La plupart des digues sont constituées de matériaux granulaires compactés. Elles sont ainsi perméables et constamment soumises à des écoulements d’eau dans leur volume. Dans certaines conditions, ces écoulements peuvent altérer leur microstructure par érosion interne et générer des instabilités mécaniques responsables de ruptures inopinées lors de crues. Cette thèse s’intéresse à l’analyse multi-échelle des instabilités mécaniques dans les matériaux granulaires soumis à l'érosion interne. Dans ce travail, le comportement mécanique de ces matériaux est simulé en 3D à l’échelle de volumes élémentaires représentatifs, et ce, pour différents états de contraintes et gradients hydrauliques. Grâce à l’utilisation du critère du travail du second ordre et d’outils micromécaniques, leur stabilité est analysée avant et après l’application d’un écoulement interne. Il est établi que l’origine micro-inertielle des instabilités observées provient du déconfinement et de la flexion des chaînes de force ainsi que des déformations plastiques importantes résultant de leur effondrement. Par leur capacité à enrayer rapidement le développement de telles déformations plastiques, il est montré que les particules libres contribuent à assurer la stabilité mécanique des matériaux granulaires. Ce résultat est fondamental pour analyser les conséquences de l’érosion interne en termes de stabilité mécanique car les particules libres sont facilement transportables sous l’action d’un écoulement interne. Selon si elles sont colmatées ou érodées, un écoulement interne aura un effet stabilisateur ou déstabilisateur vis-à-vis du comportement mécanique des matériaux granulaires soumis à l’érosion interne / Dikes are most of the time built of compacted granular materials that are permeable and continuously subjected to internal fluid flows. In some cases, microstructure modifications resulting from internal erosion generate mechanical instability that will lead to unexpected failures in case of serious flooding. This thesis focuses on multi-scale analysis of mechanical instability in granular materials subjected to internal erosion. In this work, the mechanical behavior of such materials is simulated in three dimensions at the scale of representative elementary volumes subjected to different stress states and hydraulic gradients. Thanks to the use of the second order work criterion and micromechanical tools, the mechanical stability of these materials is tested before and after internal erosion. It is established that the micro-inertial origin of the observed instabilities is linked to force chain deconfinement and bending as well as to the development of large plastic strains resulting from force chain collapse. By preventing the development of such plastic strains, it is shown that rattlers contribute to ensure the mechanical stability of granular materials. This key finding is of a particular significance in relation with internal erosion as rattlers can be easily transported under the action of an internal fluid flow. Depending on whether they get clogged or eroded, an internal fluid flow has thus either a stabilizing or a destabilizing effect on the mechanical behavior of granular materials subjected to internal erosion

La modélisation numérique du comportement des matériaux cimentaires sous l’action des sollicitations complexes constitue un point de vue alternatif pour identifier et évaluer les mécanismes internes qui ne peuvent être étudiés directement à travers les essais expérimentaux. A cet effet, le développement des outils de modélisation permettant la prise en compte des interactions entre la microstructure hétérogène de la pâte de ciment et le comportement macroscopique des matériaux cimentaires est fortement apprécié. Une telle approche numérique donne une meilleure description des processus physiques et évite la calibration répétitive des paramètres lorsque la microstructure change.Ce travail de thèse a pour objet de mettre au point une approche de modélisation de l’endommagement des matériaux cimentaires compte tenu des mécanismes physiques qui se produisent à l’échelle microscopique. Dans l’approche proposée, les principes de la construction d’une microstructure virtuelle de la pâte de ciment sont présentés et les paramètres micromécaniques des phases cimentaires sont identifiés. La capacité prédictive de l’approche est testée en comparant les résultats numériques aux résultats des essais expérimentaux réalisés dans ce travail et aux résultats tirés de la littérature. L’application de cette approche est ensuite illustrée à travers des simulations de la pâte de ciment sous fluage et cycles de gel-dégel. Cette approche ouvre la voie à une multitude d’applications, comme l’étude de l’effet du retrait, du fluage, des cycles de gel-dégel, de la fissuration thermique, de l’auto-cicatrisation et de la carbonatation sur les propriétés thermomécaniques des matériaux cimentaires. / Numerical modelling of the constitutivebehaviour of cementitious materials exposed to aggressive environment offers an alternative point of view for the identification and assessment of internal mechanisms which cannot be explicitly explored using standard experimental techniques. In this regard, the development of advanced modelling tools that take into account the interactions between the heterogeneous microstructure of cement paste and the macroscopic behaviour cementitious materials is highly valued. Such modelling approaches give a much better description of the physical processes and avoid recurrent parameter calibration when dealing with a different microstructure.The work presented in this PhD thesis proposes a numerical modelling approach of damage in cement based materials taking heed of the physical mechanics that can only be characterized at the microscopic level. In the proposed approach, the principles of constructing a virtual microstructure of cement paste are laid out and the micromechanical parameters of cement phases are identified. The predictive capacity of the micromechanical approach is put to the test by a comparison of numerical results with experimental data determined in the present study and found in the literature. Finally, the power of the approach is illustrated through simulations of creep and freeze-thaw behaviour at the microscopic scale of cement paste.This approach paves the way for a multitude of applications, such as the study of the effect of shrinkage, creep, freeze-thaw cycles, thermal cracking, self-healing and carbonation on the thermomechanical properties of cement-based materials.

