50%, l'injection d'air s'apparente à la digitation de Saffman-Taylor. Nous montrons que le mode de sélection des largeurs relatives et la stabilité des doigts sont modifiés par la présence des grains et que ces modifications ne peuvent se réduire à la simple considération d'un fluide effectif.<br /> Pour les fractions plus importantes, des phénomènes de blocage liés au réseau des contacts entre grains apparaissent et nous nous trouvons dans le cas d'un milieu poreux réorganisable. L'écoulement de fluide peut alors se faire de deux façons : soit au travers de la structure granulaire restée fixe, soit en mobilisant en partie cette structure.<br /> Dans le cas de l'injection d'air, des réarrangements localisés permettent d'obtenir des structures dont la taille dépasse celle des pores mais reste fine. Dans le cas de l'injection de fluide interstitiel pur, une mobilisation plus globale est observée qui mène à une décompaction homogène du milieu et à des structures de digitation plus larges.

Ce manuscrit de thèse présente les résultats d'une étude à caractère expérimental pour comprendre les mouvements convectifs et les phénomènes de densification dans les milieux granulaires en 3D vibrés horizontalement. Le milieu granulaire est un sable sec représentatif des milieux granulaires non cohésifs. Les travaux réalisés ont mis en évidence le fait que, quand un empilement granulaire est soumis à des vibrations horizontales à une fréquence fixe et une accélération croissante, il se ségrége en une couche supérieure à comportement fluide, lieu de deux rouleaux de convection contrarotatifs, et un bloc inférieur à comportement solide, à partir d'une accélération seuil définissant une transition vers la fluidisation. Une étude quantitative, menée principalement à une fréquence de 50 Hz, s'est basée sur une technique de type PIV pour mesurer le champ de déplacements des grains aux parois et une technique de profilométrie optique pour mesurer la compacité globale de l'empilement La mesure du champ de déplacements des grains a permis de déterminer l'évolution de l'épaisseur des rouleaux de convection, EF, avec l'accélération relative. L'influence de différents paramètres a été étudiée. La courbe EF =f(Accélération relative) est indépendante de la compacité initiale, de la hauteur initiale, dans une certaine mesure, et ne présente pas d'hystérésis. Quant à la compacité globale dynamique de l'empilement, elle augmente avec l'accélération, passe par un maximum et diminue par la suite. L'obtention de ce maximum est due à la compensation de deux tendances contraires. En effet, un affaissement, hétérogène en hauteur, a été observé et mesuré au cours d'un régime transitoire. Ce phénomène tend à densifier l'empilement. Au contraire, les mouvements convectifs, de plus en plus rapides, des grains pendant le régime stationnaire tendent à dilater l'empilement. In Fine, un protocole expérimental visant à optimiser la compacité et l'homogénéité d'un empilement granulaire a été proposé au partenaire industriel de cette étude (Ferraz-Shawmut). Il fait l'objet d'un dépôt de brevet.

Une structure ordonnée, périodique et non cohésive de billes sphériques monodisperses forme un cristal phononique granulaire. L'objet de ce travail de thèse porte sur la propagation d'une onde acoustique à l'intérieur de ce type de structure. Lors de la propagation d'une onde acoustique à travers un cristal granulaire, les propriétés des cristaux phononiques (dispersion due à la périodicité géométrique) sont combinées avec les propriétés de propagation dans les milieux granulaires (non-linéarités, degrés de liberté de rotation). Dans ce travail de thèse, les relations de dispersion des modes de volumes se propageant dans une structure granulaire hexagonale compacte sont déterminées théoriquement. La structure est modélisée par une structure masses- ressorts. Deux ressorts modélisent les interactions au niveau du contact entre deux billes, alors considérées comme des masses rigides, suivant la théorie de Hertz-Mindlin, avec un ressort pour les interactions normales et un ressort pour les interactions transverses. Dans un premier temps, le spectre des modes de volume est déterminé dans le cas où les interactions transverses sont négligées, les relations de dispersion des modes de translation se propageant dans le cristal sont obtenues. Dans un deuxième temps, les rigidités transverses sont prises en compte. L'existence de l'interaction transverse ainsi que la distance non nulle séparant les contacts des centres de billes nécéssitent la prise en compte des degrés de liberté de rotation de chaque bille. La modélisation de la structure s'inscrit alors dans le cadre d'une théorie généralisée de l'élasticité appelée théorie de Cosserat ou théorie micropolaire. Ceci conduit à la prédiction de modes de translation, de modes de rotation et de modes couplés de rotation-translation. Les modes induits par la théorie de Cosserat (modes de rotation et modes couplés translation-rotation) n'ont auparavant pas été observés expérimentalement dans les milieux granulaires. Après l'étude théorique de la propagation des ondes dans une direction particulère, l'observation expérimentale de modes couplés rotation-translation dans cette direction dans un cristal phononique granulaire est reportée, validant ainsi les effets de la théorie de Cosserat dans les milieux granulaires. Finalement, la non-réciprocité de l'effet non linéaire classique d'auto-démodulation par rapport à la direction de propagation de l'onde acoustique dans un cristal granulaire soumis à la gravité est démontrée.

