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[1] A 10-cm-thick layer of synthetic fault gouge (angular quartz sand with millimetric grains) is sheared over several meters at low confining pressures (0.1–0.5 MPa) using a ring shear apparatus (inner radius of 10 cm). The shear strength of the gouge exhibits a significant slip-weakening behavior active over decimetric slip distances. Tests on the influence of particle size, particle geometry, and boundary conditions are reported. A long-term compaction of the gouge samples is also observed but appears to be decoupled from the frictional slip weakening. At microscale, series of photographs taken during the runs enable us to follow the formation of a shear band in which most of displacements and strains localize. From image analysis we estimate the strain field in the material surrounding the shear band and show that this outer region accounts for most of the global volumetric strain. We argue that the mechanical coupling between this outer region and the shear band is responsible for the frictional slip weakening. Accordingly, the complex structure of the fault zone is shown to be crucial for its frictional behavior. Implications of our results for fault mechanics are discussed in the companion paper.

International audience; A correlation imaging velocimetry technique is applied to recover displacement fields in a granular material subjected to extended shear. A thick (10 cm) annular sand sample (grain size: 1 mm) is confined at constant pressure (σ=0.5MPa) against a rough moving wall displacing at very low speed (˙δ=83μms−1). Localization of the strain rapidly forms a shear band (seven particles wide) in which comminution develops. We focused on the strain field outside this shear band and observed a rich dynamics of large and intermittent mechanical clusters (up to 50 particles wide). Quantitative description of the radial velocity profile outside the shear band reveals an exponential decrease. However, a significant slip evolution of the associated characteristic length is observed, indicative of a slow decoupling between the shear band and the rest of the sample. This slow evolution is shown to be well described by power laws with the imposed slip, and has important implications for friction laws and earthquake physics.

International audience; We investigate experimentally the frictional response of a thick sample of simulated fault gouge submitted to very high shear displacements (up to 40 m) in an annular simple shear apparatus (ACSA). The frictional strength of our granular material exhibits velocity‐weakening consistent with classical rate‐ and state‐dependent friction laws. The length scale involved in the latter phenomenon is dc = 100 μm. However, the evolution of friction is largely dominated by a significant slip‐weakening active over decimetric distances (L = 0.5 m). Interestingly, these decimetric frictional length scales are quantitatively compatible with those estimated for natural faults. During shearing, a thin and highly‐sheared layer emerges from the thick and slowly‐deforming bulk of the sample. Because of the intermittent and non‐local coupling observed between these two zones, we relate the large frictional length scales in our data to the slow structuring of the thick interface.

Background It is no longer adequate to choose reference genes blindly. We present the first study that defines the suitability of 12 reference genes commonly used in cancer studies (ACT, ALAS, B2M, GAPDH, HMBS, HPRT, KALPHA, RPS18, RPL27, RPS29, SHAD and TBP) for the normalization of quantitative expression data in the field of head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Results Raw expression levels were measured by RT-qPCR in HNSCC and normal matched mucosa of 46 patients. We analyzed the expression stability using geNorm and NormFinder and compared the expression levels between subgroups. In HNSCC and/or normal mucosa, the four best normalization genes were ALAS, GAPDH, RPS18 and SHAD and the most stable combination of two genes was GAPDH-SHAD. We recommend using KALPHA-TBP for the study of T1-T2 tumors, RPL27-SHAD for T3-T4 tumors, KALPHA-SHAD for N0 tumors, and ALAS-TBP for N+ tumors. ACT, B2M, GAPDH, HMBS, HPRT, KALPHA, RPS18, RPS29, SHAD and TBP were slightly misregulated ( Conclusion In the field of HNSCC, this study will guide researchers in selecting the most appropriate reference genes from among 12 potentially suitable reference genes, depending on the specific setting of their experiments.

We investigate experimentally the frictional response of a thick sample of simulated fault gouge submitted to very high shear displacements (up to 40 m) in an annular simple shear apparatus (ACSA). The frictional strength of our granular material exhibits velocity‐weakening consistent with classical rate‐ and state‐dependent friction laws. The length scale involved in the latter phenomenon is dc = 100 μm. However, the evolution of friction is largely dominated by a significant slip‐weakening active over decimetric distances (L = 0.5 m). Interestingly, these decimetric frictional length scales are quantitatively compatible with those estimated for natural faults. During shearing, a thin and highly‐sheared layer emerges from the thick and slowly‐deforming bulk of the sample. Because of the intermittent and non‐local coupling observed between these two zones, we relate the large frictional length scales in our data to the slow structuring of the thick interface.

International audience; Weak layers of snow are thin layers of low density and cohesion that consist of a complexnetwork of sintered ice grains. These layers are very fragile and their failure is considered to be the primarycause of dry slab snow avalanche release. This study reports on the results of modelling the mechanicalresponse of these weak snow layers with discrete element (DEM) simulations, using X-ray microtomographicimages of real snow samples as input data. An original method for approximating arbitrary grain shapes inDEM was developed that enabled us to accurately capture the effect of snow microstructure on the mechanicalbehaviour of varying snow types, including weak snow layers. Three samples of different snow types havebeen subjected to simple shear simulations with varying normal pressure and a qualitatively similar result wasobtained for all three samples. The simulation results permitted us to study the failure as well as post-peakstrain softening and residual stress in snow. Failure envelopes of different snow types are presented andthe effect of the microstructure on the failure envelope characteristics is analyzed. A detailed investigation ofthe interplay between shear failure and collapse is conducted and put into perspective by the damage thatprogressively propagates through the specimen.

