Les matériaux cellulaires telles que les mousses polymériques sont souvent employés dans des applications de protection et de sécurité passive grâce à leur grande capacité spécifique d'absorption d'énergie et leur facilité de mise en oeuvre. Afin d'optimiser l'utilisation de ces matériaux, il est nécessaire de fournir des données fiables aux codes de calculs numériques pour simuler le comportement de ces matériaux notamment dans des conditions de crash. Il est donc indispensable de caractériser expérimentalement le comportement de ces matériaux au plus proche des conditions réelles qu'ils peuvent subir, tel que des chargement de type impact, à commencer par ceux que l'on peut reproduire objectivement en laboratoire. Ainsi, une barre d'Hopkinson viscoélastique de compression a été développée pour atteindre des grandes vitesses de déformation (de 1000 à 3000 s^(-1), et une roue à grande inertie pour des chargement à des vitesses de déformation moindres (de 100 à 500 s^(-1) . L'emploie de ces dispositifs a permis de montrer la sensibilité de ces matériaux à la vitesse de déformation et à la densité sur leur phase de comportement plateau. Puis, ces mêmes essais réalisés dans de l'eau ont mis en évidence l'importance que prend le gaz contenu dans les cellules lors de sollicitations de compression dynamiques. Enfin, une modélisation par éléments discrets a été mise en oeuvre afin de modéliser le comportement de ces matériaux à l'échelle microscopique. Cette approche "discrète" a permis de mieux appréhender les phénomènes qui régissent le comportement de ces matériaux lors de leur compression. Les premiers résultats issus de ces simulations ont mis en évidence les principaux mécanismes responsable de la localisation des déformation lors de leur compression et ont permis d'identifier qualitativement le rôle de la microstructure sur le comportement de ces matériaux.

Une approache combinant la méthode des élements discrets (DEM) et expériences techniques (essai oedométrique et microtomographie aux rayons X (XRCT)) est proposée pour observer le comportement mécanique des matériaux granulaires mouillés (des billes de verre mouillées) en état très lâche sous le chargement extérieur. Une observation expérimentale combinant l'essai oedométrique et XRCT est premièrement présentée. La réponse plastique du materiau réel (des billes de verre) est illustrée avec des certaines valeurs de densité initiale très faible. Le comportement à l'échelle du grain de ce matériau est puis caractérisé en utilisant à l'aide de microtomographie aux rayons X et d'essais mécaniques in-situ. Une méthode pour détecter des structures sphériques qui ont obtenu depuis des images de la tomographie est proposée. Ensuite, les propriétés micro-structurales sont analysées et calculées avec les données des sphères détectés. Ce matériau simplifié donne une meilleure compréhension du comportement à macro-échelle des sols granulaires mouillés basée sur leur caractérisation micro-structurale. La simulation numérique a permis de prévoir précisément en 3D la réponse plastique d'assemblages très lâches de billes de verre modélisé soumis à une compression isotrope/ oedométrique. Ce maériau a été préparé avec la présence d'une petite quantité d'un liquide interstitiel qui contrôle à capillaire ménisque and des forces attractives. Les réponses plastiques le long des courbes de compression sont présentées dans les cas avec et sans des résistance au roulement/ pivotement en contacts. L'effet du grain polydispersité en taille a aussi mentionné. L'évaluation de la microstructure et transmission de force le long de la courve de compression est également caractérisé. Finalement, nous comparons les prévisions des résultats expérimentals avec ceux de la simulation numérique. Nos comparaisons montrent que les prévisions de l'expérience sont sous-estimées pour celles de la DEM. Néanmoins, cette approache dans ce travail également fournit une caractérisation complète de la réponse plastique et du comportement à l'échelle du grain de sol granulaire mouillé à l'état très lâche / An approach combining the Discrete Element Method (DEM) and experimental techniques (oedometric compression test and X-ray Computed Tomography (XRCT)) is proposed to observe the mechanical behavior of wet granular material, modeled as frictional spherical glass beads, in very loose state under growing of applied external force. An experimental observation combining one-dimensional compression test and XRCT is first presented. The plastic responses of real material (spherical glass beads) are depicted with different values of very low initial densities. The grain-scale behavior of this material is then characterized by using the XRCT and in-situ compaction test. We propose a method to detect the spherical structures from the 3D tomography images. Microstructure properties of the loose system are then analyzed