Il y a à l'heure actuelle un grand besoin en systèmes et composants agiles pour les dispositifs front-end RF. Dans cette thèse, deux approches innovantes sont développées pour la conception de tels dispositifs RF. Dans un premier temps, un mécanisme de reconfiguration micro-mécanique est développé. Cette approche vise à contrôler la hauteur d'un gap d'air inséré dans le substrat de composants microrubans afin d'en modifier les dimensions électriques. Les choix de conception et la fabrication d'un déphaseur à ligne micro-ruban ainsi que d'une antenne accordable en fréquence sont discutés. Une solution d'actionnement piézoélectrique basse tension (+/- 30 V) est retenue. La figure de mérite obtenue dans le cas du déphaseur atteint jusqu'à 313 °/dB ce qui dépasse l'état de l'art en matière de déphasage analogique. Dans le cas de l'antenne, le potentiel d'agilité en fréquence atteint 35 % autour d'une fréquence centrale de 55 GHz. Contrairement aux solutions classiques à base de semiconducteurs ou de RF-MEMS, ce mécanisme de reconfiguration n'impacte pas les performances de l'antenne dont l'efficacité de rayonnement est proche de 94 %. Dans un second temps, c'est un mécanisme micro-fluidique qui est étudié. L'agilité en fréquence d'antennes est créée par l'écoulement successif de liquides de permittivités différentes dans des micro-canaux intégrés au substrat. L'accord en fréquence atteint alors la très large ampleur de 51 % pour une fréquence centrale de 22 GHz. Cette étude s'accompagne de la recherche et caractérisation diélectrique de plusieurs fluides dans l'optique d'augmenter aussi bien la plage d'accord en fréquence que les performances de rayonnement des antennes / As wireless networks evolve, the frequency bands they exploit multiply. Frequency multiplexing, beamforming and tracking, networks interoperability, those mutations increase the need for agility and tunability in the RF-front end systems. In this thesis, two innovative approaches for the design of tunable RF components are studied. First, a micro-mechanical reconfiguration mechanism is developed. This approach means to control the height of an air gap within the substrate of microstrip components in order to control their electrical dimensions. Considerations for the design and fabrication of a phase-shifter and a frequency tunable patch antenna are made and a low voltage piezoelectric actuation (+/- 30 V) is chosen. The phase-shifter figure of merit reaches up to 312 °/dB which is beyond the state of the art in terms of analogic phase-shifting. Regarding the antenna, the frequency tuning potentially reaches up to 35 \% of a central frequency of 55 GHz. Unlike the classic solidstate or RF-MEMS based solutions, this reconfiguration mechanism does not impact the radiation performance of the antenna whose radiation efficiency is 94 \%. In a second approach, a micro-fluidic solution is studied. Frequency tuning capability is created in different antennas by the flow of successive liquids with different permittivities in integrated micro-channels. A large frequency tuning of 51 \% for a central frequency of 22 GHz is achieved. This study goes along with the search and characterization of several fluids with the objective of increasing both the frequency shift and the radiation performance of those antennas

