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The impact of ice on structures is a strong concern, in particular for aeronautical or space crafts that are strongly damaged by the impact of atmospheric ice, and more specifically by hailstones during hailstorms. During the impact, the hailstone is submitted to a complex loading including a strong dynamic tensile component that is responsible for its fragmentation and influences the mechanical loading transmitted to the impacted structure. However, up to now, very limited work were conducted on the tensile strength of ice under dynamic loading and the microstructure influence was out the scope of most studies. In particular the presence of porosity in ice as observed in hailstones is thought to significantly affect the ice mechanical response. The aim of this paper is to investigate the role of porosity on the tensile behavior of polycrystalline ice at high strain rates. To do so, spalling tests with a Hopkinson bar apparatus were conducted on microstructures characterized by porosities with two different pore size distributions. The dynamic tensile strength was computed by the use of the so-called Novikov formula and several indicators were used to assess the quality of each test. A whole set of high porosity samples was tested and additional tests were performed on low porosity ice, expanding the existing results in the literature. The fragmentation processes occuring during the spalling tests were observed by means of an ultra high speed camera and the influence of porosity on the main fracture planes was investigated by analysing post-spalling samples with an automatic ice texture analyser and X-ray tomography. Tensile strength is shown to increase with strain rate over the range $$24\,\hbox {s}^{-1}$$ to $$120\,\hbox {s}^{-1}$$ and to decrease with increasing porosity. The presence of large porosities in the high porosity samples appear to contribute preferentially to this strength decrease. Relevant observations concerning the detected cracks, the tortuosity of crack paths and the presence of porosities on the crack surfaces seem to validate the hypothesis of porosities playing a key role for crack initiation and propagation during ice fragmentation.

The bone tissue formed at the contact interface with metallic implants, particularly its 3D microstructure, plays a pivotal role for the structural integrity of implant fixation. X-ray tomography is the classical imaging technique used for accessing microstructural information from bone tissue. However, neutron tomography has shown promise for visualising the immediate bone-metal implant interface, something which is highly challenging with x-rays due to large differences in attenuation between metal and biological tissue causing image artefacts. To highlight and explore the complementary nature of neutron and x-ray tomography, proximal rat tibiae with titanium-based implants were imaged with both modalities. The two techniques were compared in terms of visualisation of different material phases and by comparing the properties of the individual images, such as the contrast-to-noise ratio. After superimposing the images using a dedicated image registration algorithm, the complementarity was further investigated via analysis of the dual modality histogram, joining the neutron and x-ray data. From these joint histograms, peaks with well-defined grey value intervals corresponding to the different material phases observed in the specimens were identified and compared. The results highlight differences in how neutrons and x-rays interact with biological tissues and metallic implants, as well as the benefits of combining both modalities. Future refinement of the joint histogram analysis could improve the segmentation of structures and tissues, and yield novel information about specimen-specific properties such as moisture content.

In this paper, a new Enhanced Finite Element Method (E-FEM) model is proposed to describe 3D shear fractures of quasi-brittle materials such as concrete. Special attention is made to the failure behaviors in cyclic loadings as it is a common phenomenon in practical engineering. Within the framework of the E-FEM, the discontinuities are locally embedded in the finite elements. Here, two kinds of discontinuity enhancements are used in this model: weak discontinuities allow the model to represent heterogeneities in an unstructured mesh explicitly, and strong discontinuities enable the displacement jumps in finite elements to perform cracks and fractures. In this paper, our interest is focused on the shear sliding discontinuity (mode-II). The closure mechanism is also taken into concern, which simulates frictional sliding forward and backward between the lips of cracks. Then the performance of the proposed model is tested and analyzed by comparing it to experimental results. Certain limitations of the simulation are pointed out, and the corresponding solutions are addressed. Finally, the consistencies and differences between the simulation and the experimental results are discussed.

At present, dynamic measurements enable the diagnosis of an existing structure at a global scale (the whole structure), while the identification and assessment of local damage (at each elem...

International audience; Perianeurysmal hemodynamics play a vital role in the initiation, growth and rupture of intracranial aneurysms. In vitro investigations of aneurysmal hemodynamics are helpful to visualize and measure blood flow, and aiding surgical planning approaches. Improving in vitro model creation can improve the feasibility and accuracy of hemodynamic investigations and surgical planning, improving clinical value. In this study, in vitro models were created from three-dimensional rotational angiography (3DRA) of six patients harboring intracranial aneurysms using a multi-step process involving 3D printing, index of refraction matching and silicone casting that renders the models transparent for flow visualization. Each model was treated with the same commercially-available, patient-specific, endovascular devices (coils and/or stents). All models were scanned by synchrotron X-ray microtomography to obtain high-resolution imaging of the vessel lumen, aneurysmal sac and endovascular devices. Dimensional accuracy was compared by quantifying the differences between the microtomographic reconstructions of the fabricated phantoms and the original 3DRA obtained during patient treatment. True-scale in vitro flow phantoms were successfully created for all six patients. Optical transparency was verified by using an index of refraction matched working fluid that replicated the mechanical behavior of blood. Synchrotron imaging of vessel lumen, aneurysmal sac and endovascular devices was successfully obtained, and dimensional errors were found to be O(100 μm). The creation of dimensionally-accurate, optically-transparent flow phantoms of patient-specific intracranial aneurysms is feasible using 3D printing technology. Such models may enable in vitro investigations of aneurysmal hemodynamics to aid in treatment planning and outcome prediction to devise optimal patient-specific neurointerventional strategies.