Background Analysis of 23 published transcriptome studies allowed us to identify nine genes displaying frequent alterations in HNSCC (FN1, MMP1, PLAU, SPARC, IL1RN, KRT4, KRT13, MAL, and TGM3). We aimed to independently confirm these dysregulations and to identify potential relationships with clinical data for diagnostic, staging and prognostic purposes either at the tissue level or in saliva rinse. Methods For a period of two years, we systematically collected tumor tissue, normal matched mucosa and saliva of patients diagnosed with primary untreated HNSCC. Expression levels of the nine genes of interest were measured by RT-qPCR in tumor and healthy matched mucosa from 46 patients. MMP1 expression level was measured by RT-qPCR in the salivary rinse of 51 HNSCC patients and 18 control cases. Results Dysregulation of the nine genes was confirmed by the Wilcoxon test. IL1RN, MAL and MMP1 were the most efficient diagnostic markers of HNSCC, with ROC AUC > 0.95 and both sensitivity and specificity above 91%. No clinically relevant correlation was found between gene expression level in tumor and T stage, N stage, tumor grade, global survival or disease-free survival. Our preliminary results suggests that with 100% specificity, MMP1 detection in saliva rinse is potentially useful for non invasive diagnosis of HNSCC of the oral cavity or oropharynx, but technical improvement is needed since sensitivity was only 20%. Conclusion IL1RN, MAL and MMP1 are prospective tumor diagnostic markers for HNSCC. MMP1 overexpression is the most promising marker, and its detection could help identify tumor cells in tissue or saliva.

International audience

International audience; Les modèles numériques de propagation d'avalanches ont acquis un rôle central parmi les outils de décision pour l'ingénierie de protection contre les avalanches. Néanmoins, leur mise en oeuvre systématique se heurte toujours en pratique à la difficulté de l'évaluation précise de la hauteur de départ de l'avalanche. Dans cette étude, les hauteurs de neige sont prédéterminées dans toute zone de départ potentielle par interpolation spatiale des données quotidiennes de précipitations acquises dans 40 sites météorologiques des Alpes françaises depuis 1966. Compte tenu de la rareté de ce type d'événement, nous nous intéressons aux données de précipitations extrêmes. L'étude s'effectue dans le cadre d'un formalisme mathématique récent qui a été proposé pour caractériser la dépendance spatiale des extrêmes : les processus max-stables qui constituent la généralisation au cadre multivarié spatial de la théorie des valeurs extrêmes univariées (distribution GEV). En utilisant des modèles plus ou moins simples d'évolution spatiale des paramètres de la GEV, nous sommes en mesure d'établir des cartes de précipitations neigeuses pour différentes périodes de retour. Les résultats montrent que pour une période de retour donnée, les hauteurs de neige sont plus importantes dans les régions de l'Est (Mont Blanc, Tarentaise, Maurienne, Queyras). De plus, à altitude fixée, les moyennes les plus élevées sont situées au Nord-Ouest, tandis que pour la variance, les maxima sont situés au Sud-Est ce qui correspond à l'influence méditerranéenne qui à tendance à apporter une plus grande variabilité. Enfin, nous montrons que la dépendance spatiale des chutes de neige extrêmes dépend de l'orientation des Alpes pour des chutes de neige de courtes durées. La sensibilité du résultat au choix du modèle de dépendance spatiale et d'évolution des paramètres est discutée, et la robustesse du modèle retenu est établie par validation croisée.

International audience; Viscous, surging flow fronts are encountered in many applications in geophysics such as debris-, mud-and lavaflows. Few applications of the SPH method for low Reynolds, viscous flows have been rigorously validated against experimental data. In this paper, the validation of the DualSPHysics software against well documented experimental data of a laminar viscous flow front is studied. Modelling viscous Newtonian flow fronts requires the use of accurate boundary conditions, including noslip at the wall. A convergence study analyzes the performance of the software using both bulk behaviour and front shape and detailed velocity fields along the flow. Overall, the use of the DualSPHysics solver is validated for such flows. Macroscopic dynamics and internal dynamics are well reproduced.

The finite-element method (FEM) is one of the main numerical analysis methods in continuum mechanics and mechanics of solids (Huebner and others, 2001). Through mesh discretization of a given continuous domain into a finite number of sub-domains, or elements, the method finds approximate solutions to sets of simultaneous partial differential equations, which express the behavior of the elements and the entire system. For decades this methodology has played an accelerated role in mechanical engineering, structural analysis and, in particular, snow mechanics. To the best of our knowledge, the application of finite-element analysis in snow mechanics has never been summarized. Therefore, in this correspondence we provide a table with a detailed review of the main FEM studies on snow mechanics performed from 1971 to 2012 (40 papers), for facilitating comparison between different mechanical approaches, outlining numerical recipes and for future reference. We believe that this kind of compact review in a tabulated form will produce a snapshot of the state of the art, and thus become an appropriate, timely and beneficial reference for any relevant follow-up research, including, for example, not only snow avalanche questions, but also modeling of snow microstructure and tire–snow interaction. To that end, this correspondence is organized according to the following structure. Table 1 includes all essential information about previously published FEM studies originally developed to investigate stresses in snow with all corresponding mechanical and numerical parameters. Columns in Table 1 provide references to particular studies, placed in chronological order. Rows correspond to the main model parameters and other details of each considered case.

