La détermination de la vitesse de propagation des ondes de cisaillement (Vs) dans un sol est fondamentale dans tous les problèmes en dynamique des sols. Plusieurs techniques permettent la mesure de Vs dans les sols. En effet, le paramètre Vs permet la caractérisation et l'évaluation du potentiel de liquéfaction des sols granulaires. Cependant, indépendamment de la technique de mesures utilisées, plusieurs valeurs de Vs peuvent être obtenues. Cette diversification peut se justifier par plusieurs facteurs, notamment la granulométrie. D'où cette étude qui porte sur l'influence de la granulométrie sur la vitesse des ondes de cisaillement des sols granulaires. Dans ce mémoire de maîtrise, l'effet des éléments caractéristiques des sols granulaires (D[indice inférieur 50], e, Cu, [sigma][indice inférieur m]) sur la vitesse des ondes de cisaillement est étudié. Quatre types de sols granulaires ayant des propriétés granulométriques différentes sont considérés. Il s'agit de : (1) Le sable d'Ottawa (C-190) (D[indice inférieur 50] = 0,37 mm et Cu=1,96), (2) Le sable de Milby qui est un sable très fin ((D[indice inférieur 50] = 0,247 mm et Cu= 3,2), (3) Le sable Eastman (D[indice inférieur 50] = 0,6 mm et Cu = 11,05) et (4) Le Till Eastman (D[indice inférieur 50] = 0,1 mm et Cu = 22). Les essais en laboratoire ont été réalisés sur une cellule oedométrique équipée d'un dispositif d'anneau piézoélectrique qui permet de déterminer à la fois la valeur le module oedométique (Eoed) à partir de la cellule et la mesure de Vs à partir de l'essai ring actuator développé à l'université de Sherbrooke. Il ressort de cette étude que la vitesse des ondes de cisaillement augmente avec l'augmentation du D[indice inférieur 50]. De plus, cette étude révèle qu'il existe une corrélation directe entre le module oedométrique et le module de cisaillement Gmax. Cette corrélation peut se traduire par une fonction de la forme de la forme Eoed / Gmax = f([sigma]).

La caractérisation des matériaux cimentaires au cours du temps est essentielle pour le bon achèvement et le contrôle des constructions de tous genres, afin de prévenir les dégradations et éviter les ruines d’ouvrage. Ce projet de recherche propose l’utilisation des ondes de cisaillement pour mieux caractériser des propriétés physiques et mécaniques de ces matériaux telles que le temps de prise, le module de cisaillement et la ségrégation. Les ondes de cisaillement sont générées par la récente technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT). Cette technique développée à l’université de Sherbrooke, est initialement destinée pour estimer le module de cisaillement des sols à partir de la vitesse des ondes de cisaillement. Le P-RAT a été récemment appliqué sur les pâtes de ciment et les mortiers pour déterminer le temps de prise initiale et finale à partir de la dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement. L’objectif de cette thèse est d’étendre et d’approfondir l’étude de faisabilité du P-RAT en tant que technique non destructive pour la caractérisation physique et mécanique des pâtes de ciment, des mortiers et des bétons et de valider son applicabilité pour une éventuelle utilisation in-situ. Nous avons étudié plusieurs aspects de traitement de signal, dans le domaine temporel et fréquentiel, pour extraire l’information utile à la caractérisation des matériaux cimentaires à partir des ondes de cisaillement. La relation entre la variation du contenu fréquentiel et le temps de prise initiale et finale des pâtes de ciment et des mortiers a été décelée. La méthode fréquentielle proposée dans ce projet est plus rapide que celle de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement et ne requiert pas une expertise dans le domaine de traitement du signal pour l’exécuter. Les essais au laboratoire ont démontré la performance du dispositif formé de deux capteurs P-RAT de diamètre externe de 16 mm, montés de part et d’autre sur les deux bornes d’un étau de serrage, à mesurer le module de cisaillement de 1 jour à 56 jours. Un modèle de régression linéaire multiple a été développé pour estimer la résistance à la compression