Ce mémoire présente une étude expérimentale et théorique de la locaisation dans les matériaux granulaires.<br /><br />La première partie se présente comme une revue des méthodes et théories de la mécanique des sols (ou plus généralement des solides) qui ont trait, de près ou de loin, à la rupture localisée. Les différentes approches sont examinées sous l'angle du rôle joué par la notion de déformation localisée. Les concepts de base de l'analyse de bifurcation par localisation en bande de cisaillement sont exposés, et les principaux travaux discutés.<br /><br />La seconde partie rend compte d'une étude expérimentale réalisée à l'essai biaxial, avec visualisation quantitative (mesure de champs de déformation) de l'apparition et du développement de la localisation au cours de l'essai. Une méthode de mesure de champs, la stéréophotogrammétrie de faux relief, a été développée et on l'expose en détail. Les résultats discutés concernent la naissance de la localisation, la façon dont elle se propage, les variations de volume au sein de la bande de cisaillement, le rôle des imperfections de l'essai.<br /><br />La partie théorique concerne l'analyse de bifurcation par localisation. Après avoir rapproché quelques études concernant le matériau élastoplastique non standard, et discuté le rôle de l'angle de dilatance dans ces prévisions, on s'intéresse à l'application du cadre classique de cette analyse aux cas des lois incrémentalement non linéaires; la nécessité d'une extension de ce cadre est avancée, et la mise en oeuvre du cadre élargi sur une loi heuristique permet d'illustrer la pertinence de cette approche générale.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude des matériaux granulaires cimentés composés d'un assemblage dense de particules et d'une matrice remplissant partiellement l'espace entre les particules. Cette étude a été plus particulièrement appliquée au cas de l'albumen de blé, modélisé comme un assemblage de granules d'amidon liés entre eux par une matrice protéique, afin de comprendre les origines physiques de la friabilité (blés hard, soft, durum) des types de blé. Une modélisation numérique basée sur une discrétisation sur réseau a permis de prendre en compte la déformation et la rupture des phases et de leurs interfaces. Nous avons mis en évidence, par une étude paramétrique en compression et en traction simples, trois régimes de rupture caractérisés par l'endommagement des particules en fonc- tion de la fraction volumique de la matrice et de l'adhésion à l'interface entre les particules et la matrice. La microstructure granulaire contrôle la concentration des contraintes, mise en évidence par leurs densités de probabilité, et le mode de fissuration du milieu. Une comparaison a été réalisée avec la méthode des éléments discrets dans le cas de la transmission des forces. Des expériences de compression simple sur un matériau modèle ont permis de valider les résultats numériques. Dans les deux cas, numérique et expérimental, l'endommagement des particules est gouverné par une ténacité relative à l'interface particule-matrice qui combine la fraction volumique de la matrice et l'adhésion à l'interface. Nous avons également élaboré un modèle théorique simple permettant de prendre en compte les effets de structure granulaire pour prédire les seuils de rupture et les modules élastiques en traction et en compression. Le rapprochement entre nos résultats et les données relatives à l'endommagement des granules d'amidon pour différentes variétés de blé suggère que l'adhésion à l'interface entre la matrice protéique et les gra- nules d'amidon est contrôlée par le volume de puroindolines.

Ce travail de thèse s'insère dans les thèmes développés dans l'équipe "MécaWet" du laboratoire PMMH. Le fil conducteur de ces activités est l'étude de structures élancées (tiges, plaques, coques) en lien avec les autres thèmes développés au laboratoire. En particulier, nous nous intéresserons à la déformation de tubes flexibles par des forces capillaires, à l'écoulement de petits grains ou au contraire de gros objets dans des tubes souples et au flambement de ces tubes sous l'effet d'une dépression. L'approche expérimentale est fidèle à l'esprit du laboratoire. Nous développerons ainsi des expériences macroscopiques modèles afin d'extraire les ingrédients physiques d'un problème. Des expé- riences à taille humaine permettent en effet de contrôler facilement les paramètres expérimentaux sur plusieurs ordres de grandeur.