Ground movements affecting clay materials constitute a major risk to infrastructure and populations, with sudden episodes of reactivation that can lead to rapid movements (flow type). This thesis work is interested in understanding the different mechanisms of reactivation and deformation in a landslide of this type, by studying mass transfers in a material with a solid behavior at the top of the landslide and a fluid behavior at the toe. The study site is the Harmalière landslide (Trièves, French Alps), consisting of glaciolacustrine clays. Since the major event of March 1981 which took away 45 ha, this landslide has undergone numerous retrogression episodes with an average rate of 4 m/year at the headscarp and mass transfers of several million m3. The study was based on a multi-method approach, combining remote sensing (satellite images, LiDAR, GNSS, UAV), geophysical and mechanical techniques. In a first part, an analysis of the various recent events (from 2016) made it possible to describe and quantify the various mass transfers during reactivations. In a second part, a more detailed study of the reactivations at the head of the landslide was carried out. First, a study of the seismic background noise recorded continuously during the 4 months preceding the rupture of a clay blockat the headscarp was carried out. Five seismic parameters were monitored (cumulative number of events, seismic energy, resonance frequency, Rayleigh wave velocity variations and associated correlation coefficient). All these parameters showed a precursor signal prior to the rupture. Then, a preliminary study focuses on the evolution of the mechanical properties of a low mechanical strength layer close to the headscarp. In a third part, the degradation mechanisms of the material leading to flow type behavior were explored using a mechanical approach and UAV imaging. The mechanical approach allowed to study the evolution of the geotechnical properties of the clayey material in the landslide. UAV imaging was used to follow the evolution of the clay blocks at the head of the landslide and to quantify the degradation rate of the material., Les mouvements de terrain affectant les matériaux argileux constituent un risquemajeur au niveau des infrastructures et des populations, avec des épisodes de réactivation soudains pouvant conduire à des mouvements rapides de type coulée. Ce travail de thèse s’intéresse à comprendre les différents mécanismes de réactivation et de déformation dans un glissement de ce type, en étudiant les transferts de masse dans un matériau présentant un comportant solide au niveau de l’escarpement sommital et de type coulée à la base.Le site d’étude est le glissement d’Harmalière (Trièves, Alpes françaises), constitué d’argiles glaciolacustres. Depuis l’évènement majeur de mars 1981 qui a emporté 45 ha, ce glissement a connu de nombreux épisodes de régression avec un taux moyen de 5 m/an au niveau de l’escarpement principal et des transferts de masse de plusieurs millions de m3. L’étude s’est appuyée sur une approche multi-méthodes, combinant des techniques de télédétection (images satellites, LiDAR, GNSS, drone), géophysiques et mécaniques.Dans une première partie, une analyse des évènements récents (à partir de 2016) a permis de décrire et quantifier les différents transferts de masse lors des réactivations. Dans une seconde partie, une étude plus approfondie des réactivations en tête de glissement a été réalisée. Tout d’abord, une étude du bruit de fond sismique enregistré en continu pendant les 4 mois précédant la rupture d’un bloc en tête de glissement a été effectuée. Cinq paramètres sismiques ont été suivis (le nombre cumulé d’évènements, l’énergie sismique, la fréquence de résonance, les variations de vitesse de l’onde de Rayleigh et le coefficient de corrélation associé) et ont tous montré un signal précurseur avant la rupture. Ensuite, une étude préliminaire a été réalisée sur l’évolution des propriétés mécaniques d’une couche de faible résistance mécanique mise en évidence au niveau de l’escarpement sommital. Dans une troisième partie, les mécanismes de dégradation du matériau menant à son écoulement ont été explorés à partir d’une approche mécanique et d’imagerie par drone. L’approche mécanique a permis d’étudier l’évolution spatiale des propriétés géotechniques du matériau argileux dans le glissement. L’imagerie drone a été utilisée pour suivre l’évolution des blocs d’argile dans la partie supérieure du glissement et quantifier la vitesse de dégradation du matériau.