and computed from the detected spherical structures. This simplified material gives further a better understanding of the macroscale behavior of wet granular soils based on their microstructure characterization. The DEM simulation then allowed us to predict accurately in 3D the plastic response of very loose assemblies of modeled wet beads to an isotropic/ oedometric compression in the presence of a small amount of an interstitial liquid, which gives rise to capillary menisci and attractive forces. The plastic responses along the compression curves are then shown in particular without and with the appearance of rolling/ pivoting resistances in contacts and also the effect of size polydispersity. The evaluation of microstructure and force transmission along the compression curve is also characterized. Finally, we compare the predictions of the experimental results with the DEM simulations results. Our comparisons show that the predictions of experiments are underestimated for the DEM simulations. Nevertheless, the combined approach in this work also provides an comprehensive characterization of the plastic and grain-scale compression behavior of wet granular soil at very loose state

Par le caractère hétérogène des sols présents en surface, le dimensionnement et la construction de fondations demandent une bonne connaissance du comportement mécanique du sol et de sa variabilité spatiale. Les essais in-situ constituent dans ce domaine des outils précieux et parmi eux, les plus couramment utilisés à travers le monde, les pénétromètres dynamiques représentent une part prépondérante. Toutefois, ils ne permettent d'obtenir que quelques informations sur le sol, plus particulièrement la résistance de pointe. Par ailleurs, la réduction importante en taille et en coût des capteurs et de l'instrumentation associée permet à l'heure actuelle de mesurer des phénomènes physiques ayant lieu dans des conditions de travail singulières, inconcevables il y a quelques années. C'est dans cette esprit qu'a été développé ce travail à partir de l'essai de pénétration dynamique Panda. L'objectif de ce travail étant de concevoir et de développer de manière simple et économique un pénétromètre dynamique équipé de différents capteurs permettant d'une part d'obtenir la résistance de pointe et d'autre part de déterminer des paramètres supplémentaires gouvernant le comportement en déformation du sol mis en jeu pendant l'enfoncement du cône. Pour ce faire nous avons retenu une méthodologie de travail pluridisciplinaire : analytique, expérimentale et numérique MED.

L’estimation de la durée de vie et de la rupture de structures composées par des matériaux quasi-fragiles nécessite le développement de nouveaux modèles théoriques et numériques. Dans ce travail, la modélisation de l’apparition des fissures et leur propagation en chargement monotone est d'abord étudiée. Un modèle d'effet de taille pour les structures fissurées et sa forme généralisée pour les structures présentant des défauts plus complexes qu’une fissure sont développés. Les prédictions du modèle de rupture sont comparées à des résultats expérimentaux de la littérature pour divers spécimens composés de différents matériaux et de différentes tailles. Des échantillons présentant des défauts initiaux en forme de V et en forme de trou illustrent les capacités de la formulation. Ensuite, l’endommagement et la fissuration induite par des chargements cycliques en fatigue sont discutés. Un modèle local en éléments discrets est développé, qui permet de coupler les deux mécanismes (endommagement et fissuration). Les prédictions numériques sont comparées aux résultats théoriques et expérimentaux. À la fin, les applications associées au comportement du béton bitumineux renforcé par des grilles en fibres de verres sont analysées en détail. / The prediction of the fatigue life and the rupture of structures made of quasi-brittle materials requires the development of new theoretical and numerical models. In this work, the modelling of the crack initiation and propagation under monotonic loading is firstly investigated. A size effect model for cracked structures and its generalized form for structures with defects more complex than a crack are developed. The predictions of the proposed model are compared with experimental results from the literature for various specimens of different materials and sizes. Samples with initial V-shaped and hole-shaped defects exemplify the formulation's capabilities. Then, the damage and cracking induced by cyclic fatigue loads is discussed. A local model using discrete elements is developed, that allows the coupling of two mechanisms (damage and fatigue cracking). The numerical results are compared to those of experimental bending fatigue tests. Finally, applications associated with the behavior of fiber glass reinforced asphalt concrete are analyzed in detail.