Ce travail est consacré à l'étude des effets de la rupture des grains dans les matériaux granulaires sous chargement quasi-statique. Les données expérimentales montrent que plus il y a de ruptures, plus le matériau est compressible et plus la résistance au cisaillement au pic diminue. La source de ce phénomène se trouve dans la mécanique de la fracture des particules individuelles, associée aux conditions de chargement sur ces particules. A partir de ces propriétés, des travaux récents ont cherché à modéliser les liens multi-échelle afin de prédire le comportement de l'assemblage. Pourtant, le sujet est encore ouvert et dans cette thèse, on se propose de fournir davantage de preuves empiriques, de tester la validité de certains modèles et de développer des nouvelles méthodes prédictives. Les liens multi-échelles se font ici en décrivant, premièrement, les propriétés mécaniques des grains par la théorie de la rupture fragile de Weibull. Deuxièmement, des hypothèses sur le réseau des forces de contact intergranulaires permettent de changer d'échelle et de prédire la granulométrie finale après ruptures et la diminution de la résistance au cisaillement à cause des effets d'échelle. On a aussi étudié l'influence de l'eau et du temps (fluage-relaxation) dans des matériaux avec des ruptures des grains sous divers chemins de contraintes, en montrant que la relation entre le taux de ruptures, ou granulométrie finale, et le travail plastique ne dépend que des propriétés intrinsèques du matériau. Des perspectives de ce travail sont le couplage des méthodes prédictives développées avec des modèles constitutifs, afin de prendre en compte les propriétés micromécaniques et les prédictions de la granulométrie dans des modèles continus.

Cette thèse, composée de deux parties, porte sur l’étude d’instabilités au sein d’un milieugranulaire.La première partie de cette thèse est consacrée à l’instabilité de tôle ondulée, c’est-àdirel’apparition d’un motif de rides sur une piste soumise au passage répété de véhicules.Nos travaux expérimentaux ainsi que des simulations numériques de dynamique moléculairenous ont permis de progresser dans la compréhension de ce phénomène. Pour uneroue rigide tirée à vitesse constante, nous avons étudié quantitativement l’impact de lacohésion du milieu granulaire sur les caractéristiques de l’instabilité : vitesse critique, longueurd’onde et taux de croissance. Nous avons enfin entrepris des études préliminairessur un fluide à seuil simple : un microgel de carbopol.Dans la seconde partie, nous étudions la ségrégation granulaire au sein des astéroïdeslâches. Plusieurs indices montrent qu’un grand nombre d’entre eux sont des empilementsde grains, sans cohésion interne et liés par la gravité. Leur répartition n’est pas homogène,avec des zones lisses recouvertes de fines poussières et d’autres où s’accumulent les grosblocs. Nous avons simulé numériquement un empilement granulaire et nous l’avons soumisà des secousses répétées : nous avons réussi à reproduire la ségrégation. Nous avonsétudié l’influence des paramètres physiques et numériques sur le niveau de ségrégation etla dynamique du phénomène. Nous nous sommes aussi intéressés aux phénomènes physiquespouvant causer la ségrégation : convection granulaire, tamisage cinétique, pressionde déplétion, etc. Enfin, nous avons mis en évidence une instabilité azimutale qui peutexpliquer les observations faites pendant les missions spatiales. / This thesis, consisting of two parts, is focusing on instabilities into a granular assembly.The first part deals with washboard road instability, which is the growth of a ripplepattern on a track subjected to repeated passages of vehicles. Our experimental work aswell as soft spheres numerical simulations provide us a better understanding of this phenomenon.In the case of a rigid wheel dragged at constant velocity, we quantitatively studiedthe impact of the cohesion into the granular media on the main features of the instability :critical velocity, wavelength and growth rates. Finally, we have begun preliminary studieson a yield stress fluid, namely a carbopol microgel.The second part is devoted to the granular segregation in asteroids. Several keys showthat a significant part of them are rubble-piles, without internal cohesion and held togetherby their weak self-gravity. The distribution of grains is heterogeneous : while some regionsconsist in fine sand or powder, large boulders seem to accumulate in other parts. Wenumerically simulated a granular pile and subjected it to repeated quakes : we managedto reproduce segregation. We studied the influence of physical and numerical parameterson the segregation level and the dynamics of the phenomenon. We also investigate variouscauses of the segregation : granular convection, kinetic sieving, depletion pressure, etc.Finally, we highlighted an azimuthal segregation which can explain observations duringspatial missions.

Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée. / Multiphase granular materials occupy a very important place in our environment that are of great interest to many scientific communities, including those of soil mechanics or geotechnical engineering. The divided nature allows multiphase granular media to have a global mechanical behaviour which originates from all component phases, their distribution and interactions. Acoupled hydromechanical model is presented in this work for the application to microscopic modeling of coupled hydromechanical in saturated granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method (DEM) with a pore-scale finite volume (PFV) formulation of flow problem of an incompressible viscous fluid. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plasticrelations. Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. The emphasis of this model is, on one hand the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid, on the other hand, the model involves affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. Permeability measurements on bidispersed glass beads are reported and compared with model predictions and empirical formulas/semi-empirical in the literature, validating the definition of local conductivities and bringing out the role of particle size distribution and porosity. A numerical approach to analyze the fluid-solid mechanical interaction and mechanisms of internal erosion is finally presented.

<p align="justify">Ce travail consiste à étudier des systèmes constitués par un grand nombre de grains, auxquels de l’énergie cinétique est fournie, et à étudier leurs similarités et leurs différences avec des fluides traditionnels. Je me concentre principalement sur la nature de non-équilibre de ces fluides granulaires, en montrant que, même si les méthodes de méchanique statistique y sont applicables, leurs propriétés sont très différentes de celles de systèmes à l’équilibre ou proches de l’équilibre :</p><p><p><ul><li>Les fluides granulaires présentent des phénomènes de transport qui n’ont pas d’équivalent dans des fluides moléculaires, tels qu’un couplage spécifique entre flux de chaleur et gradient de densité.<p><li>Leur distribution de vitesse est en général différente de la distribution de Maxwell-Boltzmann, et présente une surpopulation pour les grandes vitesses. <p><li>Dans le cas de mélanges, différentes espèces de grains sont en général caractérisées par des énergies cinétiques différentes, i.e. ces systèmes sont sujet à une non-equipartition de leur énergie.<p><li>Ces fluides ont tendance à former des inhomogénéités spatiales spontanément. Cette propriété est illustrée en étudiant l’expérience du Demon de Maxwell appliquée aux systèmes granulaires.</ul><p><p align="justify">Chacune de ces particularités est discutée en détail dans des chapitres distincts, où l’on applique différentes méthodes de méchanique statistique (équation de Boltzmann, transition de phase, mean field models…) et où l’on vérifie les prédictions théoriques par simulations numériques (MD, Monte Carlo…).</p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les matériaux granulaires sont souvent utilisés dans les chaussées à faible trafic, pour la réalisation des couches d'assise non liées. L'objectif de la thèse est une meilleure compréhension du comportement hydromécanique des matériaux granulaires insaturés sous charge répétée en tenant compte des différents effets couplés: teneur en eau et teneur en fines. Une série d'essais triaxiaux à chargements répétés (TCR) est réalisée avec les différents échantillons de sable de Missillac remodelés à différentes teneurs en eau et en fines pour caractériser les comportements de déformation permanent et résilient. En outre, les courbes de rétention sont obtenues par des essais de succion. Puis, sur la base des résultats expérimentaux, les modèles de déformations permanentes et réversibles existants sont améliorés pour prendre en compte les teneurs en fines et en eau variables. Finalement, le comportement de l'état limite du sable Missillac est estimé avec les effets des teneurs en fines et en eau. / Granular materials are often used in low traffic pavement structures as unbound granular base and sub-base layers. The objective of this context is a better understanding of hydromechanical behaviour (deformation behaviour mainly) of the unsaturated granular materials under repeated loading taking into account the various coupled effects: water content and fine content. A series of RLTTs are conducted with the different remolded Missillac sand samples at different water contents and fine contents to characterize the permanent and resilient deformation behaviour. Besides, the soil water retention curves (SWRCs) are obtained by suction measurement. Then, based on the experimental results, the existing permanent and resilient deformation models are improved to accommodate to the changeable fine content and water content. In the end, the shakedown behaviour of Missillac sand is estimated with the effects of fine content and water content.