Conventional fabrication of microfluidic channels/devices faces challenges such as single use channels, material incompartibility, and/or significant time consumption. We propose a flexible platfor...

The amount of tunnels excavated along stratified/sedimentary rock masses in Quangninh coal mine area, Vietnam, is gradually increasing. Rock mass in Quangninh is characterized by beddings between rock layers. The behavior of stratified rock masses surrounding the tunnels depends on both the intact rock and the beddings between rock layers. The main characteristics of stratified rock masses that need to be considered are their heterogeneity and anisotropy. Depending on the dip angle of rock layers, movements and failure zones developed surrounding the tunnels can be asymmetrical over the vertical axis of tunnel. This asymmetry causes adverse behaviors of the tunnel structures. The objective of this study is to highlight convergences and yielded zones developed in rock masses surrounding noncircular tunnels in Quangninh coal mine area using a finite element method. The presence of bedding joints is explicitly simulated. The numerical results indicated that with the increase in dip angle of bedding joints, the stress asymmetry over the tunnel vertical axis increases. It gradually leads to an asymmetry of the failure zone surrounding the tunnel. An increase of rock mass quality means a decrease of rock mass sensitivity to the discontinuities. In addition, a dip angle of the bedding joints of approximately 45° could be considered as the critical angle at which the rock mass mechanism changes between sliding and bending. Keywords: Tunnel, Bedding, Stratification, Anisotropic, Heterogeneity

The standard interpretations of special relativity (Einstein–Minkowski) and general relativity (GR) lead to a drastically changed notion of time: the eternalism or block universe theory. This has strong consequences for our thinking about time and for the development of new fundamental theories. It is therefore important to check this thoroughly. The Lorentz–Poincaré interpretation, which sees the relativistic effects as following from a “true” Lorentz contraction of all objects in their motion through the ether, uses a conservative concept of time and is in the absence of gravitation indistinguishable from the standard interpretation; but there exists currently no accepted gravitation theory for it. The scalar ether theory of gravitation is a candidate for such a theory; it is presented and discussed. The equations of motion for a test particle are derived; the case of a uniformly moving massive body is discussed and then specialized to the case of spherical symmetry. Formulas for the acceleration of test particles are given in the preferred frame of the ether and in the rest frame of the massive body that moves with velocity V with respect to the ether. When the body rests in the ether (V = 0), the acceleration is up to order c−2 identical to GR. The acceleration of a test particle for V ≠ 0 is given; this makes it possible to fit observations in celestial mechanics to ephemerides with V as a free parameter. The current status of such fits (although to ephemerides and not to observations) is presented and discussed.

This article presents the behaviour under fire of a specific ultra-high performance concrete (UHPC) called BCV. Several compositions with synthetic additions such, as polypropylene (PP) fibres and powder or acrylic (PAN) fibres, are mixed to produce these specimens. As a first step, a blowtorch test on prismatic specimens shows that small PP fibres are more efficient in resisting fire. Next, scanning electron microscopic observations after heating reveal significant behavioural differences between PP fibres and PAN fibres during their vaporisation process. Lastly, a mercury intrusion porosimetry investigation following a heating cycle at 350°C indicates that concrete porosity is not a sufficient parameter for determining whether or not a given material composition is resistant to fire spalling. A critical factor dependent on pore size distribution, is proposed herein; its threshold value, i.e. under which the material exhibits a very high probability of being prone to fire spalling, is also estimated.

International audience; Capillary-driven impregnation phenomena occurring in fibre bundles during the processing of composite materials are complex and still not fully understood. Hence, synchrotron X-ray microtomography was used to characterise the longitudinal propagation of the flow front within a parallel arrangement of rigid fibres. The analysis of 3D images enabled the fluid-air interface curvatures, triple line lengths, and local contact angles to be quantified during wetting and dewetting experiments. The results showed that even in quasi-static situations, local contact angles exhibited significant variations along the fibres. These variations also depended on the wetting/dewetting state. The transverse capillary forces measured at the fibre scale from the analysis of 3D images were shown to be of the same order of magnitude as the longitudinal capillary forces. Local curvatures of the fluid-air interface and the resulting estimate of the average capillary pressure proved the relevance of a mesoscale capillary pressure model adapted for fibre bundles.