à partir du module de cisaillement. En plus, une relation empirique a été obtenue entre le module de cisaillement à 24 h et le module d’élasticité statique à 28 jours qui permet la prédiction de ce dernier dès le jeune âge. La faisabilité de P-RAT pour la caractérisation des propriétés physiques des bétons, notamment le temps de prise et la ségrégation, a nécessité au préalable une étude de l’effet des dimensions des capteurs P-RAT sur la qualité des signaux reçus. Une étude comparative a été menée avec trois capteurs de diamètres différents (16 mm, 22 mm et 35 mm). Cette étude a permis d’identifier la dimension du capteur la plus appropriée pour les bétons. Les résultats ont démontré l’intérêt d’utiliser des gros capteurs de 35 mm de diamètre externe pour obtenir des signaux plus clairs avec un faible rapport bruit/signal. La méthode pic à pic s’est avérée adéquate pour déterminer le temps d’arrivée des ondes de cisaillement et calculer leur vitesse. Le temps de prise des bétons, déterminé avec la méthode de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement, survient plus tôt que celui des bétons tamisés, déterminé à l’aide de l’essai de la résistance à la pénétration. La présence de gros granulats dans le béton favorise la connectivité entre les différentes particules ce qui permet un développement rapide de sa rigidité qui affecte la vitesse des ondes de cisaillement. Finalement, l’étude de la ségrégation de huit bétons autoplaçants avec différents degrés de stabilité a été effectuée avec le P-RAT. L’indice de ségrégation a été déterminé à partir de la variation de la vitesse des ondes de cisaillement à trois hauteurs différentes dans une colonne de béton coulé de 450 mm de hauteur totale. Les résultats montrent que le P-RAT est capable d’évaluer la stabilité des bétons fluides à 10 h et à 24 h après le contact eau-ciment. Les bétons avec un indice de ségrégation à 24 h supérieur ou égal à 0,95 sont considérés comme des bétons très stables. Cette valeur critique correspond à l’indice de ségrégation de 5 % calculé avec la méthode de la colonne de ségrégation appliquée sur le béton frais.

Les réponses des sols aux diverses sollicitations qu'ils subissent à l'état naturel sur site sont multiples et dépendent de nombreux facteurs tel que leur nature, le domaine de sollicitation, la présence d'eau et plusieurs autres facteurs (état de contrainte, présence de cavités, etc.). La connaissance du domaine des petites et moyennes déformations pour le dimensionnement de nombreux ouvrages sur des dépôts de sols argileux ou sableux est d'une grande importance. La détermination des propriétés mécaniques des sols dans le domaine des petites déformations est néanmoins importante dans plusieurs applications en géotechnique. Le besoin de déterminer le module de cisaillement des sols à faibles déformations a conduit au développement de différents outils d'investigation.Les outils non intrusifs basés sur la propagation des ondes de surface permettent de s'affranchir des problèmes de remaniement du sol et la détermination des paramètres fondamentaux (G[indice inférieur max]) du sol dans leur vrai état des contraintes. L'étude menée dans ce travail se résume essentiellement en deux volets. Une présentation détaillée, des différentes méthodes et techniques qui déterminent la vitesse d'onde de cisaillement V[indice inférieur s] lors de la caractérisation des sols, est faite en premier stade. On se focalise à décrire le dispositif des bilames piézo-électriques (utilités, avantages et limitations). En second volet, on se consacre sur la caractérisation des sols granulaires au moyen de V[indice inférieur s]. Des simulations numériques illustrées par des essais aux laboratoires sur un modèle simplifié de la cellule oedométrique équipée du dispositif des anneaux piézo-électriques, ont été dirigés. En considérant trois sols pulvérulents de différentes propriétés granulométriques, on a pu voir les difficultés d'interprétation des résultats suivant les méthodes directes dans le domaine temporel. Alors que, des résultats traités dans le domaine fréquentiel se sont avérés plus réalistes.