Cette thèse est consacrée aux écoulements de grains secs en régime dense. Nous nous restreigons aux géométries de cisaillement simple, sur plan incliné ou en conduite verticale, autorisant l'étude d'écoulement stationnaires et uniformes. Nous mesurons les grandeurs permettant de discuter la loi de comportement : profils de vitesse, de compacité, et distribution des forces de contact.<br />En conduite verticale, le profil de vitesse est mesuré à la paroi par imagerie rapide, et à l'intérieur de l'écoulement par imagerie par résonnance magnétique nucléaire. On met en évidence la localisation du cisaillement près des parois, et l'invariance de la forme du profil de vitesse avec le débit, signe d'un régime d'écoulement quasi-statique. On a aussi étudié l'influence de la rugosité sur le profil des vitesses, et montré le caractère intermittent de ce type d'écoulement.<br />Sur le plan incliné, la simulation numérique discrète (méthode de dynamique des contacts) permet d'étudier des écoulements d'assemblées de disques polydisperses frottants et complètement inélastiques. Nous avons mis en évidence la plage des écoulements stationnaires et uniformes, limité par une épaisseur d'arrêt dépendant de l'inclinaison. Nous avons observé un profil de compacité constante, avec une décroissance de la compacité moyenne lorsque l'inclinaison augmente. Le profil de vitesse est convexe, et montre une zone d'influence du socle sur les dix premières couches et une zone centrale en accord avec la prédiction du modèle de Bagnold. La vitesse moyenne suit une loi d'échelle en accord avec l'observation de Pouliquen. L'étude du réseau de contact met en évidence des anisotropies importantes ainsi qu'une statistique étalée des forces de contacts. Enfin nous avons montré que le tenseur des contraintes se restreint essentiellement à la contribution des forces de contacts, et que la pression est isotrope.<br />Ces observations conduisent à une discussion du rôle relatif des collisions, du frottement, de la compacité, du socle et du réseau de contacts, et une comparaison qualitative des prédictions de plusieurs modèles rhéologiques est proposée. L'analyse micromécanique des problèmes couplés de frottement et rotation permet de comprendre la rotation moyenne des grains, et la réduction notable du frottement effectif entre grains.

Les tubes en alliages de zirconium renfermant le combustible nucléaire des Réacteurs à Eau Pressurisée constituent la première barrière de sécurité vis-à-vis de la dissémination d'éléments radioactifs. Il est donc essentiel de garantir leur tenue mécanique en réacteur. Cette étude a pour objectifs d'une part d'identifier et caractériser les mécanismes de déformation plastique des alliages de zirconium irradiés, d'autre part de modéliser le comportement macroscopique sur la base des mécanismes identifiés. L'analyse expérimentale a mis en évidence que, sur matériau irradié, la déformation plastique se produit par canalisation des dislocations. Cette canalisation a lieu suivant les plans de base, pour des sollicitations de traction sens travers et de pression interne. En revanche, pour la sollicitation de traction axiale, l'étude a révélé que la canalisation se produit dans les plans prismatiques et pyramidaux. L'étude du comportement macroscopique, en lien avec les mécanismes de déformation observés en Microscopie Electronique en Transmission, a suggéré que la contrainte interne est plus élevée dans le cas du matériau irradié que dans le cas du matériau non irradié, du fait du caractère très hétérogène de la déformation. Cette analyse a permis d'interpréter de façon cohérente l'ensemble des caractéristiques du comportement du matériau irradié, en termes de mécanismes de déformation. Le comportement mécanique du matériau irradié a enfin été modélisé en appliquant les méthodes d'homogénéisation des matériaux hétérogènes. Ce modèle permet de reproduire l'ensemble des caractéristiques du comportement mécanique du matériau irradié, en accord avec les observations MET.

La cuve des réacteurs à eau sous pression forme la seconde barrière de confinement de l'assemblage combustible nucléaire. Dans les centrales françaises, elle est constituée d'acier 16MND5 faiblement allié (équivalent de la nuance ASTM A508 Cl.3). Diverses techniques expérimentales (microscopie électronique, diffraction des rayons X etc.) sont mises en oeuvre lors d'essais de tractions in-situ afin de mettre en évidence les hétérogénéités mécaniques apparaissant au sein du matériau. Ces mesures se font en cours de sollicitation pour diverses basses températures [-150°C;-60°C]. Les hétérogénéités mécaniques sont principalement dues aux deux aspects "polycristallins" et "composite"(effet des amas de cémentite) de la microstructure. Des écarts de contraintes résiduelles interphases (jusqu''a 150 MPa en moyenne entre bainite et ferrite), et intraphases (jusqu''a 100 MPa en moyenne par orientation pour la ferrite) sont mis en évidence. Une modélisation complexe est mise en oeuvre afin de représenter le comportement. Elle inclut une loi micromécanique, un modèle de transition d'échelle, et une représentation par éléments finis d'agrégats 3D, le tout associé dans une démarche multi-échelles. L'identification se fait sur le comportement à différentes températures, et permet de reproduire les hétérogénéités de contraintes mises en évidence expérimentalement. Cette modélisation sert de base à l'application déterministe d'un critère local de rupture fragile micromécanique et cristallographique. L'utilisation de divers tirages de répartitions de carbures réalistes permet d'obtenir une probabilité de rupture du volume élémentaire en accord avec les hypothèses formulées par l'approche locale de la rupture. A ceci près que contrairement aux approches habituelles, on ne suppose pas de dépendance de cette probabilité par rapport au chargement ou à la microstructure, celle-ci est naturellement introduite.

