Les cristaux granulaires sont des arrangements périodiques ou structurés de particules élastiques en contact. Ce travail de thèse porte sur l’étude théorique et expérimentale de la propagation d’ondes élastiques à travers de telles structures.Un cristal granulaire unidimensionnel composé d’une chaîne de billes d’acier couplées à des aimants permanents fixes est tout d’abord étudié. Les forces statiques de contact entre les billes, déterminantes pour les caractéristiques de la propagation et la dispersion des ondes élastiques, sont créées par le champ magnétique des aimants. Cette configuration permet donc d’adapter la réponse dynamique du milieu en modifiant les forces magnétiques des aimants. Un modèle linéaire prenant en compte tous les degrés de liberté en translations et rotations des billes et les couplages élastiques (longitudinal, de cisaillement et de torsion) entre billes et entre les billes et un substrat est développé. Il permet d’obtenir les relations de dispersion des modes de propagation dans ce système en fonction des différents paramètresde couplage. Les expériences réalisées mettent en évidence la propagation de modes élastiques avec micro-rotation des billes et démontrent la pertinence du modèle pour la description de ce système. Plusieurs effets de dispersion intéressants sont observés et discutés, modes à vitesse de groupe nulle, modes mous. . . Dans un second temps, une étude prenant en compte les nonlinéarités de contact permet de prédire et d’observer expérimentalement la génération d’harmonique, le filtrage d’harmoniques ainsi que la conversion de modes longitudinaux vers des modes couplés de translation-rotation dans des structures granulaires s’écartant des chaines unidimensionnelles simples. Ces travaux ouvrent des perspectives intéressantes pour le contrôle d’ondes élastiques, dans le régime non linéaire, avec desstructures granulaires architecturées. / Granular crystals are periodic or structured arrangements of elastic particles in contact. This work is devoted to theoretical and experimental study of the elastic wave propagation through such structures.A one-dimensional granular crystal composed of steel spherical beads coupled to permanent magnets placed in a substrate is first studied. Static forces at the contact between beads, determining the wave propagation and dispersion characteristics, are induced by the magnetic field from the magnets. This configuration enables tuning the dynamic response of the chain by modifying the magnetic strength of the magnets. A linear model taking into account all degrees of freedom of the beads (three translations and three rotations) as well as all elastic couplings (longitudinal, shear and torsional), between the beads and between the beads and the substrate is developed. This model provides the dispersionrelations of the modes in the system for different coupling parameters. The associated experiments confirm the elastic propagation of modes with micro-rotation of beads and demonstrate the pertinence of the model for the system description. Several interesting effects on the dispersion are observed and discussed, zero group velocity modes, soft modes. . .In a second part, we take into account the nonlinearities originating from the contacts to predict and then observe experimentally the second harmonic generation. The filtering of harmonics along with conversion from longitudinal to coupled transversalrotational modes in granular structures, is also observed for a configuration deviating from simple one-dimensional chains. This work opens the way for interesting applications in elastic wave control, in the nonlinear regime, with structured granular devices.

Dans le cadre du dragage de Port-Camargue (projet national ECODREDGE-MED), l'objectif principal des travaux de thèse a été d'étudier la re-sédimentation des sédiments ré-immergés et d'appréhender les transferts de matière (particulaires et moléculaires) associés. Une approche expérimentale de caractérisation a été réalisée pour appréhender ces phénomènes, aux échelles macroscopiques (mécanismes de sédimentation), mésoscopiques (transferts de matière particulaires) et moléculaires (phénomènes de sorption). Les travaux ont porté sur l'étude de cinq sédiments et de leurs fractions granulométriques. Une méthode de séparation granulaire a donc été développée et optimisée en ce sens, soulignant l'importance de vérifier la qualité de la séparation lorsque les développements portent sur les fractions granulaires. L'approche morpho-granulaire utilisée dans la caractérisation de ces systèmes a permis, dans un premier temps, de mettre en évidence le comportement cohésif des sédiments et d'identifier différents types d'agglomérats. Elle a ensuite été utilisée pour proposer une méthode de classification simple et rapide des sédiments, basée essentiellement sur la détermination, par granulométrie laser, du rapport volumique limon/sable.En second lieu, le comportement à la re-sédimentation a été appréhendé en étudiant la stabilité physico-chimique des