La prédiction de trajectoire de bloc et la conception de structures de protection sont deux des questions principales de l'ingénierie des chutes de pierres. La prédiction de la trajectoire d'un bloc dépend en grande partie des rebonds de ce bloc tandis que la conception de structures de protection, comme des remblais, est étroitement liée à la force d'impact sur le bloc.En se basant sur ce contexte, la thèse traite aussi bien de l'interaction entre un bloc et un milieu granulaire que des rebonds d'un bloc sur un milieu granulaire, en utilisant une modélisation numérique par la méthode des éléments discrets. L'objectif de la thèse est d'identifier et de mesurer les mécanismes qui contrôlent le rebond du bloc et le transfert de charge à l'intérieur du milieu impacté. Le contenu principal comprend trois parties: la modélisation DEM du processus d'impact, le rebond du bloc et le comportement micromécanique du milieu impacté.La loi de contact classique est utilisée pour modéliser le processus d'impact. Elle est mise en œuvre avec une résistance aux roulements pour considérer les effets de forme des particules et est calibrée par des tests triaxiaux quasi-statiques. Le bloc est modélisé par une sphère avec une vitesse d'incident tandis que le milieu est modélisé par un assemblage de particules sphériques poly-dispersées. La modélisation numérique de l'impact est validé en termes de force d'impact, de durée d'impact et de profondeur de pénétration par des expériences de la littérature.Le rebond du bloc et le processus de propagation d'énergie à l'intérieur du milieu impacté sont examinés ensemble. La résistance du milieu pendant l'impact est représentée par l'énergie de tension élastique. La résistance du milieu n'est pas constante car l'augmentation d'énergie de tension élastique est suivie par l'augmentation d'énergie cinétique, la dissipation d'énergie et par la diminution du nombre de coordination. L'occurrence du rebond du bloc obtenue avec des simulations 3D montre que trois régimes d'impact existent, ce qui est en accord avec les résultats de citet{Bourrier_2008}. De plus, la comparaison entre les diagrammes d'occurrence de rebond 2D et 3D montre que les positions et les formes des diagrammes d'occurrence de rebond changent en raison de résistances et de dissipations d'énergie différentes. En se basant sur les deux aspects de l'étude, la relation entre le rebond du bloc et la propagation d'énergie à l'intérieur du milieu est discutée.Le comportement micromécanique du système impacté est examiné en se focalisant sur les mécanismes des chaînes de force. Le réseau de chaînes de force dans le milieu impacté est caractérisé à partir des tensions entre les particules. L'objectif est d'identifier le rôle des chaînes de force dans la force d'impact sur le bloc et dans la microstructure du milieu. En étudiant la force d'impact sur le bloc avec des impacts sur des échantillons de grains de tailles différentes montre que l'échantillon composé de grands grains a une plus grande force d'impact, des chaînes de force plus longues comparées à l'épaisseur du milieu ainsi qu'un grand pourcentage de chaînes de force avec une longue durée de vie. De plus, l'étude de la distribution spatiale et temporelle des chaînes de force montre que la résistance du milieu pendant l'impact est portée par les particules des chaînes situées entre le bloc et la base du milieu impacté et que la propagation des chaînes de force dans la direction latérale joue un rôle secondaire. Enfin, l'étude des mécanismes du flambage des chaînes de force indique que, provoqués par les mouvements entre les particules de la chaîne, l'augmentation de nombre de flambages est liée à la diminution de la force d'impact sur le bloc ainsi qu'à l'augmentation de l'énergie cinétique et de la dissipation d'énergie à l'intérieur du milieu. / The prediction of boulder trajectory and the design of protection structures are particularly two main interests of rockfall engineering. The prediction of boulder trajectory largely depends on the bouncing of the boulder, and the design of protection structures, such as embankments, are closely related to the impact force on the boulder.Based on this background, the thesis deals with the interaction between a boulder and a granular medium as well as the bouncing of a boulder on a granular medium, through numerical modelling based on discrete element method. The objective of the thesis is to identify and quantify the mechanisms that governs the bouncing of boulder and the load transfer inside the impacted medium. The main contents include three parts: DEM modelling of the impact process, global bouncing of the boulder and micromechanical behaviour of the impacted medium.The classical contact law implemented with rolling resistance to consider particle shape effects calibrated based on quasi-static triaxial tests is used to model the dynamic impact process. The boulder is modelled as a single sphere with an incident velocity, the medium is modelled as an assembly composed of poly-disperse spherical particles. The numerical impact modelling is validated in terms of impact force, impact duration, penetration depth by experiments from literature.Bouncing of the boulder is investigated together with the energy propagation process inside the impacted medium. The strength of the medium during impact is represented by elastic strain energy, while the strength of the medium is not persistent since the increase of elastic strain energy is followed by the increase of kinetic energy and energy dissipation, as well as the decrease of the coordination number. Boulder's bouncing occurrence obtained based on 3D simulations shows that three impact regimes exist, which is consistent with the results of citet{Bourrier_2008}. In addition, comparison between 2D and 3D bouncing occurrence diagrams shows that the positions and shapes of bouncing occurrence diagrams shift due to the different strength and energy dissipation properties. Based on the two aspects of investigations, the relation between the bouncing of the boulder and the energy propagation inside the medium is discussed.The micromechanical behaviour of the impacted system is investigated by focusing on force chain mechanisms. The force chain network in the impacted medium is characterized based on particle stress information. The aim is to find the role of force chains in the strength and the microstructure of the medium. Investigations of the impact force on the boulder by impacting samples composed of different grain sizes shows that sample composed of big grains resulting in a larger impact force, longer force chains compared with the medium thickness, and large percentage of long age force chains. In addition, the spatial and temporal distribution of force chains are investigated and the results show that the strength of the medium under impact is built by chain particles located between the boulder and the bottom boundary, and the force chain propagation in the lateral direction of the medium plays a secondary role. Moreover, the investigation of force chain buckling mechanisms indicates that, triggered by the relative movements between the chain particles, the increase of buckling number is related to the decrease of impact force on the boulder as well as the increase of kinetic energy and energy dissipation inside the medium.