The design of earthquake-resistant structures depends greatly on the soil–foundation–structure interaction. This interaction is more complex in the presence of liquefiable soils. Pile and rigid inclusion systems represent a useful practice to support structures in the presence of liquefiable soils in seismic zones. Both systems increase the bearing capacity of soil and allow reducing the settlements in the structure. Numerical models with a 3-storey reinforced concrete frame founded on inclusions systems (soil–inclusion–platform–structure) and pile systems (soil–pile–structure) were analyzed. Finite difference numerical models were developed using Flac 3D. Two different soil profiles were considered. A simple constitutive model for liquefaction analysis that relates the volumetric strain increment to the cyclic shear strain amplitude was utilized to represent the behavior of the sand, and the linear elastic perfectly plastic constitutive model with a Mohr–Coulomb failure criterion was used to represent the behavior of the earth platform. Two earthquakes were used to study the influence of the different frequency of excitation in the systems. The results were presented in terms of maximum shear forces distribution in the superstructure and spectrum response of each system. The efforts and displacements in the rigid elements (piles or rigid inclusions) were compared for the different systems. The bending and buckling failure modes of the pile were examined. The results show that the pile system, the soil profile and the frequency of excitation have a great influence on the magnitude and location of efforts and displacements in the rigid elements.

International audience; Grain breakage during compression and shearing is one important mechanism responsible for irrecoverable changes of the mechanical properties of granular materials. Here we present results of triaxial tests on limestone fragments under some monotonic and cyclic stress paths and we investigate the relationships between the progression of grain breakage, the plastic work and the evolution of the critical state line. Using the plastic work concept, we propose a method for determining grain shape and grain breakage indices, and we show how grain breakage influences the critical stress state, and hence the mechanical behaviour. The validity of the relationships is then verified on different granular assemblies (granite fragments and quartz sands), although further tests remain necessary to validate them under more generic stress paths.