particules dans la colonne de sédimentation grâce à un analyseur de suspensions concentrées, le Turbiscan MA2000. Cette stratégie apporte de nouvelles connaissances, notamment sur les mécanismes de sédimentation et l'impact de certains paramètres comme le rapport limon/sable, la salinité ou la fraction volumique sur ces mécanismes. Combinée à l'analyse du Carbone Organique Total (COT), des transferts de matière ont été identifiés dans la colonne de sédimentation, via les phénomènes interparticulaires (agglomération/dispersion) et les phénomènes de sorption (adsorption/désorption). / In the framework of Port-Camargue dredge (ECODREDGE-MED project), the main objective was to study the dredged sediment re-sedimentation and matter transfers (particular and molecular matter). An experimental characterization approach was realized in order to study these phenomena working at different scales : macroscopic (sedimentation mechanisms), mesoscopic (particular matter mobilization) and molecular (sorption phenomena). These research works focused on study of five sediments and their granular fractions. A dispersion granular method was developed and highlighted the importance to verify dispersion quality of processes concerning study of granular fractions. Morpho-granular approach used in theses works permitted to highlight cohesive aspect of sediments and to identify different agglomerate types. This approach was also used to propose a classification method of sediments, based on limon/sand ratio determination by laser granulometry.Secondly, re-sedimentation behavior was investigated studying physico-chemical stability of particles in the water column with a suspension analyszer (Turbiscan MA2000). The results contributed knowledge on sedimentation mechanisms and parameter (limon/sand ratio, salinity and volume fraction) influence. With the use of TOC analyze (Total Organic Carbone), matter transfers were identified in water column, via interparticular phenomena (agglomeration/dispersion) and sorption phenomena (adsorption/désorption).

Le travail présenté dans cette thèse vise à apporter une compréhension fine des couplages hydromécaniques et plus particulièrement du phénomène d'effondrement capillaire. L'utilisation de matériaux granulaires modèles observés à petites échelles grâce au microtomographe à rayons X constitue le point de départ de cette étude. Les résultats portent dans un premier temps sur la capacité à reproduire et observer le phénomène d'effondrement capillaire à l'échelle de l'éprouvette, appelée aussi échelle macroscopique. Une des premières problématiques importantes de ce projet a donc porté sur la reconstitution d'éprouvettes suffisamment lâches permettant d'observer le phénomène effondrement. Le potentiel d'effondrement, alors mesuré au simple œdomètre sur ces éprouvettes reconstituées, décroit avec la charge mécanique appliquée. En contrôlant le volume d'eau au cours de l'imbibition, les éprouvettes sont sujettes à une succession d'incréments de déformation rapides et ceci quelle que soit la dynamique de mouillage. En parallèle, l'utilisation de la technique d'analyse non destructive par microtomographie aux rayons X nous a permis de quantifier à une échelle mésoscopique (échelle de quelques grains), l'évolution de matériaux granulaires sous chargement hydrique et mécanique. Cela a été possible par l'utilisation de la technique de corrélation d'images numériques (DIC) associée à des outils d'analyse adaptés aux matériaux non saturés. Ces outils révèlent que l'hétérogénéité locale des déformations et des teneurs en eau augmente au cours de l'imbibition principalement à cause de l'effet de la gravité sur la répartition de l'eau dans l'éprouvette. L'hétérogénéité initiale des éprouvettes induite par la méthode de préparation est aussi identifiée. Cependant, malgré la présence de ces hétérogénéités, nous montrons que les mesures réalisées à l'échelle de l'éprouvette restent représentatives du comportement mésoscopique du matériau au cours de l'effondrement / This thesis deals with hydromechanical couplings in soils and more particularly focusing on the capillary collapse phenomenon. Although thoroughly studied at macroscopic scale in fine soils, the mechanisms governing capillary collapse in granular soils have been less observed.At first, the results concern the capacity to reproduce and to observe the phenomenon of capillary collapse at the scale of the specimen, called also the macroscopic scale.Thus, one of the first important objectives of this project concerned the preparation method of the specimens, which have to be loose enough to observe this phenomenon. The collapse potential, determined here by the one-dimensional collapse test, decreases with the mechanical stress. Moreover, when the quantity of water is controlled, incremental strains of specimens arise whatever the imbibition dynamic.To complement existing data, an experimental program was carried out using X-ray computed tomography (X-ray CT), a relevant tool to obtain 3D informations at grain