Le projet ANR SOLCYP dans lequel s'inscrit ce travail a pour objectif premier l'étude et la modélisation du comportement des pieux sous sollicitations cycliques à grand nombre de cycles, typiquement de l'ordre du million. Ce type de sollicitations engendre une forte évolution de l'état interne de l'interface pieu/sol et les modèles de comportement classiques ne sont alors pas adaptés pour traiter ce problème. La prise en compte plus fine de l'état interne dans les modèles de comportement semble être nécessaire pour ce genre d'application qui est celui des champs d'éoliennes, hydroliennes, fondations de plateforme offshore. Cette tâche a été envisagée ici dans le cadre d'un nombre de cycles modéré, plus simple à manipuler.Le problème de l'interface est en soi complexe car l'interface mécanique peut se dissocier singulièrement de l'interface géométrique en étant repoussée vers le matériau sol. Les deux cas de comportement extrêmes sont celui des pieux bétons, où l'interface suivra un comportement analogue à celui du sol et celui des peux tubés en acier, qui s'apparentera à un comportement de type Coulomb .Deux variables internes ont pu être identifiées : une variable qualifiée de non-orientée dont la mesure est facilement accessible et une variable orientée associée à l'anisotropie de comportement du matériau. Classiquement, seule la première variable est retenue comme explicative des propriétés du matériau ou de son comportement. Il s'agit bien sûr d'une approximation et la variable orientée dont l'influence est sous-jacente en général tout le long du chemin de contraintes doit apparaître plus explicitement dans certains cas. Les lois d'évolution des propriétés du matériau aux différents états repères ont été données tout comme l'évolution des paramètres de modèle en fonction de ces variables internes.Ce travail a conduit à la mise au point de deux modèles : le premier destiné à la modélisation des éléments de volume de sol. Il compte un jeu unique de 20 paramètres identifiable sur quatre essais et permet de modéliser convenablement le comportement du sol sous des chemins de contrainte très variés (monotone, cyclique, drainé, non-drainé) et différents états internes initiaux (densités, pression de confinement). Le second modèle consiste en l'adaptation du premier à la structure des interfaces, il compte 14 paramètres et permet également de reproduire le comportement de ce type de système pour une large gamme d'états initiaux et différentes conditions aux limites. Chacun de ces modèles, validé sur quelques dizaines de cycles, pourra ultérieurement servir de base à une formulation du problème à grands nombres de cycles.

Le projet ANR SOLCYP dans lequel s’inscrit ce travail a pour objectif premier l’étude et la modélisation du comportement des pieux sous sollicitations cycliques à grand nombre de cycles, typiquement de l’ordre du million. Ce type de sollicitations engendre une forte évolution de l’état interne de l’interface pieu/sol et les modèles de comportement classiques ne sont alors pas adaptés pour traiter ce problème. La prise en compte plus fine de l’état interne dans les modèles de comportement semble être nécessaire pour ce genre d’application qui est celui des champs d’éoliennes, hydroliennes, fondations de plateforme offshore. Cette tâche a été envisagée ici dans le cadre d’un nombre de cycles modéré, plus simple à manipuler.Le problème de l’interface est en soi complexe car l’interface mécanique peut se dissocier singulièrement de l’interface géométrique en étant repoussée vers le matériau sol. Les deux cas de comportement extrêmes sont celui des pieux bétons, où l’interface suivra un comportement analogue à celui du sol et celui des peux tubés en acier, qui s’apparentera à un comportement de type Coulomb .Deux variables internes ont pu être identifiées : une variable qualifiée de non-orientée dont la mesure est facilement accessible et une variable orientée associée à l’anisotropie de comportement du matériau. Classiquement, seule la première variable est retenue comme explicative des propriétés du matériau ou de son comportement. Il s’agit bien sûr d’une approximation et la variable orientée dont l’influence est sous-jacente en général tout le long du chemin de contraintes doit apparaître plus explicitement dans certains cas. Les lois d’évolution des propriétés du matériau aux différents états repères ont été données tout comme l’évolution des paramètres de modèle en fonction de ces variables internes.Ce travail a conduit à la mise au point de deux modèles : le premier destiné à la modélisation des éléments de volume de sol. Il compte un jeu unique de 20 paramètres identifiable sur quatre essais et permet de modéliser convenablement le comportement du sol sous des chemins de contrainte très variés (monotone, cyclique, drainé, non-drainé) et différents états internes initiaux (densités, pression de confinement). Le