Due to their high resistance to extreme loading conditions, ceramic materials have been extensively investigated to be part of vehicle and body armour protections. Combined to a ductile backing, ceramics are very interesting for lightweight bulletproof systems. The link between damage mechanisms occurring in the ceramic upon impact and its microstructural properties is still not well understood. For this reason, a 'make-and-shot' iterative approach is the common way followed to develop this type of material. However, this type of optimisation process is very expensive, time consuming and hardly leads to any conclusions on the link between microstructural features and ballistic performance. The first goal of this PhD is to bring insight on the connection between microstructural properties of the ceramic armour and its failure mechanisms under dynamic loading. The natural second step consists in using these results to improve a modelling, which is representative of ceramic brittle damage under tensile loading on a large range of strain rates.Ceramics are highly sensitive to the presence of inherent defects. Under low loading rate, they have a stochastic strength linked to the size of the most critical defect in the loaded volume. The common approach consists in using quasi-static tests to identify the defects responsible for failure (Weibull approach) and assume that the same ones are causing failure at high loading rates. Such assumption is questioned in the present work. Under high strain rate, numerous cracks are triggered simultaneously from multiple defects, causing an intense and deterministic fragmentation. Six ceramic materials, presenting different microstructural features, are analysed and tested under dynamic conditions in this project. Highly instrumented edge-on impact, normal impact and tandem impact dynamic tests, combined with a micro-tomography analysis of damage patterns, provided a better understanding of the fragmentation properties of the different grades of ceramics. A shockless experimental spalling technique was developed to evaluate the intrinsic tensile strength sensitivity to strain-rate of ceramic materials. To do so, the plate-impact configuration was adapted, using specific flyer-plate geometries designed to generate a tailored loading in the sample. From a hybrid approach mixing numerical simulations and experimental results, the spall-strength of the tested ceramic can be related to a well-controlled loading rate.A new methodology is proposed to model the multiple fragmentation process induced in ceramics under high strain rate. This method is built on the identification of material defects (mainly pores) from micro-tomography analysis. This realistic description of the defect distribution is explicitly implemented in the Denoual-Forquin-Hild (DFH) damage model to predict the dynamic failure behaviour of ceramics under tensile loading, through so-called continuous and discrete approaches. A comparison with experimental results of the fragmentation and spalling tests provided a validation of the approach. Predictions of this micro-mechanical model were compared for a Weibullian distribution of critical defects and a description based on micro-tomography analyses. Comparisons on a large range of strain rates showed that, for materials presenting multiple flaw populations, the Weibull-based solution is highly invalid. In this case, the use of a proper flaw description, obtained via micro-tomography, is much more relevant. These results highlight the importance of considering microstructural features to properly model the failure behaviour of ceramics at high loading rate, and therefore move toward a design of the next generation of ceramic-based armour protections., De par leur aptitude à résister à des chargements mécaniques extrêmes, les céramiques sont utilisées comme matériaux constitutifs de blindages. Couplées à une face arrière ductile, elles permettent un gain de poids considérable. Le lien entre les mécanismes d'endommagement générés au sein de la céramique lors de l'impact, et ses propriétés microstructurales n'est pas encore bien compris. L'approche classique adoptée pour leur développement consiste ainsi à itérer entre la fabrication de nouveaux matériaux et l'évaluation de leurs performances via des essais balistiques. Cependant, ce type d'optimisation est coûteux et ne permet que très rarement de tirer des conclusions sur ce lien entre propriétés microstructurales et performances balistiques. Le premier objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension du lien entre microstructure et mécanismes d'endommagement engendrés sous chargement dynamique. Ces résultats visent à enrichir une modélisation, représentative du comportement fragile des matériaux céramiques sous chargement de traction dynamique, et sur une large gamme de vitesses de déformations.Les matériaux céramiques sont hautement sensibles à la présence de défauts. A faible vitesse de déformation, ils présentent une résistance stochastique reliée à la taille du défaut le plus critique du volume sollicité. L'approche classique consiste à utiliser des essais quasi-statiques pour identifier les défauts responsables de la rupture (approche de Weibull) et supposer qu’ils sont aussi à l'origine du processus de rupture sous chargement dynamique. Ce travail remet en question cette hypothèse. A haute vitesse de déformation, de nombreuses fissures s'amorcent simultanément sur de multiples défauts et conduisent à une fragmentation intense et déterministe. Six matériaux céramiques de propriétés microstructurales différentes sont analysés et testés sous chargement dynamique. Des essais dynamiques, hautement instrumentés, de type impact sur tranche, normal et tandem, combinés à une analyse par micro-tomographie des faciès d’endommagement, ont permis de mieux comprendre leurs propriétés de fragmentation. Une technique d'écaillage par impact de plaques sans choc a été développée pour évaluer la sensibilité à la vitesse de déformation de la résistance intrinsèque en traction de matériaux céramiques. La conception de plaques impactrices ondulées a permis de transmettre un chargement contrôlé à l'échantillon testé. Une approche hybride, combinant des simulations numériques et des résultats expérimentaux, a mis en évidence le lien entre leur résistance à l'écaillage et la vitesse de déformation.Une nouvelle méthodologie est proposée pour modéliser le processus de fragmentation induit dans les céramiques à haute vitesse de chargement. Cette approche s'appuie sur l'identification des défauts (essentiellement des porosités) à partir d'analyses micro-tomographiques. Cette description réaliste de la distribution de défauts est implémentée dans le modèle d'endommagement Denoual-Forquin-Hild (DFH) de façon explicite, via des approches dites discrète et continue, pour prédire le comportement sous chargement de traction dynamique. Une confrontation aux résultats d’essais de fragmentation et d'écaillage, a permis une validation de l'approche. Les prédictions de ce modèle micromécanique sont comparées pour une population de défauts déterminée via l'approche de Weibull et à partir d'analyses micro-tomographiques. Cette étude a montré que, pour des matériaux présentant plusieurs populations de défauts, l'approche de Weibull n'est plus correcte à haute vitesse de déformation, et l'utilisation d'une population de défauts identifiée via micro-tomographie est grandement pertinente. Ces résultats soulignent l'importance de considérer les propriétés microstructurales pour réussir à correctement modéliser le comportement de matériaux céramiques à haute vitesse, et ainsi progresser vers l'optimisation des prochaines solutions de blindage céramique.

International audience

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The increased shear strength of rooted soil recently inspired researchers to assess the stability of vegetated slopes with continuum models and to design anchors by mimicking root system architectu...

Understanding the load transfer mechanism can support engineers having more economical design of geosynthetic reinforced piled embankments. This study aims to investigate the load transfer mechanisms by two different numerical methods including the Discrete Element Method (DEM) and the Finite Difference Method (FDM). The DEM model adopts (a) discrete particles to simulate the micro-structure of the granular materials and (b) coupled discrete element – finite element method (DEM-FEM) to capture the interaction between granular materials and geotextiles. On the other hand, the FDM model uses an advanced constitutive soil model considering the hardening and softening behaviour of the granular materials. The numerical results show that the geotextiles can only contribute to the vertical loading resistance in cases where the soils between piles are soft enough. In terms of design, an optimum value of the geotextile tensile stiffness can be found considering the load, the soft soil stiffness and the thickness of the embankment. Both the DEM and the FDM show that a high geotextile tensile stiffness is not required since an extra stiffness will slightly contribute to the efficiency of the geosynthetic reinforced piled embankments. Nevertheless, both models are useful to optimize the design of geosynthetic reinforced piled embankments.