Les eskers de l'Abitibi-Témiscamingue sont des complexes fluvioglaciaires généralement mis en place dans un environnement sous-aquatique lors de la déglaciation. La submersion glaciolacustre Barlow-Ojibway, qui a suivi le retrait du front glaciaire, a favorisé l'accumulation de sédiments à grains fins dans les zones profondes recouvrant les irrégularités du terrain. Cette couverture de sédiments a affecté le volume apparent des dépôts granulaires en enfouissant partiellement ou complètement les flancs d'eskers. En plus d'être d'un intérêt en matériaux granulaires, les eskers de l'Abitibi-Témiscamingue sont des sources d'approvisionnement en eau potable pour plusieurs municipalités. Ce sont les sédiments à grains fins, peu perméables, sur les flancs qui favorisent la formation de réservoirs aquifères. La présence d'eau de haute qualité entre souvent en conflit avec certaines activités humaines. Pour éviter l'émergence de conflit d'usage et favoriser la protection de la ressource, un mode de gestion adapté à cette réalité est nécessaire. Pour y parvenir, ce mémoire dresse un portrait quantitatif de la réserve en dépôts granulaires de l'Abitibi-Témiscamigue et le sud de la Baie-James en plus d'évaluer le potentiel aquifère de l'ensemble des segments d'eskers. À l'aide de la modélisation de la topographie des eskers, le volume de dépôts granulaires apparent a été estimé à 10 610 millions de m*3 pour l'ensemble de l'Abitibi-Témiscamingue. De ce volume, près du tiers (3 105 millions de m*3) se concentre sur le territoire de la MRC de la Vallée-de-l'Or : 2503 millions de m3 dans le sud de la Baie-James, 1 950 millions de m*3 dans la MRC d'Abitibi, 1 630 millions de m*3 dans la MRC de Témiscamingue, 1 279 millions de m3 dans la Ville de Rouyn-Noranda et 143 millions de m*3 dans la MRC d'AbitibiOuest. La disparité dans les volumes mesurés est liée à la taille des territoires couverts, aux milieux de mise en place des eskers et à l'épaisseur des dépôts glaciolacustres qui les recouvrent. La modélisation des altitudes maximales de la submersion glaciolacustre et la présence ou l'absence des dépôts glaciolacustres ont permis de connaître l'environnement de sédimentation des eskers. Quatre milieux de mise en place ont pu être identifiés pour les segments d'esker de la région, soit: celui au-dessus du niveau maximal de la submersion (type A représentant 10 % de tous les eskers), celui de la zone sublittoral supérieure à l'altitude de la plaine argileuse (type B représentant 31 % de tous les eskers), celui de la zone profonde où les eskers sont partiellement enfouis par les sédiments à grains fins (type C représentant 58 % de tous les eskers) et celui de la zone profonde où les eskers sont complètement recouverts par les sédiments à grains fins (type D représentant 1 % de tous les eskers). Ces milieux de mise en place jumelés à la présence ou à l'absence de résurgence d'eau ponctuelle ou diffuse el à la présence d'affleurement de till ou de roc à proximité des segments permettent d'évaluer le potentiel aquifère des eskers. Quatre niveaux de potentiel aquifère ont été attribués aux segments d'eskers de la région selon ces caractéristiques; 4 signifie le meilleur potentiel et 1, le moins bon. Selon ce classement, 39 % des eskers sont de niveau 4, 32 % des eskers sont de niveau 3, 26 % des segments sont de niveau 2 et 3 % des segments sont de niveau 1. La répartition spatiale des eskers selon ce classement montre un accroissement progressif du potentiel aquifère de ces derniers vers le nord-ouest de la région : les eskers de niveau 1 se retrouvent en plus forte dominance au Témiscamingue; ceux de niveau 2 sont majoritairement localisés au sud de Val-d'Or et dans les hautes terres à l'est de Lebel-sur-Quévillon; ceux de niveau 3 se répartissent sur l'ensemble du territoire, mais avec une présence plus marquée au nord de Val-d'Or et les eskers de niveau 4 sont principalement localisés au nord d'Amos. L'acquisition, à l'échelle régionale, du volume minimal de la réserve de dépôts granulaires et du potentiel aquifère des segments d'esker fourni une base de connaissance pour cibler des segments nécessitant des études plus détaillées. En ce sens, les segments d'eskers ayant le meilleur potentiel (le niveau 3 et 4) devront être mieux définis quant à la taille des aquifères, leur recharge et leur vulnérabilité. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : eskers, dépôts granulaires, potentiel aquifère, cartographie, submersion glaciolacustre

Un lit de particules, par exemple le lit d'une rivière ou les dépots d'hy drates dans un pipeline, peut évoluer de différentes manières quand il est soumis à un écoulement de fluide. Nous étudions expérimentalement l'interaction fluide/particules dans la géométrie d'un tube. En faisant varier les paramètres expérimentaux, nous avons déterminé l'existence de cinq régimes différents : particules immobiles, mise en mouvement du lit plat, formation de dunes laminaires, formation de dunes à vortex et apparition de dunes sinueuses. Ce travail s'articule principalement en quatre parties. Après l'étude qualitative des différents régimes existant, nous avons montré que le lit de particules se met en mouvement quand les forces hydrodynamiques deviennent supérieures à une fraction du poids apparent des particules, c'est-à-dire pour un nombre de Shields critique constant sur une large gamme de Reynolds particulaire. Un modèle continu à deux phases, dans lequel nous avons utilisé une rhéologie de type frottement solide pour modéliser la contrainte solide, nous permet de déterminer le flux de particules et de prédire l'évolution expérimentale du lit plat. En réalisant une étude de stabilité linéaire dans laquelle le flux de particules obtenu est couplé avec l'écoulement de fluide sur un fond fixe, nous avons déterminé le seuil d'apparition des dunes laminaires. Ce seuil correspond à un nombre de Reynolds constant et présente un bon accord avec les résultats expérimentaux dans la limite du modèle. Les expériences et les modèles réalisés nous permettent de construire un diagramme de phase représentant les zones d'existence des différents régimes observés dans le tube.