scale. In combination with Volumetric Digital Image Correlation (V-DIC), X-ray CT also makes it possible to get information at a mesoscopic scale, at which the use of continuum mechanics still remains relevant. In this work, both microscopic and mesoscopic analyses have been carried out on a partially saturated sand subjected to gradual controlled imbibition in an oedometric cell.Local heterogeneities of strains and water contents appear during the imbibition, which are principally explained by the effect of gravity and by an inhomogeneity of the initial density.However, in spite of the existence of those localisations, by comparing the analyses at the mesoscopic and at the macroscopic scale, we show that measurements performed at the scale of the specimen are representative of the local behaviour of the material

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire. La compréhension précise de ces forces présente en effet d'importants intérêts fondamentaux (rhéologie des milieux granulaires, phénomène de ségrégation) et appliqués (robotique, locomotion animale ...). Expérimentalement, un cylindre horizontal est mis en rotation à faible vitesse dans un bac de billes de verre. Les forces s'exerçant sur cet objet dans la direction du mouvement (forces de traînée) et dans la direction verticale (forces de portance) sont mesurées.Lors du premier demi-tour, avant que le cylindre ne repasse dans son propre sillage, nous mettons en évidence l'existence d'une force de portance élevée sur l'objet (bien qu'il soit symétrique), de l'ordre de 20 fois la poussée d'Archimède du milieu, et indépendante de la profondeur. Des études numériques de dynamique moléculaire (méthode éléments discrets) permettent de comprendre comment cette portance émerge de la modification de l'écoulement granulaire par la présence d'un gradient de pression dans le milieu. Aux temps longs, après plusieurs rotations du cylindre, on observe une chute de la force de traînée, qui devient indépendante de la profondeur. Le milieu se structure sous l'effet des passages répétés du cylindre dans son sillage, ce qui écrante le poids des grains situés au dessus. Enfin, une étude numérique des forces sur une grosse particule en écoulement avec le milieu granulaire est ébauchée, en lien avec le phénomène de ségrégation granulaire. / This thesis presents an experimental and numerical study of the forces experienced by an object moving in granular media. This problem, which is of practical importance in many applications (robots, animal locomotion), is also of fundamental interest (rheology of granular materials, granular segregation). The experiment consists in a horizontal cylinder rotating around the vertical axis in glass beads. Both drag forces and lift forces experienced by the cylinder are measured.During the first half rotation, before the cylinder crosses its own wake, we measure a strong lift force (despite the symmetry of the object), about 20 times the buoyancy of the cylinder, and independent of its depth. Molecular dynamic simulations (Discrete Element Method) shed lights on how this lift force arises from the modification of the grain flow due to the pressure gradient in the medium. After several rotations, when the cylinder goes through its own wake, the drag force drops and becomes independent of depth. The rotation of the cylinder induces a structure in the granular packing, which screens the weight of the grains above it. Finally, a numerical study of forces on a large particle flowing with the granular medium is sketched, in relation with the phenomenon of granular segregation.

Cette thèse expérimentale porte sur les ondes ultrasonores se propageant dans un milieu granulaire sec, sous contrainte. Dans une première partie, on s'intéresse à la propagation des ondes cohérentes de grande longueur d'onde. La mesure des vitesses de ces ondes en fonction de la contrainte et de la fréquence, montre que les propriétés élastiques du milieu résultent du contact de type Hertz-Mindlin, et que le milieu est non dispersif. La mesure d'atténuation indique un mécanisme dominant du type diffraction de Rayleigh. La propagation d'une onde de Biot à travers l'air dans un empilement sous gravité a été aussi mise en évidence. Dans une seconde partie, on s'est intéressé à la diffusion multiple d'onde acoustique. Nous avons déduit le coefficient de diffusion et le temps inélastique d'absorption en fonction de la contrainte et de la fréquence d'excitation. Le libre parcours moyen de transport a été déterminé en fonction du rapport de la longueur d'onde sur la taille de grains, montrant deux régimes distincts à basse et à haute fréquence. La dernière partie, porte sur le comportement non linéaire hystérétique d'un milieu granulaire, par méthode de résonance. Les modes fondamentaux d'ondes cohérentes ont été étudiés en fonction de l'amplitude d'excitation et de la contrainte de confinement. Un ramollissement élastique de 10%, pour l'onde longitudinale, et de 20%, pour l'onde transversale, sont observés, en bon accord