second modèle consiste en l’adaptation du premier à la structure des interfaces, il compte 14 paramètres et permet également de reproduire le comportement de ce type de système pour une large gamme d’états initiaux et différentes conditions aux limites. Chacun de ces modèles, validé sur quelques dizaines de cycles, pourra ultérieurement servir de base à une formulation du problème à grands nombres de cycles. / This work is include in the national project SOLCYP. This project, support by ANR, focus on the observation and modeling of behavior of pile under cyclic loading with large number of cycles (about one million). This type of solicitations leads to an important change in the internal state of the interface soil/pile and classic models aren’t adapted to deal with this issue. Here, internal state of material is taken into account with a number of cycle limited (easier to study).In geometrical, interface issue is pretty difficult, mainly due to the fact that mechanical interface can be shifted from the geometrical contact to the mass of soil. In extreme ways, concrete pile will have a behavior mainly linked to the behavior of soil when steel pile behavior can be assessed with coulomb friction.Two internal variables have been identifies: the first one can be regarded as isotropic and can be easily assessed when the second one is considered as anisotropic harder to quantify. Generally, just the first variable is taken into the account to forecast the evolution of material properties and behavior. But this is no more than an approximation. In fact, anisotropic variable has an action as well as the isotropic one. But, depending to the type of solicitations, these actions can be strongly linked or really uncorrelated. Evolution of parameters set is given depending these variables.This work has made possible the design of two models: the first one is a mass soil model. It needs 20 parameters, identified from four triaxial and isotropic tests, and is able to reproduce the soil behavior under numerous loading paths (monotonic, cyclic, drained, undrained) and different initial states (density, mean pressure…). The second one is an adaptation of the soil model for rough interface issues. It needs 14 parameters and is also able to forecast interface behavior under different initial state and limit conditions. Both, confirmed for some dozens of cycles, will be used in the large number of cycles issues formulation.

Ce travail de thèse porte sur les mécanismes de plasticité et d'endommagement des aciers complexe-phase (CP). La microstructure bainitique de ces aciers, permets d’acquérir de bonnes propriétés de formabilité, qui intéressent les constructeurs automobiles. Cependant, la complexité de ces microstructures, qui se caractérisent par une grande quantité de joints de grains et une densité élevée de dislocations, influence la plasticité et les mécanismes d'endommagement. Afin d'estimer l'impact de la microstructure, une étude des caractéristiques métallurgiques des aciers à phases complexes est réalisée. Les mécanismes de plasticité sont ensuite étudiés par des tests de tension-compression afin d’étudier les mécanismes d’écrouissage du matériau. Ensuite, l’évolution de l’endommagement au sein de la microstructure est analysée à différente taux de triaxialité des contraintes afin d’obtenir la fraction de surface volumique ainsi que le nombre et le diamètre moyen des vides en fonction de la déformation plastique. Enfin, pour examiner la stabilité thermique de ces paramètres (microstructure, plasticité et endommagement), des expériences sont effectuées dans une plage de températures allant de 20 ° C à 600 ° C. / This PhD work investigates plasticity and damage mechanisms of complex phase steels. The bainitic microstructures of such steels, which feature retained austenite islands, result in these steels exhibiting good formability properties, which are of interest to automotive companies. However, the complexity of these microstructures, which are characterised by a high amount of grain boundaries and a high density of dislocations, influences plasticity and damage mechanisms. In order to estimate the impact of a steel's microstructure on these properties, the investigation of metallurgical features of complex phase steels provided by the company Faurecia is performed. Plasticity mechanisms are then investigated by tension-compression tests to determine the influence of long- and short-range interactions on the motion dislocation. Thereafter, the evolution of damage within microstructures is analysed at different stress triaxialities in order to obtain the volume area fraction and the number and average diameter of voids as functions of plastic strain. Finally, to examine the thermal stability of these parameters (microstructure, plasticity, and damage), experiments are performed at a range of temperatures between 20°C and 600°C.