Le globule rouge a une grande faculté à se déformer, notamment lorsqu?il traverse des capillaires dont le diamètre peut être inférieur au sien. Cette résistance au cisaillement est attribuée à sa membrane particulière. Celle-ci est constituée d?une bicouche lipidique sur laquelle est fixé un réseau bidimensionnelle de protéines : le squelette. Ce squelette est principalement constitué de longs filaments de spectrine (~200 nm) reliés entre eux et à la bicouche lipidique par des complexes de jonction. Dans la première partie de ce travail, nous avons mesuré le module de cisaillement µ de la membrane (bicouche lipidique + squelette) à l?aide de deux pinces optiques. Deux billes de silice attachées à la membrane sont utilisées pour lui appliquer des forces connues. Le module de cisaillement est déduit de la déformation mesurée en fonction de la contrainte appliquée. Nous avons trouvé µ = 2.5 +/- 0.4 µN/m, valeur du même ordre de grandeur, mais inférieure, à celles obtenues par d?autres techniques. Dans une seconde partie, nous mesurons les modules d?extension KC et de cisaillement µC du squelette seul. Un globule rouge avec trois billes un piégé, et une solution de détergent est injectée afin de dissoudre la bicouche lipidique. Le squelette reste attaché aux billes et il est ensuite déformé en déplaçant les billes les unes par rapport aux autres. Les modules élastiques sont déduits de la mesure des contraintes et des déformations. Nous trouvons KC = 4.8 +/- 2.7 µN/m et µC = 2.4 +/- 0.7 µN/m dans une solution d?osmolarité égale à 25 mOsm/kg. De ces mesures, nous pouvons déduire la longueur de persistance de la spectrine, ici 5 nm. Ces valeurs sont en bon accord avec des prédictions théoriques et numériques réalisées sur des réseaux bidimensionnels de ressorts. L?influence de la force ionique et du vieillissement du squelette après l?extraction sont étudiés dans la dernière partie.

L'utilisation intensive du sous-sol urbain et l'évolution des règlements rendent nécessaire de développer de nouveaux outils pour calculer les déplacements induits par un ouvrage au cours de sa construction et lors de sa mise en service. Les performances des méthodes de calcul actuelles restent largement insuffisantes, parce qu'elles ont été développées principalement pour l'analyse des ouvrages vis-à-vis de la rupture, de sorte que le comportement des sols aux faibles niveaux de déformation n'est pas représenté de manière réaliste. Le module de cisaillement des sols varie très fortement entre le domaine des très petites déformations et celui des déformations qui se produisent au voisinage des ouvrages géotechniques lors de leur construction. L'expérience montre qu'on ne parvient pas à estimer correctement les déplacements des ouvrages sans prendre en compte ces variations. A partir d'une étude bibliographique sur les modèles de comportement élastoplastiques à élasticité non linéaire, on a choisi un modèle de comportement comportant peu de paramètres mais susceptible d'améliorer substantiellement les résultats des calculs en déplacement des ouvrages géotechniques. Il s'agit d'une version légèrement modifiée du modèle de comportement proposé par Fahey et Carter (1993) couplée à un critère de plasticité de Mohr-Coulomb. La principale caractéristique du modèle de Fahey et Carter réside dans le fait que le module de cisaillement augmente avec la contrainte moyenne et diminue avec la contrainte de cisaillement. Le modèle retenu a été implanté dans le code de calcul par éléments finis CESAR-LCPC et l'identification de ses paramètres à partir des essais classiques de mécaniques des sols constitue une préoccupation importante de ce travail. Le modèle a été testé en modélisant un certain nombre d'ouvrages réels pour lesquels on dispose à la fois de données de sol et de mesures de déplacements et d'efforts suffisantes. Les premiers exemples de mise en oeuvre du modèle confirment l'intérêt d'utiliser une loi de comportement plus complexe pour reproduire le comportement réel des ouvrages. Le travail réalisé constitue aussi une contribution à l'amélioration des fonctionnalités de CESAR-LCPC.