L'utilisation potentielle de composites SiC/SiC comme matériau de gainage dans des réacteurs nucléaires du futur nécessite de comprendre et prévoir leur comportement mécanique complexe, mêlant endommagement et forte anisotropie. Dans le cadre d'une approche multi-échelle, les travaux présentés concernent l'étude du premier changement d'échelle : de l'échelle des constituants élémentaires à celle du toron. Des approches micromécaniques sont mises en œuvre afin de décrire le comportement macroscopique du toron en tenant compte des hétérogénéités de microstructure ainsi que des mécanismes d'endommagement activés à l'échelle locale. Une caractérisation microstructurale fine du toron permet de générer une microstructure virtuelle et d'en étudier la réponse élastique par homogénéisation numérique. En plus d'aborder la notion de VER mécanique, cette étude met en évidence les effets importants de la porosité résiduelle, issue du procédé d'infiltration de la matrice, sur le comportement transverse du toron. L'endommagement longitudinal est étudié par l'intermédiaire de minicomposites, dont l'évolution microscopique des mécanismes d'endommagement (fissures matricielles et ruptures de fibre) est analysée expérimentalement (essais in-situ MEB et tomographie). Cette caractérisation permet notamment d'identifier les paramètres interfaciaux d'un modèle statistique d'endommagement 1D. Si les hypothèses classiques permettent de bien décrire la fissuration matricielle aux deux échelles d'observation, il est nécessaire de les modifier pour obtenir un comportement à rupture correct.

Ce mémoire présente l'étude expérimentale et la modélisation à l'échelle microscopique du comportement hydromécanique des argilites, roche hôte potentielle pour le stockage souterrain des déchets radioactifs. Le champ de déformation est mesuré par microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. En premier lieu, on étudie le cas du chargement hydrique pur. Le champ de déformation obtenu est très hétérogène, et montre une anisotropie. La non-linéarité de déformation pour HR élevée est le résultat combiné d'une fissuration et d'un gonflement non-linéaire de la phase argileuse dû à des mécanismes différents selon humidité relative (HR). On constate une déformation irréversible lors d'un cycle hydrique, ainsi qu'un réseau de microfissures localisées dans la phase argileuse ou aux interfaces grain-matrice. Ensuite, on étudie le cas du chargement combiné hydrique et mécanique dans le MEBE. Trois types de bandes de déformation apparaissent au cours du chargement mécanique : horizontales (compaction), verticales (fissuration), et inclinées (cisaillement). Les bandes de cisaillement apparaissent plus tôt à HR plus élevée. Finalement, le matériau sous chargement hydrique est modélisé comme un composite constitué par de inclusions non gonflantes au sein d'une matrice gonflante. On calcule d'abord le champ de contrainte interne dû aux interactions inclusion-matrice ainsi qu'au gradient d'humidité, et ensuite la déformation globale. On en dérive un modèle micromécanique du type du problème d'Eshelby. De plus, des modélisations 2D aux éléments finis sont effectuées.

Cette thèse apporte une contribution à l'analyse des effets d'anisotropie dans la détermination des propriétés poroélastiques des roches poreuses. Après une étude bibliographique, l'influence de la forme et de la distribution en orientation des pores sur l'anisotropie des roches a été étudiée. Le schéma d'estimation pris en compte est celui de Mori-Tanaka.<br /><br />En utilisant la solution analytique d'une inclusion sphérique isolée dans une matrice isotrope transverse infinie, l'estimation des coefficients poroélastiques effectifs des matériaux hétérogènes de type roches-composites a été réalisée.<br /><br />Par la suite, on s'intéresse à la prise en compte des inclusions sphéroidales dont l'orientation ne coïncide pas avec l'axe d'orthotropie de révolution de la matrice. On propose une approche d'intégration numérique basée sur la fonction de Green. L'intégration numérique sur la sphère unité est réalisée à l'aide d'une méthode de Gauss dont la précision est discutée. L'outil numérique développé est appliqué à une roche poreuse en considérant un schéma d'homogénéisation en deux étapes et differentes fonctions de distribution d'orientation. Les résultats obtenus mettent en évidence les influences respectives des anisotropies de matrice et de l'espace poreux.