La capacité opérationnelle axiale en service de pieux battus reste une zone d'incertitude, en particulier pour les structures offshore. La recherche sur le terrain a montré que le frottement latéral peut augmenter au cours des mois ou des années après le battage. Si des tendances similaires se retrouvent dans des ouvrages offshore, les avantages en terme d'ingénierie de réalisation peuvent être très importants. D'autre part, les fondations sur pieux de plates-formes de gaz, de pétrole sont soumises à des chargements cycliques à long terme qui peuvent influencer leur capacité à l'arrachement. Les pieux battus en eau profonde connaissent un grand nombre de cycles complets de charge-décharge pouvant contribuer à la dégradation du frottement latéral lors de l'installation. Cette thèse vise à mieux comprendre les principaux résultats obtenus avec des pieux réels en sable siliceux, par le biais d'une recherche à échelle de laboratoire sous conditions environnementales contrôlées. Ce travail fait partie d'un programme de recherche commun entre le Laboratoire 3SR de Grenoble, l'Imperial College London, et le projet français de recherche ANR- SOLCYP. La réponse de l'interface sol-pieu lors de l'installation ainsi que les périodes de vieillissement et de chargements cycliques axiaux ont été étudiés au laboratoire en utilisant des pieux-modèles installés dans la chambre d'étalonnage de Grenoble. Plusieurs essais avec le pieu modèle Mini-ICP (instrumenté avec des capteurs de tension totale à la surface du pieu (SST) pour les mesures de contraintes radiales de cisaillement à 3 sections) ont permis l'analyse de chemin de contrainte locale à l'interface du pieu. Des capteurs miniatures ont en outre été installés dans le massif de sable pour une mesure de contrainte lors de l'installation du pieu et son chargement ultérieur. Les effets des méthodes d'installation, de la taille des particules de sable, ou de la saturation du sable et du chargement de l'environnement, ont été pris en compte pour le vieillissement de la capacité. Les évolutions locales de l'interface radiale et du cisaillement sont en accord avec les prédictions des méthodes de conception modernes basées sur le CPT. Des preuves d'effets d'échelle soulignent l'importance des conditions aux limites appliquées à la modélisation physique. Des séries d'essais non-alternés purement en traction, ainsi que des essais alternés ont été réalisés sous contrôle en charge ou en déplacement. Les mesures locales effectuées dans les chemins de contraintes effectives montrent une contraction radiale de la masse de sable au voisinage du pieu. Les incréments de l'amplitude de charge et du déplacement imposé accélèrent les taux de dégradation cyclique. Un nouveau diagramme de stabilité cyclique a été réalisé, en résumant les essais de chargement cycliques axiaux pour les pieux foncés et battus dans du sable siliceux moyennement dense. Des mécanismes complexes comme la rupture des grains et des changements de densité locale à l'interface du pieu peuvent affecter la réponse des pieux. La cinématique derrière leur installation et l'interaction avec le sol environnant reste encore très limitée. Comprendre comment un matériau granulaire interagit avec le pieu est important pour étudier la réponse globale du pieu. Les observations globales du comportement des pieux dans la chambre d'étalonnage ont été modélisées à une échelle micro en utilisant la tomographie aux rayons X du Laboratoire 3SR à Grenoble. Le programme expérimental comprenait des essais sur une chambre d'étalonnage modèle afin d'analyser le champ de déplacement lors de l'installation d'un pieu modèle, à l'aide des techniques de corrélation d'images (DIC) en trois dimensions. Des analyses micromécaniques d'échantillons «intacts» récupérés post mortem à l'interface du pieu ont été également effectuées pour mettre en évidence de possibles changements radiaux de densité ainsi que la rupture des grains. / The operational in-service axial capacity of driven piles remains an area of uncertainty, especially for offshore structures. Field research has demonstrated that axial shaft capacities may increase over the months or years after driving. If similar trends apply offshore, the realisable engineering benefits are very significant. On the other hand, the piled foundations of oil/gas platforms and wind/water turbines are subject to long term environmental and in service cyclic loading due for example to waves, vibrations and storms that may also affect their shaft capacity. Deep