Hyperstatic Reaction Method (HRM) is a simple but effective method with attractive features in calculating internal forces and deformations of the tunnel lining. The superior ability of the HRM method under static conditions inspires the further development of this method for tunnel seismic design. This paper implements an improved HRM method for estimating seismic-induced internal forces in the tunnel lining in a quasi-static condition. To this end, a modification parameter (a) for approximating the applied active load as well as a varying spring stiffness factor (β) for characterizing the soil-tunnel interaction is incorporated into the existing HRM method. The values of two dimensionless parameters are calibrated through an analytical solution for a wide range of the soil and tunnel lining properties. The efficiency of the improved HRM method is verified against the analytical solution and numerical analysis in several benchmark cases. The comparisons show that the improved HRM method can be used for the preliminary seismic design of tunnels.

The presence of a natural or anthropogenic cavity in a soil mass represents a major source of risk of disruption to surface infrastructures and, in the most serious cases, loss of human life. In order to limit these risks, a preventive solution is preferred. Reinforcement of embankments by geosynthetics in areas of potential collapse is nowadays a widely used solution because it is considered to be more technically and economically relevant. Indeed, traditional treatments, such as filling cavities or bridging them with reinforced concrete slabs, are very costly and require knowledge of the location of the cavity. Often used for granular backfill, the geosynthetic reinforcement solution is not so used for thin cohesive backfill. More precisely, the scientific obstacles that remain to be overcome are linked to the lack of knowledge of the failure modes of cohesive fillings in cavities and to the action of collapsed blocks on the water table. To answer these questions, a consortium of researchers (3SR), operational staff (INERIS) and a geosynthetics producer (AFITEXINOV) has been formed as part of the REGIC project (Reinforcement by Intelligent Geosynthetics on Natural or Anthropic Cavities), financed by ADEME. One of the objectives of the project is to develop and validate for this type of application the use of an innovative geosynthetic with double stiffnesses and instrumented with optical fibres.This thesis essentially aims to meet one of the project's objectives: the understanding of the collapse mechanisms of embankment reinforced by a geosynthetic sheet in the context of cohesive embankments. It is mainly a numerical modelling work, carried out using the SDEC calculation code that couples discrete elements and finite elements. It enables the simulation of the cavity opening phase and the loading phase up to the rupture of the cohesive fill, which is generally thin. The soil is modelled by discrete elements, the layer by finite elements. Discrete element modelling enables the behaviour of the soil under large deformations to be well reproduced numerically, but above all it enables the block failure of the cohesive soil layer to be represented (geometry of the failure lines, block rotation kinematics, etc.). The finite element method was chosen because it is better suited to simulate the continuity of the geosynthetic layer, its membrane and tensile behaviour (with an evolution of stiffness with the level of traction) and its interaction with the soil. This numerical work was validated by experiments on a reduced scale physical model and by in situ tests, which included in particular the analysis of the efficiency of the innovative geosynthetic whose tensile behaviour is qualified as "inverted bimodulus". Numerical modelling has provided access to variables or quantities that are difficult to measure in the laboratory and on site: distribution of vertical stresses transmitted by the ground to the geosynthetic sheet, analysis of load transfers transmitted to the edges of the cavity, etc.The numerical model developed within the framework of this thesis work constitutes a major element for the analysis of experimental phenomena and mechanisms. Indeed, the validation of the numerical model has made it possible to systematically extend its use to different geometries, different forms of surface loading and different reinforcement materials. Finally, this work leads to some practical proposals for the dimensioning of geosynthetics by an analytical method in the context of cohesive backfill., La présence d’une cavité naturelle ou anthropique dans un massif de sol représente une source importante de risque de désordre pour les infrastructures en surface et, dans les cas les plus graves, de perte en vies humaines. Dans le but de limiter ces risques, une solution préventive est privilégiée. Le renforcement des remblais par géosynthétique sur zones d’effondrement potentiel représente, aujourd’hui une solution très utilisée parce qu’elle est considérée plus pertinente techniquement et économiquement. En effet, les traitements traditionnels, comme le comblement des cavités ou leur pontage par dalles en béton armé, sont très coûteux et suppose une connaissance de la localisation de la cavité. Souvent utilisée pour des remblais granulaires, la solution de renforcement par géosynthétique est peu employée pour les remblais cohésifs de faible épaisseur. Plus précisément, les verrous scientifiques qu’il reste à lever sont liés à la méconnaissance des modes de rupture des remblais cohésifs sur cavité et à l’action des blocs effondrés sur la nappe. Pour répondre à ces interrogations, un consortium regroupant des chercheurs (3SR), des opérationnels (INERIS) et un producteur de géosynthétique (AFITEXINOV) s’est constitué dans le cadre du projet REGIC (Renforcement par Géosynthétique Intelligent sur Cavités naturelles ou anthropiques), financé par l’ADEME. L’un des objectifs du projet est de développer et de valider pour ce type d’application l’emploi d’un géosynthétique innovant à double raideurs et instrumenté par des fibres optiques.Cette thèse vise essentiellement à répondre à un des objectifs du projet : la compréhension des mécanismes d’effondrement du remblai renforcé par une nappe géosynthétique dans le contexte des remblais cohésifs. Il s’agit principalement d’un travail de modélisation numérique, effectué à l’aide du code de calcul SDEC qui couple éléments discrets et éléments finis. Il permet de simuler la phase d’ouverture de la cavité et la phase de chargement jusqu’à la rupture du remblai cohésif généralement de faible épaisseur. Le sol est modélisé par éléments discrets, la nappe par éléments finis. La modélisation en éléments discrets permet de bien reproduire numériquement le comportement du sol sous des grandes déformations, mais surtout de représenter la rupture par blocs de la couche de sol cohésif (géométrie des lignes de rupture, cinématique de rotation des blocs, etc.). La méthode des éléments finis a été retenue car plus apte à simuler la continuité de la nappe géosynthétique, son comportement en membrane et en traction (avec une évolution de la raideur avec le niveau de traction) et son interaction avec le sol. Ces travaux numériques ont été validés par des expérimentations sur modèle physique à échelle réduite et par des essais in situ, qui inclut notamment l’analyse de l’efficacité du géosynthétique innovant dont le comportement en traction est qualifié de « bimodule inversé ». La modélisation numérique a permis d’accéder à des variables ou à des grandeurs difficiles à mesurer en laboratoire et sur site : distribution des contraintes verticales transmise par le sol sur la nappe géosynthétique, analyse des reports de charge transmises sur les bords de la cavité, etc.Le modèle numérique développé dans le cadre de ce travail de thèse constitue un élément majeur pour l’analyse des phénomènes et mécanismes expérimentaux. En effet, la validation du modèle numérique a permis d’étendre de manière systématique son utilisation à différentes géométries, différentes formes de chargement en surface et différents matériaux de renforcement. Enfin, ce travail aboutit à quelques propositions pratiques pour le dimensionnement du géosynthétique par une méthode analytique dans le contexte des remblais cohésifs.