Les risques naturels tels que les laves torrentielles constituent des menaces réelles pourles zones urbanisées de montagne. Les bâtiments et infrastructures peuvent être exposésà de grandes forces d’impact en cas d’évènement extrême. La réduction de cette menace,par des ouvrages de protection, impose de quantifier l’impact de ces écoulements sur lesstructures, qu’elles soient flexibles ou rigides.Tout d’abord, un écoulement granulaire sec, composé de particules non-sphériquesglissant sur un plan incliné, est modélisé en utilisant une loi de contact visco-élastiqueavec critère de rupture de Mohr-Coulomb. Des données expérimentales de la littératureont été utilisé pour calibrer et valider le modèle. À cette fin, la forme de la particule,l’épaisseur de l’écoulement et la forme finale du dépôt sur le mur sont considerés. Lavalidation est basée sur l’impact sur un mur rigide divisé en six segments. La principalecontribution de la force totale normale appliquée sur le mur est due à la composantedynamiques. La distribution hétérogène de la force normale sur chaque partie du murest due au développement des chaînes de force différent pour chaque arrangement desparticules.Ensuite, un filet est modélisé en utilisant des éléments cylindriques. L’impact sur lefilet est modélisé en utilisant le même modèle d’écoulement que précédemment. Le rôledes dissipateurs d’énergie apparaît essentiel pour réduire la force d’impact sur le filet etlimiter la force appliquée sur les points d’ancrage latéraux.Pour la première fois, des simulations montrent que pour un même écoulementgranulaire la force d’impact est plus élevée pour un obstacle rigide, avec une différencede 50% par rapport à un obstacle flexible. les simulations permettent de définir quelquesrecommandation pour le dimensionnement des filets. Il est constaté que l’utilisationviiid’un maillage de filet plus petit que D90 de l’écoulement est acceptable en termes decapacité à retenir les matériaux en écoulement. En plus, si le câble en bas du filet n’estpas fixé, le filet pourrait perdre totalement sa capacité de retenue. / Natural hazards such as debris flows are real threat to the urbanization of mountainousareas. Local communities and infrastructures can be exposed to large impact forces inextreme debris events. Mitigation of such threats requires, along other measures, theestimation of the impact of such flows on protection structures (rigid walls and flexiblebarriers). In this thesis, Discrete Element Method (DEM) is used to model the granularflow, the rigid walls and flexible barriers.First, a dry granular flow made of non-spherical particles flowing in inclined plane ismodeled using a visco-elastic contact law with Mohr-Coulomb failure criterion. Experimentaldata from the literature is used to calibrate and validate the model. The modelis calibrated based on the shape of the particle, the flow thickness and the final shapeof the deposit on the wall. Validation procedure is based on the impact on a rigid walldivided into six segments. The main contribution of total normal force applied on thewall is found to be due to the dynamic component. On the micro-scale, development offorce chains is believed to cause heterogeneous distribution of normal force on each partof the wall, for multiple same-test conditions.Next, a flexible barrier is modeled using cylindrical elements. The impact on thebarrier is modeled using the same flow model used for wall-impact problem. The use ofenergy dissipators is found to be essential for minimizing the impact force on the barrier,and thus controlling the force applied on the lateral anchors.By comparing a rigid wall and a flexible barrier for the same flow, we found thatthe rigid wall is exposed to higher impact force, due its high global stiffness comparedwith the flexible barrier. Next, different simulations are carried out to recommend designguidelines for the flexible barrier. It is found that using a mesh size as large as D90 of theviflow is acceptable in terms of mass retaining capacity. In addition, not fixing the bottomcable of flexible barriers might lead to the total loss of its retaining capacity in extremeevents.