Precise knowledge of the snowpack stratigraphy is crucial for different applications such as avalanche forecasting, predicting the water runoff, or estimating the Earth energy budget. The cone penetration test, which consists of recording the force required to make a cone penetrate the material of interest, is widely used to measure in situ snow profiles. The ramsonde developed in the 1930's was continuously improved into highly-resolved digital snow penetrometers. In particular, the SnowMicroPenetrometer measures the snow penetration resistance at constant speed with a vertical resolution of four microns. The force fluctuations measured at such a resolution contain information about the snow microstructure, which is essential to complete the knowledge of the mean hardness of each snow layer. Nevertheless, the link between the measured hardness profile and the snow microstructure is not yet fully understood. Indeed, existing inversion models neglect obvious interactions between the cone tip and the snow, such as the formation of a compaction zone, and have only been evaluated through empirical relations to macroscopic properties. The goal of this thesis is to investigate the interaction between the cone and the snow at a microscopic scale using X-ray tomography in order to better invert the hardness profiles into microstructural properties. In this work, we analyze cone penetration tests of a few centimeters and thus the measured profiles contain a non negligible transient part due to the progressive formation of a compaction zone. In order to explicitly account for this process in the inversion model, we successfully developed a non-homogeneous Poisson shot noise model which considers a depth dependency of the rupture occurrence rate. We used this model to characterize snow sintering with cone penetration tests under controlled cold-lab conditions. According to the model, the vertical heterogeneity of hardness profiles was due to variations of the rupture occurrence rate, while the time evolution of the macroscopic force was controlled by bond strengthening. This partition is consistent with the expected sintering processes and provides an indirect validation of the proposed model. The second part of the thesis consists of cold-lab experiments combining cone penetration tests and X-ray tomography. High resolution three dimensional images of the snow sample before and after the cone test were measured. On these images, a novel tracking algorithm was applied to determine granular displacements induced by the test. We precisely quantified the size of the compaction zone and its relation to the snow characteristics. Furthermore, we showed that the observed vertical displacements challenge the use of standard cavity expansion models as inversion models. Finally, we linked the microstructural properties obtained from tomography, such as the bond size or the number of failed bonds, to properties derived from hardness profiles. We showed that the properties estimated from cone penetration tests are proxies of the snow microstructure, but remain too conceptual to expect a straightforward relation. In the future, these studies should make it possible to derive in an objective way the stratigraphy of the snowpack from a simple and fast field measurement.; La prévision du risque d'avalanche, les prévisions hydrologiques et l'estimation du bilan énergétique de la Terre dépendent d'une connaissance précise de la stratigraphie du manteau neigeux. Le test de pénétration du cône, qui consiste à enregistrer la force nécessaire pour faire pénétrer un cône dans le matériau d'intérêt, est largement utilisé pour mesurer des profils de neige. La sonde de battage, développée et utilisée depuis 1930, a été continuellement améliorée. Aujourd'hui, des pénétromètres numériques, tel que le SnowMicroPenetrometer, permettent de mesurer la résistance à la pénétration à vitesse constante avec une résolution verticale de quelques microns. Les fluctuations de force mesurées à cette résolution contiennent des informations sur la microstructure essentielles pour compléter la connaissance de la dureté moyenne de chaque couche de neige. Néanmoins, le lien entre le profil de dureté et la microstructure de la neige n'est pas encore entièrement compris. En effet, les modèles d'inversion existants négligent certaines des interactions entre la pointe du cône et la neige, comme la formation d'une zone de compaction, et ils n'ont été évalués que par des relations empiriques avec des propriétés macroscopiques. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction entre le cône et la neige à une échelle microscopique, à l'aide de la tomographie à rayons X, afin d'extraire, de manière plus précise, les propriétés microstructurelles de la neige à partir des mesures de résistance à la pénétration. Dans ce travail, nous analysons des tests de pénétration du cône de quelques centimètres de profondeur, qui contiennent une partie transitoire non négligeable due à la formation progressive d'une zone de compaction. Afin de prendre en compte explicitement ce processus, nous avons développé un modèle statistitique non-homogène de Poisson, qui prend en compte une dépendance à la profondeur du taux d'occurrence de rupture entre grains de neige. Nous avons utilisé ce modèle pour caractériser le frittage de la neige par des tests de pénétration du cône sous conditions contrôlées dans une chambre froide. D'après le modèle, l'hétérogénéité verticale des profils de dureté était due aux variations du taux d'occurrence de rupture, tandis que l'évolution temporelle de la force macroscopique était contrôlée par un renforcement des ponts. Cette partition est cohérente avec les processus de frittage connus et fournit une validation indirecte du modèle proposé. Une deuxième partie de la thèse a porté sur des expériences en chambre froide combinant des tests de pénétration du cône et de l'imagerie par tomographie X. Des images tri-dimensionnelles à haute résolution d'un échantillon de neige ont été prises avant et après le test du cône. Sur ces images, un nouvel algorithme de suivi de grains a été appliqué pour déterminer les déplacements granulaires induits par le test. Nous avons quantifié avec précision la taille de la zone de compaction et sa relation avec les caractéristiques de la neige. Nous avons montré que les déplacements verticaux observés compliquent l'utilisation de modèles d'expansion de cavité comme modèles d'inversion. Enfin, nous avons lié les propriétés microstructurelles obtenues par tomographie, telles que la taille ou le nombre de ruptures de ponts, à des propriétés dérivées des profils de dureté. Nous avons montré que les propriétés estimées à partir des tests de pénétration du cône sont des approximations de la microstructure de la neige, mais restent trop conceptuelles pour espérer une relation directe. A l'avenir, ces études devraient permettre de dériver, de manière objective, la stratigraphie du manteau neigeux à partir d'une mesure de terrain simple et rapide.