avec un modèle de milieu effectif basé sur la théorie de Mindlin. Les effets d'interaction irréversible son-matière ont été examinés, tels que la compaction intermittente et le processus de cicatrisation. Enfin, on observe que l'atténuation de l'onde transversale dépend conjointement de l'amplitude d'excitation et de la fréquence / This experimental work deals with the ultrasound propagation in a dry granular medium under stress. The first chapter of the thesis concerns the coherent wave propagation in the long-wavelength limit. The measurement of sound velocity as a function of the applied stress and wave frequency confirm that the nonlinear elasticity of the medium originates from the Hertz-Mindlin contact and show that the medium is free of velocity-dispersion. On the other hand, the amplitude measurement reveals that the dominant mechanism of attenuation is due to the Rayleigh-like scattering. Additionally, the airborne Biot wave is observed and investigated. The second chapter is devoted to the diffusively scattered ultrasound. We particularly determine the diffusion coefficient and the inelastic absorption time as a function of stress and frequency. The mean transport free path was investigated versus the ratio of the wavelength to the grain size, which shows two distinct behaviours at low and high frequencies, respectively. The third and last chapter is focused on the hysteretic nonlinear behaviour studied by the resonance method. The fundamental modes of coherent waves are investigated as a function of the applied stress and excitation amplitude. The softening of elastic modulus is observed and can rises to 10% for the longitudinal wave and 20% for the transversal wave, which are in good agreement with the model prediction based on the Mindlin friction theory. Furthermore, the irreversible sound-matter interaction is examined; the intermittent compaction and the slow healing process are observed. Finally, the attenuation of transversal waves is shown to depend simultaneously on wave amplitude and frequency

Les milieux granulaires sont très étudiés depuis des décennies mais la description de l'ensemble des comportements observés de ces matériaux reste une grande question ouverte. Lorsqu'ils sont soumis à une contrainte suffisamment importante, une caractéristique est de présenter de la localisation de la déformation. L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est d'étudier expérimentalement et numériquement la déformation d'un milieu granulaire et de caractériser des comportements observés lors d'un text biaxial. La première partie est consacrée à la réalisation des tests biaxiaux en déformation plane. Pour pouvoir visualiser de très petites déformations, nous utilisons une méthode interférométrique basée sur la diffusion multiple de la lumière. La deuxième partie est dédiée à la modélisation numérique d'un test biaxial en 2D dans des conditions similaires à celles de l'expérience par la méthode des éléments discrets. Enfin, dans la dernière partie, des outils développés pour l'analyse d'images utilisés pour étudier aussi bien les expériences que les simulations numériques sont abordés. L'étude du champ plastique moyen dans les expériences montre que la localisation de la déformation est un processus progressif initié par une bifurcation qui correspond à l'apparition d'une direction bien définie. Cette direction est en accord avec l'angle de Mohr-Coulomb et son apparition a lieu avant la rupture du matériau. L'étude des fluctuations de la plasticité dans les expériences et les simulations numériques semble mettre en évidence une croissance d'une longueur caractéristique. / Granular materials have been studied for decades, but the description of the behaviors observed of these materials is still an open question. They display localization of deformation when submitted to a large enough stress. The objective of this work is to study experimentally and numerically the deformation of a granular material and to characterize observed behaviors in a biaxial text. The first part is devoted to the realization of plane strain biaxial tests. In order to visualize very small deformations, we use an interferometric method based on the multiple light scattering. The second part is devoted to the numerical modeling of a 2D biaxial test under conditions similar to those of the experiment by the discrete element method. Finally, in the last part, tools developed for the analysis of images used to study as well the experiences as the numerical simulations are approached. The study of the average plastic field in the experiments shows that the localization of the deformation is a progressive process initiated by a bifurcation which corresponds to the appearance of a well defined direction. This direction is in agreement with the angle of Mohr-Coulomb and its appearance takes place before the failure of the material. The study of the fluctuations of the plasticity in the experiments and the numerical simulations seems to show an increase of a characteristic length.