Le travail réalisé durant cette thèse a été motivé par l'étude des mécanismes microscopiques à l'origine du fluage dans les matériaux granulaires.%En particulier, on cherche à explorer des techniques expérimentales et numériques pour l'étude d'un tel phénomène.Dans une première partie, on cherche à mesurer les déplacements des grains dans un matériau granulaire par observations en micro-tomographie X. Une telle identification ne peut être efficacement réalisée pour des phénomènes rapides avec les méthodes classiques de corrélation d'images numériques. Une nouvelle méthode nommée emph{corrélation discrète des projections numériques} qui contourne cette difficulté est développée dans cette thèse. Cette méthode, basée sur la corrélation des projections de tomographie, permet de mesurer les déplacements avec un nombre réduit de projections (100 fois moins que les méthodes classiques), ce qui diminue énormément le temps d'acquisition nécessaire pour la mesure. La méthode, appliquée à des données expérimentales, donne une précision comparable à celles des méthodes classiques tandis que le temps d'acquisition nécessaire est réduit à quelques minutes. Une étude portant sur l'analyse des sources d'erreurs affectant la précision des résultats est également présentée.Le but de la deuxième partie est de réaliser des simulations numériques pour fournir une caractérisation de l'essai oedométrique. Différents assemblages de billes de verre légèrement poly-disperses interagissant à travers des contacts élastiques de Hertz-Mindlin et frottement de Coulomb ont été utilisés. Ces simulations ont permis d'étudier l'évolution de certains paramètres structuraux du matériau modèle, préparant ainsi le terrain pour de futures études sur le fluage. Il a été particulièrement souligné que les contacts élastiques utilisés dans ces simulations ne reproduisent pas l'irréversibilité des déformations observée dans les expériences sur des sables. Cependant, l'irréversibilité est bien visible sur le nombre de coordination et l'anisotropie. Alors que les paramètres élastiques peuvent exprimer la réponse pour des petits incréments de déformations, la compression oedometrique est belle et bien anélastique, principalement à cause de la mobilisation du frottement. Le rapport entre les contraintes horizontales et verticales (coefficient du sol au repos) n'est particulièrement constant que lorsque l'anisotropie de structure est instaurée dans l'état initial de l'assemblage. Il est par ailleurs relié à l'anisotropie interne de la structure par une formule simple. Finalement, les coefficients du tenseur élastique dépendent principalement du nombre de coordination et son anisotropie est plus liée à l'anisotropie des contacts qu'à celle des forces / The present work is motivated by the study of creep in granular materials at the microscopic scale.The first part of this thesis deals with displacement measurements by microtomography. Classical digital image correlation fails to catch time-dependent (possibly fast) phenomena such as short-term creep. A new method named emph{Discrete Digital Projection Correlation} is developed to overcome this limitation. This method requires very few projections (about 100 times less than classical methods) of the deformed state to perform the correlation and retrieve grain displacements. Therefore, the acquisition time is remarkably reduced, which allows to study time-dependent phenomena.The method is tested on experimental data. While its accuracy compares favorably to that of conventional methods, it only requires acquisition times of a few minutes. The origins of measurement errors are tracked by numerical means, on simulated grain displacements and rotations.The second part is a numerical simulation study, by the Discrete Element Method (DEM), of oedometric compression in model granular materials, carried out with a simple model material: assemblies of slightly polydisperse spherical beads interacting by Hertz-Mindlin contact elasticity and Coulomb friction. A wide variety of initial states are subject to compression, differing in density, coordination number and fabric anisotropy. Despite apparently almost reversible strains, oedometric compression proves an essentially anelastic and irreversible process,due to friction, with important internal state changes affecting coordination number and anisotropy. Elastic moduli only describe the response to very small stress increments about well equilibrated configurations. The ratio of horizontal stress to vertical stress (or coefficient of earth pressure at rest, commonly investigated in soil mechanics) only remains constant for initially anisotropic assemblies. A simple formula relates it to force and fabric anisotropy parameters, while elastic moduli are mainly sensitive to the latter. Further studies of contact network instabilities and rearrangements should pave the way to numerical investigations of creep behavior