Precise knowledge of the snowpack stratigraphy is crucial for different applications such as avalanche forecasting, predicting the water runoff, or estimating the Earth energy budget. The cone penetration test, which consists of recording the force required to make a cone penetrate the material of interest, is widely used to measure in situ snow profiles. The ramsonde developed in the 1930's was continuously improved into highly-resolved digital snow penetrometers. In particular, the SnowMicroPenetrometer measures the snow penetration resistance at constant speed with a vertical resolution of four microns. The force fluctuations measured at such a resolution contain information about the snow microstructure, which is essential to complete the knowledge of the mean hardness of each snow layer. Nevertheless, the link between the measured hardness profile and the snow microstructure is not yet fully understood. Indeed, existing inversion models neglect obvious interactions between the cone tip and the snow, such as the formation of a compaction zone, and have only been evaluated through empirical relations to macroscopic properties. The goal of this thesis is to investigate the interaction between the cone and the snow at a microscopic scale using X-ray tomography in order to better invert the hardness profiles into microstructural properties. In this work, we analyze cone penetration tests of a few centimeters and thus the measured profiles contain a non negligible transient part due to the progressive formation of a compaction zone. In order to explicitly account for this process in the inversion model, we successfully developed a non-homogeneous Poisson shot noise model which considers a depth dependency of the rupture occurrence rate. We used this model to characterize snow sintering with cone penetration tests under controlled cold-lab conditions. According to the model, the vertical heterogeneity of hardness profiles was due to variations of the rupture occurrence rate, while the time evolution of the macroscopic force was controlled by bond strengthening. This partition is consistent with the expected sintering processes and provides an indirect validation of the proposed model. The second part of the thesis consists of cold-lab experiments combining cone penetration tests and X-ray tomography. High resolution three dimensional images of the snow sample before and after the cone test were measured. On these images, a novel tracking algorithm was applied to determine granular displacements induced by the test. We precisely quantified the size of the compaction zone and its relation to the snow characteristics. Furthermore, we showed that the observed vertical displacements challenge the use of standard cavity expansion models as inversion models. Finally, we linked the microstructural properties obtained from tomography, such as the bond size or the number of failed bonds, to properties derived from hardness profiles. We showed that the properties estimated from cone penetration tests are proxies of the snow microstructure, but remain too conceptual to expect a straightforward relation. In the future, these studies should make it possible to derive in an objective way the stratigraphy of the snowpack from a simple and fast field measurement.; La prévision du risque d'avalanche, les prévisions hydrologiques et l'estimation du bilan énergétique de la Terre dépendent d'une connaissance précise de la stratigraphie du manteau neigeux. Le test de pénétration du cône, qui consiste à enregistrer la force nécessaire pour faire pénétrer un cône dans le matériau d'intérêt, est largement utilisé pour mesurer des profils de neige. La sonde de battage, développée et utilisée depuis 1930, a été continuellement améliorée. Aujourd'hui, des pénétromètres numériques, tel que le SnowMicroPenetrometer, permettent de mesurer la résistance à la pénétration à vitesse constante avec une résolution verticale de quelques microns. Les fluctuations de force mesurées à cette résolution contiennent des informations sur la microstructure essentielles pour compléter la connaissance de la dureté moyenne de chaque couche de neige. Néanmoins, le lien entre le profil de dureté et la microstructure de la neige n'est pas encore entièrement compris. En effet, les modèles d'inversion existants négligent certaines des interactions entre la pointe du cône et la neige, comme la formation d'une zone de compaction, et ils n'ont été évalués que par des relations empiriques avec des propriétés macroscopiques. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction entre le cône et la neige à une échelle microscopique, à l'aide de la tomographie à rayons X, afin d'extraire, de manière plus précise, les propriétés microstructurelles de la neige à partir des mesures de résistance à la pénétration. Dans ce travail, nous analysons des tests de pénétration du cône de quelques centimètres de profondeur, qui contiennent une partie transitoire non négligeable due à la formation progressive d'une zone de compaction. Afin de prendre en compte explicitement ce processus, nous avons développé un modèle statistitique non-homogène de Poisson, qui prend en compte une dépendance à la profondeur du taux d'occurrence de rupture entre grains de neige. Nous avons utilisé ce modèle pour caractériser le frittage de la neige par des tests de pénétration du cône sous conditions contrôlées dans une chambre froide. D'après le modèle, l'hétérogénéité verticale des profils de dureté était due aux variations du taux d'occurrence de rupture, tandis que l'évolution temporelle de la force macroscopique était contrôlée par un renforcement des ponts. Cette partition est cohérente avec les processus de frittage connus et fournit une validation indirecte du modèle proposé. Une deuxième partie de la thèse a porté sur des expériences en chambre froide combinant des tests de pénétration du cône et de l'imagerie par tomographie X. Des images tri-dimensionnelles à haute résolution d'un échantillon de neige ont été prises avant et après le test du cône. Sur ces images, un nouvel algorithme de suivi de grains a été appliqué pour déterminer les déplacements granulaires induits par le test. Nous avons quantifié avec précision la taille de la zone de compaction et sa relation avec les caractéristiques de la neige. Nous avons montré que les déplacements verticaux observés compliquent l'utilisation de modèles d'expansion de cavité comme modèles d'inversion. Enfin, nous avons lié les propriétés microstructurelles obtenues par tomographie, telles que la taille ou le nombre de ruptures de ponts, à des propriétés dérivées des profils de dureté. Nous avons montré que les propriétés estimées à partir des tests de pénétration du cône sont des approximations de la microstructure de la neige, mais restent trop conceptuelles pour espérer une relation directe. A l'avenir, ces études devraient permettre de dériver, de manière objective, la stratigraphie du manteau neigeux à partir d'une mesure de terrain simple et rapide.