Cette thèse se focalise sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux, problématique rencontrée dans des domaines variés allant de la physique fondamentale à la chimie appliquée. Nous avons caractérisé expérimentalement les régimes hydrodynamiques dans deux géométries différentes : un canal millifluidique (écoulement quasi-1D) et une cellule de Hele-Shaw (écoulement quasi-2D). L’originalité de ce travail est d’analyser l’effet du milieu poreux (lits de billes polydisperses ou mousses solides à cellules ouvertes), du confinement (1D/2D) et de la gravité en couplant des approches locales et globales développées dans les communautés de physique expérimentale et de génie chimique. D’une part, une analyse globale a permis de quantifier les pertes de charge [1] et, basée sur le transport d’un traceur fluorescent, les distributions de temps de séjour [2] et le transfert gaz-liquide dans l’expérience 1D ; d’autre part, une analyse locale de la fraction liquide et l’évolution spatio-temporelle de son contenu fréquentiel ont permis de mettre en évidence deux régimes hydrodynamiques dans le canal millifluidique [3-5] : un régime pseudo-Taylor, où les caractéristiques de l’écoulement périodique amont sont conservées, et un régime modulé, pour lequel l’écoulement se désorganise à l’entrée du milieu poreux. Un modèle phénoménologique basé sur la propagation des bulles dans le milieu est proposé, et rend compte de l’existence de ces deux régimes [4,5]. Enfin, ces deux analyses sont couplées pour étudier les écoulements dans la cellule de Hele-Shaw, et une analyse dimensionnelle de l’effet du confinement et de la gravité sur les écoulements gaz-liquide dans un milieu poreux est proposée.Références –[1] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Geophys. Res. Lett. (2017). [2] M. Serres, D. Schweich, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Chem. Eng. Sci. (2017).[3] M. Serres, R. Philippe & V. Vidal, Compte-rendus de la 19e Rencontre du Non-Linéaire, Eds. E. Falcon, M. Lefranc, F. Pétrélis & C.-T. Pham, Non-Linéaire Publications, 109-114 (2016).[4] M. Serres, M.-L. Zanota, R. Philippe & V. Vidal, Int. J. Multiphase Flow 85, 157-163 (2016).[5] M. Serres, T. Maison, R. Philippe & V. Vidal, to be submitted to Int. J. Multiphase Flow (2017). / This thesis focuses on gas-liquid flow in porous media, a common problem encountered in various domains from fundamental physics to applied chemical engineering. We have characterized the hydrodynamic regimes based on two different experimental devices geometry: a millichannel (1D flow) and a Hele-Shaw cell (2D flow). The originality of this work is to analyze the influence of the porous medium (monodisperse micro-packed beds or open cell solid foams), confinement (1D/2D) and gravity by coupling global and local analysis from either chemical engineering or fundamental physics community. On the one hand, a global analysis made it possible to quantify pressure drops, residence time distributions (RTD) based on fluorescent dye transport and gas-liquid mass transfer on the 1D device. On the other hand, a local analysis of the liquid fraction and the spatio-temporal evolution of its frequency pointed out the existence of two hydrodynamic regimes: a Taylor-like regime in which the characteristics of the periodic flow upstream are conserved in the porous medium and a modulated regime characterized by the flow disorganization at the porous medium entrance. A phenomenological model is developed based on bubbles propagation inside the medium and reproduces well both regimes. These two analyses are finally coupled to study multiphase flows inside the Hele-Shaw cell. The effects of gravity and confinement are discussed.

Les discontinuités granulaires dans les ouvrages hydrauliques ou dans leur fondation constituent une source majeure d’instabilités à l’origine des phénomènes d’érosion. L’érosion interne est ainsi définie comme une migration de particules engendrée par un écoulement interne parasite, dans un sol ou dans un ouvrage en terre. A long terme, les conséquences de cette migration peut affecter la stabilité des ouvrages et peut même conduire à leur rupture. La sécurité des ouvrages en terre dépend principalement de la performance de leurs filtres, c’est-à-dire de la capacité du filtre, mis en interne en phase de conception ou en externe en phase de réparation, à retenir les particules fines. L’espace poral d’un filtre granulaire est divisé en volumes élémentaires, appelés pores, reliés entre eux par des étranglements plus étroits appelés constrictions. Des recherches récentes ont montré que la distribution des tailles de constriction (CSD) joue un rôle fondamental dans la compréhension des propriétés de filtration des sols granulaires. Ce travail vise à étudier la CSD et son impact sur les mécanismes de filtration dans les matériaux granulaires. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies dans ce travail: l’une numérique et l’autre analytique. Dans le cas des matériaux de forme sphérique, la méthode des éléments discrets (DEM) permet de calculer la CSD en s’appuyant sur une partition de Delaunay en tétraèdres. Cependant, une CSD plus réaliste peut être obtenue par association des tétraèdres voisins selon un critère basé sur le chevauchement de leurs sphères de vide inscrites. A partir de cette considération et en se basant sur les modèles analytiques existants, un modèle révisé est proposé pour obtenir rapidement la CSD. Les échantillons DEM générés sont ensuite utilisés pour examiner le potentiel de transport des particules fines à travers un filtre d’épaisseur donnée. Les résultats des essais de filtration numériques menés ont montré une corrélation entre la CSD et la possibilité de migration des particules fines. En conséquence, une formule analytique a été proposée pour calculer le diamètre d’ouverture de contrôle des filtres granulaires. Cette taille caractéristique qui prend en compte la granulométrie et la densité du matériau granulaire, a été introduite dans un critère de filtre construit sur la base de la CSD, en vue de le représenter de manière plus physique. Le critère proposé reproduit correctement des résultats expérimentaux rapportés dans la littérature. / The granular discontinuities in hydraulic structures or in their foundation constitute a major source of instabilities causing erosion phenomena, process by which finer soil particles are transported through the voids between coarser particles, under seepage flow. In the long term, the microstructure of the soil will change and the excessive migration become prejudicial to the stability of the structures and may also induce their failure. The safety of earth structures is mainly dependent on the reliability of their filter performance, i.e. the ability of the filter placed inside the structure during construction or outside during repair, to retain fine particles. Indeed, the void space of a granular filter is divided into larger volumes, called pores, connected together by throats or constrictions. Recent researches showed that the distribution of throats (Constriction Size Distribution or CSD) between pores plays a key role to understand the filtration properties of a granular soil. This research is devoted to investigate the constriction sizes and their impact on the mechanisms of filtration in granular spherical materials. To achieve this objective, two approaches were followed in this work: numerical and analytical approaches. In the case of spherical materials, the Discrete Element Method (DEM) can help to compute the CSD using the Delaunay tessellation method. However, a more realistic CSD can be obtained by merging adjacent Delaunay cells based on the concept of the overlap of their maximal inscribed void spheres. Following this consideration and by extending the previously developed analytical models of CSD, a revised model is proposed to quickly obtain the CSD. The DEM data generated are then used to explore the potential of transport of fine particles through a filter of a given thickness by means of numerical filtration tests. A correlation has been found between the CSD and the possibility of migration of fine grains. Accordingly, an analytical formula has been proposed to calculate the controlling constriction size of a filter material. This characteristic size, which takes into account the particle size distribution (PSD) and the density of the material, has been used to reformulate a constriction-based criterion in a more physical manner. The proposed filter design criterion is verified based on experimental data from past studies and a good agreement has been found.

Le complexe d'accélérateurs du grand collisionneur de hadrons (le Large Hadron Collider - LHC) sera mis à jour lors du long arrêt de la période LS3 en 2023-2025 pour passer à la phase de haute luminosité (HL-LHC). La luminosité instantanée sera multipliée par 5 pour atteindre 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, ce qui correspond à environ 200 collisions inélastiques par croisement de paquets comparé aux 50 par croisement au LHC. Pendant le fonctionnement du HL-LHC, afin d'atteindre une haute précision dans les études des processus physiques du modèle standard et les recherches de nouvelle physique, le collisionneur à protons devra fournir une luminosité intégrée de l’ordre 400 fb⁻¹ par an pendant une dizaine d’années soit 4000 fb⁻¹ escomptées. Ceci représente un ordre de grandeur supérieur à l'ensemble de la période du LHC. Le détecteur interne (Inner Detector) ATLAS actuel ne sera pas en mesure de faire face efficacement à l'augmentation du taux d'événements et de la dose de rayonnement. Afin d’obtenir des performances au minimum égales ou supérieures à celles de la phase LHC, et tenant compte d’un environnement plus hostile en termes de radiations et d’empilements d’évènements, il a été décidé d’opérer le remplacement complet du trajectomètre interne ou Inner Tracker (ITk); à cette fin, une technologie tout silicium a été choisie. Cette thèse est axée sur l'étude de nouveaux capteurs pixels planaires fins à bords très minces, basés sur le concept d’utilisation de matrices de diodes à implants dopés n sur un substrat dopé p. Ce choix est motivé par les critères de meilleure performance intrinsèque, de radio-tolérance élevée ainsi qu’un coût de production optimisé pour de grandes surfaces. Dans ce travail, des capteurs de différentes épaisseurs allant de 50 μm à 150 μm dotés de bords actifs et minces ont fait l’objet d’études approfondies notamment lors de leur fonctionnement à haut flux de particules chargées. De nombreuses analyses minutieuses ont été menées pour déterminer leur résolution en position à l’aide d’un télescope de faisceau de haute énergie. Les régions d’impacts sur la zone active des pixels ainsi que sur la région des contours ont été scrutées avant et après leur irradiation. En effet, de nombreux résultats obtenus en faisceau de protons et électrons seront montrés, notamment une étude comparative des différents concepts de matrices de capteurs de pixels planaires lus avec la puce de lecture « FE-I4 » en technologie CMOS 130 nm. Préparant la phase future du LHC, nous