Les projets géotechniques deviennent de plus en plus complexes et il s’avère alors nécessaire de caractériser de manière complète le comportement du sol dans les différentes plages de déformations sollicitées par le projet. Cependant les moyens mis en place lors de ces études sont souvent limités à quelques essais ponctuels lesquels ne donnent pour la plupart qu’une information liée à la résistance du terrain. Afin de caractériser de manière complète le comportement du sol avec la déformation, ce travail expose une étude détaillée de l’évolution du module de cisaillement avec la déformation en utilisant les méthodes d’ondes de surface, les essais géotechniques de laboratoire de mécanique des sols et les essais géotechniques in situ au pressiomètre. Des essais plus sophistiqués tels que l’essai à la colonne résonnante étau triaxial cyclique ont été aussi utilisés dans ce cadre. Le programme expérimental a permis de déterminer que le comportement du sol est non linéaire avec la déformation. Les observations réalisées ont permis de pouvoir proposer une démarche de caractérisation du comportement du sol en cas de disposition d’une information partielle. Ce mémoire de thèse présente une synthèse des données collectées par différents types d’essais in situ et en laboratoire qui ont permis de décrire l’évolution du module de cisaillement dans les différentes plages de déformations / The difficulty of dealing with complex geotechnical projects implies the necessity to determine adequately soil’s behaviour with strain’s increase. The information provided for these geotechnical studies mostly concerns soil’s in situ resistance and it is only punctual. In order to fully characterize soil’s behaviour with strains, this work exposes a detailed study of the shear modulus evolution with increasing strain by using surface waves methods, geotechnical laboratory tests such as soil mechanics tests and geotechnical in situ tests such as pressure meter test. More sophisticated tests such as resonant column test and cyclic triaxial test have been also used for this purpose. The experimental program described soil behaviour as being nonlinear. This observed behaviour permitted to propose an approach of characterizing the behaviour of soil incase if the needed information is only partial. This thesis manuscript presents a data synthesis of different types of in situ and laboratory tests which allowed describing soil shear modulus evolution for different ranges of deformation

Le terme élastographie désigne les techniques d'imagerie dédiées à l'étude des propriétés mécaniques des tissus biologiques in vivo. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux de ces techniques. La première est l'élastographie quasi-statique par ultrasons permettant de mesurer les déformations locales induites dans un tissu sous l'action d'une contrainte globale. La seconde est l'élastographie par résonance magnétique (ERM) permettant d'accéder localement à une estimation du module de cisaillement. Pour cette dernière technique, une onde de cisaillement est générée au sein du milieu puis imagée a l'aide d'une séquence IRM spécifique. Les images d'ondes acquises permettent la reconstruction du module de cisaillement local. Dans le cadre de ces travaux, une nouvelle technique d'acquisition de l'image d'onde de cisaillement a été proposée, ainsi qu'une méthode de reconstruction du module de cisaillement basée sur l'estimation locale de fréquence par rapport de filtres. Un autre axe de recherche a consisté en l'étude de l'effet d'une précontrainte appliquée à un milieu sur son module de cisaillement mesuré par ERM. Cet effet a tout d'abord été étudié sur des milieux homogènes puis avec des milieux test hétérogènes. Dans ce dernier cas, l'utilisation de l'élastographie quasi-statique par ultrasons s'avère nécessaire pour accéder à la déformation locale du milieu. Cette dernière information a été combinée avec les informations obtenues en ERM pour extraire pour chaque région d'intérêt une courbe déformation/module de cisaillement / The term elastography refers to imaging techniques dedicated to the in vivo investigation of the mechanical properties of biological tissues. During this thesis, we focused on two elastography techniques. The first one is quasi-static ultrasound elastography, able to locally estimate tissue strain induced by a global deformation of a medium. The second one is Magnetic Resonance Elastography (MRE), able to measure the local shear modulus. In MRE, a shear wave is generated within the medium and imaged using a specific MRI sequence. The resulting wave images are then processed to estimate the local shear modulus. A new acquisition scheme of the shear wave images was proposed during this thesis. A method, based on local frequency estimation, was also developed for the estimation of the local shear modulus using the properties of a ratio of filters. Another research axis was the study of the effect of a prestrain application on the measured shear modulus. This effect was first studied with homogeneous media and then with heterogeneous test objects. In this last case, the use of quasi-static ultrasound elastography was necessary to locally access to the medium strain. This information was then combined with the information obtained using MRE to extract, for each region of interest, a strain/shear modulus curve