Dry slab snow avalanches represent a major natural hazard that is extremely difficult to manage. Attempts to model this phenomenon are hindered by the lack of a constitutive law that would describe the mechanical behaviour of snow on a material scale. In particular, relatively little is known on the failure and post-failure response of snow at high loading-rates. The highly fragile nature of the material in this deformation regimerenders experimental investigation difficult and complicates observation at the microstructural level.As an alternative to experiments, a Discrete Element Method-based numerical model of snow is developed in this thesis. The model enables us to simulate the response of snow to mechanical loading, while accounting for actual snow microstructure by using X-ray attenuation images of snow microstructure as input. Snow is considered as a cohesive granular material and an original methodology is developed in order to model the shape of each grain. Individual grains are bound into the snow matrix by modelling cohesion between neighbouring grains.The model is then used to explore the macroscopic mechanical response of different snow samples to mixed-mode loading. Three typical modes of failure are observed in all tested snow samples, depending on the level of applied normal stress: a localized shear failure at low normal stress (mode A), a shear failure-induced volumetric collapse at intermediate levels of normal stress (mode B), and a normal failure and collapse for high values of normal stress (mode C). The observed failure modes result in closed failure envelopes and no qualitative difference is observed between the mechanical responses of different snow types.The internal mechanisms that lead to volumetric collapse are further examined on the microscale. Force chain buckling is identified as a trigger of this material instability. Additionally, force chain stability appears to be controlled by the contacts between the force chain members and the surrounding grains. The failure in these contacts, which is evidenced in modes B and C, allows force chain buckling to develop and results in subsequent volumetric collapse., Les avalanches de plaque représentent un risque naturel majeur dont la prévision demeure très difficile. Le manque de lois constitutives fiables à l’échelle du matériau rend difficiles les tentatives de modélisation de ce phénomène. Plus spécifiquement, la réponse mécanique de la neige durant et après la rupture, dans des régimes de chargements rapides , demeure relativement méconnue. La nature particulièrement fragile du matériau au sein de ce régime de déformation rend ardue la réalisation d’expériences et complique l’observation à l’échelle microstructurale.Dans ce travail de thèse, un modèle numérique de neige fondé sur la Méthode des Éléments Discrets a été développé en tant qu’alternative aux expériences. Le modèle nous permet de simuler la réponse de la neige à des chargements mécaniques en tenant compte de la microstructure réelle du matériau grâce à l’intégration d’images acquises par microtomographie à rayons X en entrée du modèle. La neige est considérée comme un matériau granulaire cohesif, et une méthode originale a été développée afin de modéliser la forme de chaque grain. Les grains individuels sont ensuite assemblés pour reconstituer la matrice de la neige grâce à la prise en compte de lois de contact cohésives.Le modèle a été utilisé afin d’explorer la réponse mécanique macroscopique de différent échantillons de neige à un chargement mixte normal-cisaillant. Trois modes de rupture ont été observés dans tous les échantillons de neige testés, en fonction du niveau de contrainte normale appliquée : une rupture en cisaillement localisée pour des niveaux de contrainte normale faibles (mode A), un effondrement normal induit par rupture en cisaillement à des niveaux intermédiaires de contrainte normale (mode B) et un effondrement normal pour des valeurs de contrainte normale élevées (mode C). Ces différents modes de rupture produisent une enveloppe de rupture fermée dans l’espace des contraintes, ce pour les différents types de neige étudiés.Les mécanismes internes conduisant à l’effondrement normal des échantillons ont été étudiés plus en détail à l’échelle microscopique. Il a été montré que ce mode de rupture était associé à un mécanisme de flambement des chaînes de force. En outre, la stabilité de ces chaînes de force semble être contrôlée par les contacts entre les éléments des chaînes et les grains environnants. La rupture de ces contacts, observée dans les modes B et C, autorise le développement du flambement des chaînes de force et aboutit à l’effondrement volumique.