montrerons les premiers résultats obtenus avec la nouvelle génération de pixels granulaires. Ces matrices ont été couplées à la nouvelle puce de lecture frontale récemment développée au CERN, utilisant la technologie CMOS 65 nm. Ces capteurs dotés d’ une plus fine granularité de 50×50 μm² , ont un pas optimisé lequel est nécessaire pour maintenir un taux d'occupation aussi bas que possible dans un contexte de multiplicités de particules chargées très élevées. Dans ce travail, une contribution personnelle à l’électronique de lecture sera détaillée, en particulier les études ont été menées sur la puce nommée «Ring-Oscillator» ou moniteur de radiations, développée au laboratoire. On décrira son comportement dynamique en fonction de la température, de la tension nominale et en conditions hautement radiatives (500 MRad). La mise au point d’un nouvel outil de caractérisation de détecteurs pixels a fait l’objet d’un développement important. Grâce à un ensemble basé sur une excitation laser de 1060 nm, il sera possible de disposer d’un système précis et autonome capable de mesurer rapidement les caractéristiques fonctionnelles des matrices de pixels avec une excellente résolution spatiale. Les caractéristiques de cet outil feront l’objet d’une présentation exhaustive. / The Large Hadron Collider (LHC) will go through the accelerator complex upgrade during the LS3 long shutdown in 2023-2025 to move to the High Luminosity phase (HL-LHC). As a result, an instantaneous luminosity will increase sevenfold to 7.5×10³⁴ cm⁻²s⁻¹, corresponding to approximately 200 inelastic collisions per bunch-crossing, whereas the LHC runs resulted in up to 50 collisions per bunch-crossing. During the operation of the HL-LHC, in order to achieve high-precision in studies of Standard Model processes and searches for new physics, about 4000 fb⁻¹ of integrated luminosity be collected, which is of an order of magnitude larger than over the entire LHC period. The present ATLAS Inner Detector (ID) will not be able to efficiently cope with the increased event rate and radiation dose. Due to this fact the complete replacement of the ID is foreseen with fully silicon Inner Tracker (ITk) to provide high tracking performance in harsher environment delivered by the HL-LHC. This thesis is focused on the study of new n+-in-p planar silicon sensors, as a promising option to instrument the ITk pixel layers, considering their radiation hardness and cost-effectiveness. Sensors of different thicknesses ranging from 50 µm to 150 µm of active and slim edge designs have been tested at a high energy particle beam to investigate hit efficiency performance analyzed on the pixel active area and on the edge area before and after irradiation. The test beam results and their comparison for the different designs of the pixel sensors compatible with FE-I4 readout chip are discussed. Also, the first results on test beam characterization of the pixel modules employing a newly developed prototype of readout chip for the ITk, RD53A chip, implemented in 65 nm CMOS technology, were obtained. The sensors with the decreased to 25×100 µm² and 50×50 µm² pixel pitch to maintain the lower level of occupancy at high particle multiplicity were measured. Additionally, the tests of ring oscillators, contained in RD53A chip, which may be used as a monitor of the received radiation dose, were carried out depending on temperature, supplied voltage and irradiation level up to 500 MRad. Finally, the test bench setup for silicon pixel detectors characterization using an infra-red laser has been the subject of an original development in this thesis. The setup was developed in the clean room at Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) and it is capable of rapidly measuring the functional characteristics, providing a flexible charge injection with well-defined hit position to characterize the silicon pixel matrixes. The software to control the setup was created using LabVIEW programming environment. The results of the measurements with the FE-I4 module implemented with openings allowing the laser beam passage on a sensor backside are presented in this thesis.

Une forte concurrence avec d'autres moyens de transport a poussé l’industrie ferroviaire à se réinventer et rechercher des performances toujours plus élevées. De nos jours, l’obtention de vitesses chaque fois plus élevées exige le développement de modèles numériques précis pour concevoir et prédire le comportement des voies ferrées sous les contraintes mécaniques imposées par le passage du convoi. Dans cette thèse, nous avons concentré l'étude sur la couche de ballast. Ce composant présente un comportement mécanique complexe, lié à la nature granulaire de ses composants, il peut être solide, liquide ou gazeux.Ce comportement dépend de l'état de contrainte et de l'historique de déformation du milieu.Deux classes de modèles numériques sont couramment utilisées pour prédire le comportement de ces systèmes : (1) les approches discrètes et (2) les approches continues. Pour ces premières, chaque grain du ballast est représenté par un corps rigide et interagit avec ses voisins parle biais de forces de contact non linéaires en utilisant, par exemple, la méthode de dynamique non régulière des contacts. En raison des limites de calcul, ce type de méthode ne peut résoudre que quelques mètres de longueur de ballast. Le couplage avec le sol sous la couche de ballast et avec les traverses reste également un problème non résolu dans la littérature. Pour les approches continues, le ballast est remplacé par un milieu continu homogénéisé, de