In this study on temperature gradient metamorphism in snow, we investigate the hypothesis that there exists a favourable crystalline orientation relative to the temperature gradient, giving rise to a faster formation of crystallographic facets. We applied in situ time-lapse diffraction contrast tomography on a snow sample with a density of 476 kg m−3 subject to a temperature gradient of 52 ∘Cm-1 at mean temperatures in the range between −4.1 and −2.1 ∘C for 3 d. The orientations of about 900 grains along with their microstructural evolution are followed over time. Faceted crystals appear during the evolution, and from the analysis of the material fluxes, we observe higher sublimation–deposition rates for grains with their c axis in the horizontal plane at the beginning of the metamorphism. This remains the case up to the end of the experiment for what concerns sublimation while the differences vanish for deposition. The latter observation is explained in terms of geometrical interactions between grains.

Snow stands out from materials at the Earth’s surface owing to its unique optical properties. Snow optical properties are sensitive to the snow microstructure, triggering potent climate feedbacks. The impacts of snow microstructure on its optical properties such as reflectance are, to date, only partially understood. However, precise modelling of snow reflectance, particularly bidirectional reflectance, are required in many problems, e.g. to correctly process satellite data over snow-covered areas. This study presents a dataset that combines bidirectional reflectance measurements over 500–2500 nm and the X-ray tomography of the snow microstructure for three snow samples of two different morphological types. The dataset is used to evaluate the stereological approach from Malinka (2014) that relates snow optical properties to the chord length distribution in the snow microstructure. The mean chord length and specific surface area (SSA) retrieved with this approach from the albedo spectrum and those measured by the X-ray tomography are in excellent agreement. The analysis of the 3D images has shown that the random chords of the ice phase obey the gamma distribution with the shape parameter m taking the value approximately equal to or a little greater than 2. For weak and intermediate absorption (high and medium albedo), the simulated bidirectional reflectances reproduce the measured ones accurately but tend to slightly overestimate the anisotropy of the radiation. For such absorptions the use of the exponential law for the ice chord length distribution instead of the one measured with the X-ray tomography does not affect the simulated reflectance. In contrast, under high absorption (albedo of a few percent), snow microstructure and especially facet orientation at the surface play a significant role in the reflectance, particularly at oblique viewing and incidence.