L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement les deformations de microcapsules dans un écoulement confiné. Les microcapsules sont composées d’albumine du sérum humain avec des concentrations de 5 à 20 [g/100mL]. Leur taille varie de 50 à 1000 [μm]. Les capsules sont injectées dans des écoulements de Poiseuille produits dans des canaux microfluidiques présentant deux sections différentes : circulaire ou carrée.La mesure des caractéristiques géométriques de microcapsules déformées couplée à des simulations numériques mène à la détermination du module de cisaillement surfacique. Cette caractéristique mécanique augmente fortement tant avec la taille qu’avec la concentration en protéine de la capsule, et plus précisément avec le produit de ces deux paramètres.Le fluide est ensemencé avec des microparticules pour mesurer l’écoulement induit par une capsule dans un capillaire cylindrique par la méthode de la vélocimétrie par suivi de particules. Les zones de recirculation et de perturbation sont alors déduites et comparées avec la simulation numérique d’un objet rigide dans un capillaire et présentant le profil donné par les expériences. Finalement un système original de visualisation optique est consacré à l’observation simultanée de la vue de côté et de la vue de face des capsules pour obtenir sa forme entière. Ceux-ci révèlent l’existence des plis tout autour de la membrane des capsules. Le seuil de formation et l’évolution de ces plis sont étudiés en fonction de la vitesse, de la taille et du confinement, dans des canaux de section circulaire ou carrée. / The objective of this thesis is to study experimentally microcapsule deformations in confined flows. The microcapsules are made of cross-linked proteins, the human serum albumin (HSA) with concentrations from 5 to 20 [g/100mL]. Their size vary from 50 to 1000 [μm]. Capsules are injected in Poiseuille flows generated within microfluidics channels with two different cross sections geometries : circular or square.The measurement of geometrical characteristics of deformed microcapsules coupled with numerical simulations leads to the determination of the surface shear modulus. This mechanical characteristic increases strongly with both the size and the protein concentration of the capsule, and more precisely with the product of these two parameters.The flow is seeded with microparticles to measure the induced flow of a capsule in a cylindrical capillary by particle tracking velocimetry. The recirculation and perturbation zones are then deduced and compared with numerical simulation of a rigid body flowing in a capillary. Finally an original system of optical visualization is dedicated to the simultaneous observation of the side and the front view of the capsules to get its whole shape. These reveal radial wrinkles all around capsules membrane. The formation threshold and the evolution of these wrinkles are studied as function of the capsule velocity and size and the confinement within capillaries with circular or square cross–section.

Dans le cadre de la déposition géologique profonde des déchets radioactifs, l'argile de Boom est choisie comme une des formations hôtes potentielles dans le programme belge. Par sa formation géologique, cette argile est considérée comme un matériau isotrope transversal. En effet, l'anisotropie de ses propriétés hydraulique et thermique a été mise en évidence dans plusieurs études. Il apparait maintenant nécessaire de mener une étude complète sur son comportement anisotrope. Sur le plan expérimental, l'anisotropie des propriétés thermo-hydro-mécaniques de l'argile de Boom a été mise en évidence à l'aide des mesures de la conductivité thermique, de la conductivité hydraulique, et du module de cisaillement. Grâce à ces mesures sur des carottes fraichement forées, l'endommagement dû à l'excavation de la galerie a été identifié (dans la zone près de la galerie « Connecting » à Mol, Belgique) et modélisé par un modèle empirique dont la variable d'endommagement est basée sur le volume des macro-pores. Ensuite, l'anisotropie du comportement en condition K0 a été étudiée en analysant le comportement de trois types d'éprouvettes