Ce travail porte sur l'incorporation de nanorenforts biosourcés, c'est-à-dire des nanofibrilles de cellulose (NFC), dans les matériaux composites à matrice polymère et les mousses. Ces nouveaux matériaux biosourcés peuvent par exemple être utilisés pour la conception de structures sandwich. L'étude à caractère expérimental, théorique et numérique s'articule autour de trois axes visant à optimiser tant les procédés d'élaboration que les propriétés en service de ces matériaux.Dans un premier temps, la rhéologie des suspensions concentrées de NFC, fluides à seuil thixotropes, a été étudiée aux échelles macro- et mésoscopiques en utilisant un dispositif original de rhéométrie couplé à des mesures de champs cinématiques par vélocimétrie ultra-sonore. Nous montrons ainsi que l'écoulement des suspensions de NFC est fortement hétéro-gène et présente des glissements aux parois, de multiples bandes de cisaillement couplés avec des écoulements de type « bouchon ». Sur la base de cette étude, un modèle rhéolo-gique multi-échelles est proposé. Ce modèle tient compte d'une part de l'architecture aniso-trope des réseaux connectés de NFC dans ces suspensions, et d'autre part des interactions mécaniques et physico-chimiques aux échelles nanométriques. Il permet de montrer que les interactions colloïdales et hydrodynamiques, ainsi que la tortuosité et l'orientation des NFC jouent un rôle majeur sur la contrainte seuil et sur le comportement rhéofluidifiant de ces suspensions.Dans un deuxième temps, des nanocomposites à matrice polymère ont été élaborés sous forme de films en faisant varier sur une très grande plage la fraction volumique de NFC. En utilisant d'une part des techniques de microscopie (AFM, MEB) et de diffraction aux rayons X, et d'autre part des essais mécaniques (traction, DMA) nous montrons (i) que les NFC ont une orientation plane et s'organisent en réseaux connectés par des liaisons hydro-gènes, (ii) que ces réseaux jouent un rôle majeur sur le comportement mécanique des nano-composites et (iii) que le comportement élastique des nanocomposites est bien en deçà des prévisions données par les modèles micromécaniques de la littérature. De là, nous proposons un modèle multi-échelles alternatif où les principaux nano-mécanismes de déformation sont ceux se produisant dans les parties amorphes des NFC et au niveau des très nombreuses interfaces entre NFC.Enfin, nous avons étudié l'influence des conditions d'élaboration, de la nature et de la con-centration des NFC sur les microstructures (microtomographie synchrotron à rayons X), les propriétés mécaniques (essais de compression) et les micro-mécanismes de déformation (essai in situ en microtomographie) de mousses préparées par cryodessiccation de suspensions aqueuses de NFC. / This study focuses on the use of cellulose nanofibrils (NFCs) as bio-based nano-reinforcement in polymer composites and foams. These renewable materials can be used in place of traditional materials such as for instance to produce sandwich panels. This experi-mental, theoretical and numerical work aims at optimizing the processing of these NFC-based materials as well as their use properties.In the first part of this work, the rheology of concentrated NFC suspensions, that behave as thixotropic yield stress fluids, is investigated at macro- and mesoscales using an original rheo-ultrasonic velocimetry (rheo-USV) setup allowing the local flow kinematic to be obtai-ned. We show that the flow of NFC suspensions is highly heterogeneous and exhibits com-plex situations with the coexistence of wall slippage, multiple shear bands and plug-like flow bands. Using this experimental database, we develop an original multiscale rheological model for the prediction of the rheology of NFC suspensions. The model takes into account the anisotropic fibrous nature of NFC networks as well as colloidal and mechanical interaction forces occurring at the nanoscale. The model predictions prove that colloidal and hydrody-namic interaction forces together with the orientation and the wavy nature of NFCs play a major role on the yield stress and shear thinning behaviour of the suspensions.In the second part of this work, NFC-reinforced polymer nanocomposite films are processed for a wide range of NFC contents. Using advanced microscopy techniques (AFM, SEM), X-ray diffraction and mechanical tests (tensile and DMA tests), we show (i) that NFCs form highly connected nanofibrous structures with in-plane random orientation, (ii) that these connected NFC networks play a leading role on the mechanical behaviour of the nanocompo-sites and (iii) that the elastic properties of nanocomposite films are much lower than those predicted from the micromechanical models of the literature. In light of these observations, we propose an alternative multiscale model in which the main involved deformation nano-mechanisms are those occurring both in the amorphous segments of the nanofibers and in the numerous nanofiber-nanofiber contact zones.Finally, in a third part we focus on the influence of the processing conditions, the suspension type and the NFC concentration on the microstructure (using X-ray synchrotron microto-mography), the mechanical properties (using compression tests) and the deformation micro-mechanisms (using in situ compression test with X-ray microtomography) of various foams prepared from NFC suspensions by freeze-drying.