driven piles experience large numbers of full load-unload cycles that contribute to shaft capacity degradation during installation. This thesis aims to improve understanding of the main results obtained with full-scale piles in silica sand through a laboratory scale investigation performed under controlled environmental conditions. This work was part of a joint research programme between the Grenoble Laboratory 3SR and Imperial College London, and the French National SOLCYP research project. The response of the soil-pile interface during installation, ageing periods and cyclic loading tests have been studied using laboratory model piles installed in the large Grenoble Calibration Chamber. Several tests with the Mini-ICP pile allow the analyses of local stress path at the pile's interface. This model pile is instrumented with surface stress transducers (SST) for local measurements of total and radial shear stresses at 3 different sections along the pile's shaft. In addition, miniature soil stress transducers were installed into the sand mass for total stress measurements during pile installation and loading. Possible ageing effects as installation methods, sand particle size, sand saturation and environmental loading were studied. Local evolution of interface radial and shear stresses agree with predictions from modern CPT based design methods. Evidence of possible scale effects remark the importance of the boundary conditions applied in physical modelling. Series of one-way purely tensile and two-way axial cyclic loading tests were performed under load and displacement control. Local measurements made of the effective stress paths shows radial contraction of the sand mass in the vicinity of the pile. Increments in loading amplitude and imposed displacements accelerate cyclic degradation rates. A new interactive shaft stability chart was produced as a summary of axial cyclic loading tests for both jacked and driven piles in medium dense silica sand. Laboratory tests confirm findings from field tests where one-way low amplitude cycles lead to beneficial increases in tensile pile capacity of up to 20%. Complex mechanisms as grain breakage and local density changes at the pile's interface. The kinematics behind the installation of piles and its interaction with the surrounding soil is still limited. Understanding how granular material interacts with the pile may reveal important to understand the global pile response. The global observations of the pile behaviour from calibration chamber tests were modelled at a micro scale using Micro Computed Tomography at the Grenoble Laboratory 3SR. The experimental campaign included tests on a model calibration chamber devoted to the displacement field analyses during the installation of a model piles using three dimensional (3D) digital image correlation (DIC). Micromechanical analysis of « intact » post-mortem samples recovered at the pille's interface were also conducted for evidences of radial density gradient and grain breakage.

La prise en compte du comportement des sols soumis à de très grands nombres de cycles nécessite l'utilisation de modèles de comportement spécifiques, souvent complexes. Par ailleurs, la simulation de ce comportement sur l'ensemble du chargement implique des temps de calcul longs et fastidieux. En réponse à ces constats, cette étude développe deux outils d'aide à la modélisation numérique. Le premier outil vise une réduction substantielle du temps de calcul en appliquant la méthode d'homogénéisation temporelle asymptotique. L'efficacité de cette méthode est mesurée par la comparaison des simulations avec et sans homogénéisation dans le cas d'essais triaxiaux non drainés répétés. Deux modèles de comportement sont utilisés : l'un est basé sur le principe de la plasticité de la " bounding surface ", l'autre est un modèle à deux surfaces de charge à écrouissage isotrope et cinématique (modèle " bulle "). Un module d'homogénéisation est implanté dans le logiciel aux éléments finis CESAR-LCPC. Le second outil s'inscrit dans le cadre plus général de l'identification de paramètres constitutifs par analyse inverse. Il propose une identification multi-objectif des paramètres par algorithmes génétiques. Cette méthode est testée sur des essais pressiométriques monotones afin de prévoir le tassement d'une fondation superficielle. Finalement les deux outils numériques sont appliqués à des résultats expérimentaux obtenus lors d'essais triaxiaux non drainés répétés sur une argile normalement consolidée.