A depth-averaged model based on the thin-layer assumption, called Saint-Venant (Shallow-Water), is classically used to simulate the propagation and the spreading of debris and mud flows. It is based on several approximations concerning the shape of the velocity profile in non-uniform zones. We propose to test these hypotheses, examining a strongly non-uniform zone, the front of free-surface viscoplastic flows and the velocity field within this zone. By improving our knowledge about the internal dynamics in the front zone, we seek to improve the thin-layer models. This thesis therefore focuses on the study of the internal dynamics within the front of viscoplatic free-surface flows.We used the moving conveyor belt to generate stationary flows. We carried out a technical work on this set-up, and specific analysis of images obtained from the high-speed camera, in order to be able to measure velocity fields with a high resolution. The study of a Newtonian fluid was also carried out in order to validate the lubrication model and the experimental device.We compared experimental results to theoretical solutions of two thin-layer models taking into account the Herschel-Bulkley rheology: the classical model of lubrication, which is at the base of Saint-Venant model, and a consistent first-order model specifically developed in this thesis.The first-order model is equal to the zero-order model (lubrication), plus corrective terms derived from the normal stresses and inertia terms.In this study, for the purpose of comparison with our experimental results, we are interested in travelling-wave solutions. We are able to solve the shape of the front without using a depth-averaged model.Far from the front, experimental velocity profiles clearly display the characteristic 2-layer structure predicted by the lubrication solution, with constant values close to the free-surface (plug) and a sheared layer underneath. Closer to surge tip, the shape of experimental longitudinal velocity profilesthen begins to differ from the theoretical prediction. The 2-layer structure tends to disappear, and the profiles display shear across the whole depth ofthe flow. In this tip region, surface velocity also appears to increase faster than its theoretical counterpart. Surface velocity predicted by the first-order model increase more drastically in the tip region, in better agreement with the measurements than the lubrication model. The first-order model predicts a sheared velocity profile when approaching the front, as observed experimentally.The consistent first-order model then provides better predictions about internal dynamics than lubrication model. A depth-integrated model like Saint-Venant, based on consistent first-order developments is then calculated, as a first step before being integrated into an operational simulation tool.; Le modèle de couche mince intégré sur l'épaisseur, Saint-Venant, utilisé classiquement pour simuler la propagation de laves torrentielles et coulées boueuses, repose sur plusieurs approximations concernant la forme des profils de vitesse en zones non-uniformes. Il est pourtant nécessaire d'utiliser ce type de modélisation, comme outil d'aide à la gestion des risques liés aux laves torrentielles. Nous proposons d'éprouver ses hypothèses, en observant une zone fortement non-uniforme, le front de coulées à surface libre et le champ de vitesse à l'intérieur de cette zone.En améliorant notre connaissance de l'évolution de la forme des profils de vitesse (de la dynamique interne) au front de coulées, nous cherchons à améliorer les modèles de couche mince. Cette thèse porte donc sur l'étude de la dynamique interne au front d'écoulements à surface libre de fluides newtoniens et viscoplastiques.Nous avons utilisé le dispositif du canal à fond mobile qui permet de générer des coulées stationnaires dans le référentiel de l'observateur au moyen d'un fond mobile remontant vers l'amont. Nous avons réalisé un travail technique sur ce canal et sur l'analyse des images pour pouvoir mesurer les champs de vitesse à haute résolution spatiale aux fronts de coulées à surface libre de fluides viscoplastiques. L'étude des fluides newtoniens a aussi été réalisée afin de valider les modèles et éprouver le dispositif expérimental.Nous avons comparé les résultats expérimentaux aux solutions théoriques de deux modèles de couche mince adaptés à la rhéologie de Herschel-Bulkley : le modèle classique de la lubrification, à la base du modèle de Saint-Venant et un modèle consistant à l'ordre 1 développé dans cette thèse. Le modèle consistant d'ordre 1 est la somme du modèle à l'ordre 0 (la lubrification) et de termes correctifs qui proviennent des contraintes normales et des termes d'inertie. Dans le cadre de notre configuration du fond mobile remontant vers l'amont, il est possible de déduire la forme du front en cherchant une solution de type onde progressive, sans passer par un modèle intégré dans l'épaisseur.Pour les fluides viscoplastiques, la structure classique du profil de vitesse, avec une zone cisaillée surmontée d'un plug non cisaillé est bien reconnaissable sur nos profils de vitesse en zone uniforme, et en zone faiblement variée. Mais à l'approche du front, cependant, la vitesse de surface augmente, les profils de vitesse expérimentaux deviennent cisaillés sur toute l'épaisseur, conduisant à la disparition du plug à proximité de la ligne de front.Le modèle de lubrification prédit l’existence d'un plug dans le front jusqu'à la ligne de contact, ce qui n'est pas observé expérimentalement. La vitesse de surface du modèle de lubrification augmente à l'approche du front, mais est largement sous-estimée par rapport à la vitesse de surface mesurée. Les vitesses de surface prédites par le modèle d'ordre 1 augmentent plus drastiquement au front, en meilleur accord avec les mesures que le modèle de lubrification. Pour certaines configurations expérimentales l'accord est même très bon. Remarquablement, le cisaillement des profils de vitesse à l'approche du front, observé expérimentalement, est aussi prédit par le modèle d'ordre 1.Les profils de vitesse présentent donc une évolution au front de coulées viscoplastiques en contradiction avec les hypothèses du modèle de Saint-Venant. Le modèle consistant d'ordre 1 permet d'améliorer les prédictions. Un modèle intégré dans l'épaisseur de type Saint-Venant basé sur les développements consistants d'ordre 1 est alors calculé, car il constitue l'étape nécessaire avant d'être intégré dans un outil de simulation opérationnel.