différents (0°, 45° et 90° au plan du litage) pendant et après la re-saturation dans des cellules oedométriques et triaxiales à plusieurs états de contraintes différents. Enfin, le comportement anisotrope en condition triaxiale a été étudié en réalisant des essais triaxiaux sur trois types d'éprouvettes. Au cours de ces essais, les mesures des vitesses d'ondes Vs et Vp ont été également effectuées à l'aide des éléments piézoélectriques encastrés dans deux embases supérieure et inférieure d'une cellule triaxiale. Ces résultats ont permis de déterminer les paramètres de l'élasticité anisotrope. Sur le plan de modélisation, un modèle anisotrope avec huit paramètres anisotropes (cinq paramètres élastiques et trois paramètres plastiques) a été développé, en utilisant la théorie de Bohler (Boehler et Sawczuk, 1977). Ce modèle est basé sur un modèle élasto-plastique isotrope à deux surfaces de charge validé précédemment pour l'argile de Boom (Hong, 2013). La validation de ce modèle anisotrope a été réalisée grâce aux résultats expérimentaux des essais oedométriques et triaxiaux obtenus dans cette étude / In the program of deep geological radioactive waste disposal in Belgium, Boom Clay has been chosen as one of the potential host rocks. Due to the geological stratification, this stiff clay has been regarded as a transverse isotropic material. The anisotropy of its hydraulic and thermal properties was shown in several studies. It seems necessary now to conduct a more in-depth study on the anisotropic behaviour of Boom Clay. In terms of experimental works, the anisotropy of the thermo-hydro-mechanical properties of Boom Clay was evidenced using measurements of thermal conductivity, hydraulic conductivity and small-strain shear modulus. Through these measurements on freshly cored Boom Clay samples, the damage due to excavation of the gallery was identified (in the zone near the Connecting gallery at Mol, Belgium) and modelled using an empirical model in which the damage variable is based on the volume of macro-pores. Afterwards, the anisotropy behaviour under K0 condition was studied by analysing the behaviour of three types of specimens (0°, 45°, and 90° to the bedding plane) during and after the re-saturation in the triaxial and oedometer cells under different stress states. Finally, the anisotropic behaviour under triaxial condition was investigated through several triaxial tests on three types of specimens. During these tests, the velocity measurements of seismic waves Vs et Vp were performed thanks to the bender elements installed in the upper and bottom bases of a triaxial cell. These results were used to determine the parameters of anisotropic elasticity. In terms of modelling works, an anisotropic model with eight anisotropic parameters (fives elastic parameters and three plastic parameters) was developed using the theory of Boehler (Boehler et Sawczuk, 1977). This model is based on an elasto-plastic isotropic model with two yield surfaces elaborated previously for Boom Clay (Hong, 2013). The validation of this anisotropic model was made based on the results obtained from oedometer and triaxial tests performed in this study

La diffusion multiple de la lumière(DWS) est une technique qui permet de sonder la dynamique interne de milieux opaques et concentrés à des fréquences élevées. Elle a été utilisée pour déterminer les propriétés viscoélastiques de ces milieux. Elle a l'avantage d'être non destructive, rapide et sensible. Ce travail a pour objectif l'étude des tissus biologiques mous par DWS. La première étape est la mise en place du dispositif expérimental. Afin d'évaluer les limites de la technique, des études successives ont été réalisées sur des matériaux de complexité croissante (une suspension, le lait et une mousse) tendant vers la complexité structurale des tissus biologiques. Pour la suspension et le lait, la théorie de DWS peut s'appliquer et permet de mesurer avec une bonne précision leur viscosité. Les limites de DWS pour évaluer la viscosité sont atteintes avec la mousse dont la structure complexe est proche de celle des tissus biologiques. Enfin, le cortex rénal, le parenchyme hépatique et le cerveau de porc ont été étudiés. La théorie appliquée pour les milieux précédents ne permet pas de remonter à leur viscosité. Mais la DWS a permis de suivre leur microstructure au cours de la déshydratation et de la dégénérescence. Pour tous ces milieux la répétabilité, la reproductibilité, la variabilité et l'effet des conditions expérimentales ont été évalués. La DWS pourrait être utilisée pour étudier l'effet de la température et de la congélation sur le spectre de DWS des tissus biologiques ou combinée à la rhéologie pour suivre l'évolution des spectres de DWS au cours d'un cisaillement