façon à permettre l’utilisation de la méthode par éléments finis classique (EF). Cependant, ces modèles sont normalement utilisés avec des paramètres mécaniques homogènes, de sorte qu'ils ne représentent pas complètement l'hétérogénéité des déformations et des contraintes dans la couche de ballast.Nous étudions dans cette thèse une approche alternative, utilisant un modèle de continuum hétérogène stochastique, qui peut être résolu avec une méthode par éléments finis tout en conservant dans une large mesure l'hétérogénéité des champs de contrainte et de déformation.L'objectif de ce modèle continu est de représenter statistiquement l'hétérogénéité du champ de contraintes dans un modèle de milieu continu ainsi que dans un modèle granulaire discret. Pour ce faire, les propriétés mécaniques sont représentées à l'aide de champs aléatoires. La présente thèse est divisée en trois parties: (1) la construction du modèle et l'identification des paramètres du matériau continuum (densité marginale de premier ordre, moyenne, variance, modèle de corrélation) ;(2) la propagation des ondes dans une voie ferrée ballastée et (3) l’exploration préliminaire de deux ensembles de données expérimentales. La première partie définit le modèle du continuum à fluctuations aléatoires et identifie les paramètres de notre modèle de continuum sur de petits échantillons cylindriques de ballast discret. Des modèles continus équivalents aux échantillons discrets sont générés et résolus en utilisant la méthode EF, et le champ stochastique utilisé pour fournir les propriétés mécaniques. Un processus d'optimisation est utilisé pour trouver une variance normalisée pour le matériau hétérogène stochastique. La deuxième partie de ce travail se concentre sur la résolution des équations dynamiques sur un modèle à grande échelle d'une voie ferrée ballastée utilisant la méthode des éléments spectraux. L'influence de l'hétérogénéité est mise en évidence et étudiée. En conséquence,des courbes de dispersion sont obtenues. Enfin, la troisième partie présente deux jeux de données distincts de mesures expérimentales sur le matériau de ballast : (1) une boîte de ballast ; (2) un passage de train dans un segment de voie ferrée ballastée.Les courbes de mobilité ont été extraites de l'expérience sur les ballasts. Un problème inverse a été résolu afin d'estimer la vitesse de l'onde homogénéisée et la vitesse de l'onde locale dans le milieu. Les passages de trains enregistrés pour l'analyse de la vibration à moyenne fréquences. / The stronger competition with other means of transportation has increased the demand for performance in the railway industry. One way to achieve higher performance is using accurate numerical models to design/predict railways tracks behaviour. Two classes of numerical models are commonly used to predict the behaviour of these systems: (i) discrete approaches and (ii) continuum approaches. In the former, each grain of the ballast is represented by a rigid body and interacts with its neighbours through nonlinear contact forces using, for example, the nonsmooth contact dynamics method. Due to computational limits, this kind of method can only solve a few meters-length of ballast. The coupling with the soil under the ballast layer and with the sleepers also remains an open problem. In continuum approaches, the ballast is replaced by a homogenized continuum and the classical Finite Element (FE) Method (or similar) is used. However, they are normally used with homogeneous mechanical parameters, so that they do not represent fully the heterogeneity of the strains and stresses within the ballast layer. We investigate in this thesis an alternative approach using a stochastic heterogeneous continuum model, that can be solved with a FElike method while retaining to a large degree the heterogeneity of the stress and strain fields. The objective of this continuous model is to represent statistically the heterogeneity of the stress field in a continuum model as well as in a discrete granular model. To do this, the mechanical properties are represented using random fields. The present thesis is divided into three parts: (1) the construction of the model and the identification of the parameters of the continuum material (first-order marginal density, mean, variance, correlation model, and correlation length); (2) wave propagation in a ballasted railway track. (3) preliminary exploration of two experimental datasets. The first part sets the randomly-fluctuating continuum model and identifies the parameters of our continuum model on small cylindrical samples of discrete ballast. Continuum models equivalent to the discrete samples are generated and solved using the FE method, and the stochastic field used as mechanical properties. An optimization process is used to find a normalized variance for the stochastic heterogeneous material. The second part of this work concentrates on the solution of the dynamical equations on a large-scale model of a ballasted railway track using the Spectral Element Method. The influence of the heterogeneity is highlighted and studied. As a result, dispersion curves are obtained. Finally, the third part presents two distinct datasets of experimental measurements on ballast material: (1) a ballast box; (2) a train passage in a segment of ballasted railway track. Mobility curves were extracted from the ballast box experiment. An inverse problem was solved in order to estimate the homogenized wave velocity and local wave velocity in the medium. The trains pass-by recorded for the analysis of the vibration at medium frequencies.