International audience; Shake table testing is a very efficient tool in earthquake engineering that may be used to enhance construction methods andthe overall safety of structures. Shake tables permit investigation of the dynamic behaviour of civil engineering structures.This paper details the development of a uniaxial shake table that was designed and built with the objective of limiting its costto a moderate amount, bellow 250 k€. The technical specifications of the shake table are presented as well as the evaluationof its performance and its validation. It is shown that it is possible to build an operational shake table capable of generatingreal seismic motion for the assessment of structural behaviour at a moderate cost.

The discrete element model proposed in this paper addresses the macroscopic behavior of concrete taking into account the presence of free water in pores, thanks to a new interaction law between spherical discrete elements (DE). When concrete structures are subjected to a severe loading, e.g., an impact, material exhibits high triaxial compressive stresses which are highly influenced by the saturation ratio. In this new constitutive model, cracking and compaction are modeled at the interaction level between DEs and free water effects are taken into account by introducing a dependency between the water saturation ratio and the inelastic deformation due to the pore closure. The present numerical model has been implemented in the Yet Another Dynamic Engine code in order to deal with extreme loading situations leading to stress states characterized by a high mean stress level.

International audience

Subsidence can result from the collapse of underground cavities. The impact of such subsidence on existing structures and infrastructures is generally dramatic. Geosynthetic reinforcement (GSY) is an attractive mitigation solution that can be used to reduce this impact. This paper focuses on the mitigation solutions over existing cavities mainly on the GSY mitigation method. A large-scale physical model (1-g) is used to study the subsidence mechanisms and to estimate the efficacy of GSY for both cohesive and granular overlying soils. The results show that the presence of GSY reduces the ground movement due to the cavity progress toward surface, even under significant overload (traffic, localised foundation, etc.). The deformation of the GSY and the scenario for ground surface movement (subsidence or sinkhole) depend on both the soil type and overload intensity. The experimental results are compared to the analytical solutions proposed to design the GSY for cohesive and granular soils. In particular, the influence of the vertical stress distribution acting on the GSY is investigated. Different geometries of stress distribution are proposed for granular soils as a function of the loading mode (self-weight or localised overload). For cohesive soils, the action of the collapsed soil on the GSY sheet is found to be well estimated by considering the effect of a simplified system composed of two well localised punctual forces. The analytical and experimental results obtained are rather similar, proving the relevance of the analytical models in predicting the behaviour of reinforced soil layers taking into consideration the real stress distribution deduced from the experimental results.

This thesis presents experimental and numerical investigations of Ultra-High Performance Concretes (UHPC) in view of intensifying their application as protective structures.The coupled DFHcoh-KST model, describing both confined behavior and tensile damage, is selected to simulate impact problem using the Finite Element (FE) code Abaqus/Explicit. The material parameters are identified for two Ductal® formulations with fibres using existing experimental techniques: such as Quasi-Oedometric Compression (Q-OC) tests, bending tests and spalling tests at the Hopkinson bar. The investigation of the tensile response of UHPC is then extended at strain rates in the range of 103 - 104 s-1 through plate-impact tests. A new testing technique employing a pulse shaping system to ensure a constant loading rate in the specimen is designed using numerical simulation and experienced using the single-stage gas gun installed in the 3SR laboratory. Finally, the UHPC fragmentation under dynamic tension is simulated with discrete and continuous approaches based on X-ray Computed Tomography (CT) analysis of the UHPC pore distributions. This methodology contributes to understanding the role of the microstructure on the observed strain-rate sensitivity of tensile strength and crack density., Cette thèse présente des recherches expérimentales et numériques sur les Bétons à Ultra-Hautes Performances (BHUP) en vue de favoriser leur application technique en tant que structures de protection. Le modèle couplé DFHcoh-KST, décrivant à la fois le comportement confiné et l'endommagement en traction, est sélectionné pour simuler un problème d'impact aux éléments finis (FE) Abaqus/Explicit. Les paramètres matériaux sont identifiés pour deux formulations de Ductal® avec fibres utilisant des techniques expérimentales existantes: tels que les essais de compression quasi-oedométrique (Q-OC), les essais de flexion et les essais d'écaillage à la barre de Hopkinson. L'étude du comportement en traction des BUHP est ensuite étendue à des vitesses de déformation de 103 à 104 s-1 grâce à des essais d'impact sur plaque. Une technique expérimentale novatrice utilisant un système de ‘pulse-shaping’ permettant une vitesse de chargement constante dans l'échantillon est conçue par simulation numérique et expérimentée en utilisant le lanceur à gaz installé au laboratoire 3SR. De plus une modélisation du processus de fragmentation sous chargement de traction dynamique a été développée à l'aide d'approches continue et discrète en se basant sur des analyses par tomographie aux rayons X des distributions des pores des BUHP. Ces travaux de modélisation permettent d'expliciter le rôle de la microstructure sur la sensibilité à la vitesse de déformation de la résistance à la traction et de la densité de fissures générée dans les matériaux étudiés.