The evaluation of avalanche release depth distributions represents a major challenge for hazard management in mountaineous regions. This depth constitutes an important input ingredient of hazard mapping procedures. This PhD thesis presents a rigorous formalism in which these distributions are expressed through a coupling of mechanical and meteorological factors. The stability criterion of a layered snowpack is investigated using a finite-element analysis accounting for the spatial heterogeneity of weak-layer mechanical properties. Considering that an avalanche can occur only if the snowfall depth exceeds a critical value corresponding to a stability criterion, release depth distributions obtained from the mechanical model are coupled with the distribution of 3-day extreme snowfalls. We show that this coupled model is able to reproduce field data from 369 natural slab avalanches in La Plagne (France). Not only the power-law tail of the distribution, corresponding to large slab depths, but also the core of the distribution for shallow slab depths, are well represented. Small to medium-sized avalanches appear to be controlled mainly by mechanics, whereas large avalanches and the associated power-law exponent, are influenced by a strong mechanical-meteorological coupling. Finally, we demonstrate that the obtained distribution is strongly space dependent, and, using max-stables processes allowing a rigorous spatial interpolation, our coupled model is used to obtain release depth maps for given return periods in the whole French Alps.; La prédétermination de la hauteur de départ des avalanches représente un défi majeur pour l'évaluation du risque en montagne. Cette hauteur constitue en effet un ingrédient d'entrée important des procédures de zonage et de cartographie du risque. Dans cette thèse, nous présentons un formalisme rigoureux dans lequel les distributions de hauteur de départ d'avalanche sont exprimées à travers un couplage des facteurs mécaniques et météorologiques. Le critère de stabilité du système plaque - couche fragile est étudié en utilisant une analyse mécanique par éléments finis prenant en compte l'hétérogénéité spatiale des propriétés mécaniques. Considérant qu'une avalanche ne peut se produire que si la hauteur de chute de neige dépasse une hauteur critique correspondant au critère de stabilité, les distributions de hauteur de départ obtenues à partir du modèle mécanique sont couplées avec la distribution des chutes de neige extrêmes sur 3 jours. Nous montrons que ce modèle couplé est capable de reproduire des données de terrain de 369 avalanches naturelles de plaque à La Plagne (France). Non seulement la queue de la distribution en loi puissance, correspondant à des épaisseurs de plaque élevées, mais aussi le corps de la distribution pour les plaques moins épaisses, sont bien reproduits par le modèle. Les avalanches petites à moyennes semblent être essentiellement contrôlées par la mécanique, tandis que les grosses avalanches et l'exposant de la loi puissance associé, sont influencés par un couplage mécanique - météorologique fort. Par ailleurs, nous démontrons que la distribution obtenue est fortement dépendante de l'espace, et, en utilisant les processus max-stables permettant une interpolation spatiale rigoureuse, notre modèle couplé est utilisé pour obtenir des cartes de hauteur de départ d'avalanche pour différentes périodes de retour sur l'ensemble des Alpes françaises.

The evaluation of avalanche release depth distributions represents a major challenge for hazard management in mountaineous regions. This depth constitutes an important input ingredient of hazard mapping procedures. This PhD thesis presents a rigorous formalism in which these distributions are expressed through a coupling of mechanical and meteorological factors. The stability criterion of a layered snowpack is investigated using a finite-element analysis accounting for the spatial heterogeneity of weak-layer mechanical properties. Considering that an avalanche can occur only if the snowfall depth exceeds a critical value corresponding to a stability criterion, release depth distributions obtained from the mechanical model are coupled with the distribution of 3-day extreme snowfalls. We show that this coupled model is able to reproduce field data from 369 natural slab avalanches in La Plagne (France). Not only the power-law tail of the distribution, corresponding to large slab depths, but also the core of the distribution for shallow slab depths, are well represented. Small to medium-sized avalanches appear to be controlled mainly by mechanics, whereas large avalanches and the associated power-law exponent, are influenced by a strong mechanical-meteorological coupling. Finally, we demonstrate that the obtained distribution is strongly space dependent, and, using max-stables processes allowing a rigorous spatial interpolation, our coupled model is used to obtain release depth maps for given return periods in the whole French Alps., La prédétermination de la hauteur de départ des avalanches représente un défi majeur pour l'évaluation du risque en montagne. Cette hauteur constitue en effet un ingrédient d'entrée important des procédures de zonage et de cartographie du risque. Dans cette thèse, nous présentons un formalisme rigoureux dans lequel les distributions de hauteur de départ d'avalanche sont exprimées à travers un couplage des facteurs mécaniques et météorologiques. Le critère de stabilité du système plaque - couche fragile est étudié en utilisant une analyse mécanique par éléments finis prenant en compte l'hétérogénéité spatiale des propriétés mécaniques. Considérant qu'une avalanche ne peut se produire que si la hauteur de chute de neige dépasse une hauteur critique correspondant au critère de stabilité, les distributions de hauteur de départ obtenues à partir du modèle mécanique sont couplées avec la distribution des chutes de neige extrêmes sur 3 jours. Nous montrons que ce modèle couplé est capable de reproduire des données de terrain de 369 avalanches naturelles de plaque à La Plagne (France). Non seulement la queue de la distribution en loi puissance, correspondant à des épaisseurs de plaque élevées, mais aussi le corps de la distribution pour les plaques moins épaisses, sont bien reproduits par le modèle. Les avalanches petites à moyennes semblent être essentiellement contrôlées par la mécanique, tandis que les grosses avalanches et l'exposant de la loi puissance associé, sont influencés par un couplage mécanique - météorologique fort. Par ailleurs, nous démontrons que la distribution obtenue est fortement dépendante de l'espace, et, en utilisant les processus max-stables permettant une interpolation spatiale rigoureuse, notre modèle couplé est utilisé pour obtenir des cartes de hauteur de départ d'avalanche pour différentes périodes de retour sur l'ensemble des Alpes françaises.