La nature est complexe et c’est en toute modestie que les ingénieurs doivent chercher à prédire le comportement des ouvrages dans le sous-sol. La réalisation de projets industriels dans le domaine souterrain, à forts enjeux économiques et sociaux (traversées alpines, stockage de déchets nucléaires), nécessite d’évoluer vers une meilleure compréhension des mécanismes comportementaux des ouvrages à concevoir. Cette amélioration passe par une meilleure représentativité physique des mécanismes macroscopiques et par la mise à disposition d’outils de prédiction adaptés aux attentes et aux besoins des ingénieurs. Les outils de calculs développés dans ce travail s’inscrivent dans cette volonté de rapprocher les attentes de l’industrie et les connaissances liées à la rhéologie des géomatériaux. Ces développements ont ainsi débouché sur la proposition d’un modèle de comportement mécanique, adapté aux roches peu fissurées et assimilables à des milieux continus, intégrant, en particulier, l’effet du temps. Fil conducteur de cette étude, la problématique du sujet de thèse concerne précisément la prise en compte du comportement différé des massifs rocheux dans les modélisations et ses conséquences sur les ouvrages souterrains.Fondé sur des concepts physiques de référence, définis à différentes échelles (macro/méso/micro), le modèle rhéologique développé est transcrit dans un formalisme mathématique dans le but d’être mis en oeuvre numériquement.Les applications numériques proposées s’inscrivent principalement dans le contexte du stockage des déchets radioactifs. Elles concernent deux configurations d’ouvrages rigoureusement différentes : l’excavation du laboratoire souterrain canadien de l’AECL, dans le granite du Lac du Bonnet et le creusement de la galerie GMR du laboratoire de Bure (Meuse/Haute-Marne) dans l’argilite de l’Est. Dans les deux cas, l’utilisation du modèle a permis de mettre en évidence l’apport de la prise en compte du comportement différé sur la représentativité des prédictions numériques du comportement à court, moyen et long termes des ouvrages souterrains / Nature is complex and must be approached in total modesty by engineers seeking to predict the behavior of underground openings. The engineering of industrial projects in underground situations, with high economic and social stakes (Alpine mountain crossings, nuclear waste repository), mean striving to gain better understanding of the behavioral mechanisms of the openings to be designed. This improvement necessarily involves better physical representativeness of macroscopic mechanisms and the provision of prediction tools suited to the expectations and needs of the engineers. The calculation tools developed in this work is in step with this concern for satisfying industrial needs and developing knowledges related to the rheology of geomaterials. These developments led to the proposing of a mechanical constitutive model, suited to lightly fissured rocks, comparable to continuous media, while integrating more particularly the effect of time.Thread of this study, the problematics ensued from the subject of the thesis is precisely about the rock mass delayed behavior in numerical modeling and its consequences on underground openings design.Based on physical concepts of reference, defined in several scales (macro/meso/micro), the developed constitutive model is translated in a mathematical formalism in order to be numerically implemented.Numerical applications presented as illustrations fall mainly within the framework of nuclear waste repository problems. They concern two very different configurations of underground openings: the AECL’s underground canadian laboratory, excavated in the Lac du Bonnet granite, and the GMR gallery of Bure’s laboratory (Meuse/Haute-Marne), dug in argillaceous rock.In this two cases, this constitutive model use highlights the gains to be obtained from allowing for delayed behavior regarding the accuracy of numerical tunnel behavior predictions in the short, medium and long terms