The aim of this thesis is to assess the seismic internal stability of geosynthetic reinforced soil retaining walls. The work first deals with deterministic analyses and then focus on probabilistic ones. In the first part of this thesis, a deterministic model, based on the upper bound theorem of limit analysis, is proposed for assessing the reinforced soil wall safety factor or the required reinforcement strength to stabilize the structure. A spatial discretization technique is used to generate the rotational failure surface and give the possibility of considering heterogeneous backfills and/or to represent the seismic loading by the pseudo-dynamic approach. The cases of dry, unsaturated and saturated soils are investigated. Additionally, the crack presence in the backfill soils is considered. This deterministic model gives rigorous results and is validated by confrontation with existing results from the literature. Then, in the second part of the thesis, this deterministic model is used in a probabilistic framework. First, the uncertain input parameters are modeled using random variables. The considered uncertainties involve the soil shear strength parameters, seismic loading and reinforcement strength parameters. The Sparse Polynomial Chaos Expansion that consists of replacing the time expensive deterministic model by a meta-model, combined with Monte Carlo Simulations is considered as the reliability method to carry out the probabilistic analysis. Random variables approach neglects the soil spatial variability since the soil properties and the other uncertain input parameters, are considered constant in each deterministic simulation. Therefore, in the last part of the manuscript, the soil spatial variability is considered using the random field theory. The SIR/A-bSPCE method, a combination between the dimension reduction technique, Sliced Inverse Regression (SIR) and an active learning sparse polynomial chaos expansion (A-bSPCE), is implemented to carry out the probabilistic analysis. The total computational time of the probabilistic analysis, performed using SIR-SPCE, is significantly reduced compared to directly running classical probabilistic methods. Only the soil strength parameters are modeled using random fields, in order to focus on the effect of the spatial variability on the reliability results., L'objectif de cette thèse est de développer, dans le cadre de la mécanique des sols, des méthodes d’analyse de la stabilité interne des murs de soutènement renforcés par géosynthétiques sous chargement sismique. Le travail porte d'abord sur des analyses déterministes, puis est étendu à des analyses probabilistes. Dans la première partie de cette thèse, un modèle déterministe, basé sur le théorème cinématique de l'analyse limite, est proposé pour évaluer le facteur de sécurité d’un mur en sol renforcé ou la résistance nécessaire du renforcement pour stabiliser la structure. Une technique de discrétisation spatiale est utilisée pour générer une surface de rupture rotationnelle, afin de pouvoir considérer des remblais hétérogènes et/ou de représenter le chargement sismique par une approche de type pseudo-dynamique. Les cas de sols secs, non saturés et saturés sont étudiés. La présence de fissures dans le sol est également prise en compte. Ce modèle déterministe permet d’obtenir des résultats rigoureux et est validé par confrontation avec des résultats existants dans la littérature. Dans la deuxième partie du mémoire de thèse, ce modèle déterministe est utilisé dans un cadre probabiliste. Tout d'abord, l’approche en variables aléatoires est utilisée. Les incertitudes considérées concernent les paramètres de résistance au cisaillement du sol, la charge sismique et la résistance des renforcements. L'expansion du chaos polynomial qui consiste à remplacer le modèle déterministe coûteux par un modèle analytique, combinée avec la technique de simulation de Monte Carlo est la méthode fiabiliste considérée pour effectuer l'analyse probabiliste. L'approche en variables aléatoires néglige la variabilité spatiale du sol puisque les propriétés du sol et les autres paramètres modélisés par des variables aléatoires, sont considérés comme constants dans chaque simulation déterministe. Pour cette raison, dans la dernière partie du manuscrit, la variabilité spatiale du sol est considérée en utilisant la théorie des champs aléatoires. La méthode SIR/A-bSPCE, une combinaison entre la technique de réduction dimensionnelle SIR (Sliced Inverse Regression) et une expansion de chaos polynomial adaptative (A-bSPCE), est la méthode fiabiliste considérée pour effectuer l'analyse probabiliste. Le temps de calcul total de l'analyse probabiliste, effectuée à l'aide de la méthode SIR-SPCE, est considérablement réduit par rapport à l'exécution directe des méthode probabilistes classiques. Seuls les paramètres de résistance du sol sont modélisés à l'aide de champs aléatoires, afin de se concentrer sur l'effet de la variabilité spatiale sur les résultats fiabilistes.

International audience; The thin ice covering the polar oceans is a complex geomaterial that is constantly breaking and moving under the action of the wind and ocean currents and that experiences transitions between a brittle solid and a granular fluid state. We have developed a simple continuum mechanical framework in the view of representing accurately its dynamical behavior in regional and global sea ice or coupled climate models. It combines the concepts of elastic memory, progressive damage and viscous-like relaxation of stresses. Here, we present this framework and its ongoing numerical development based on Finite Element, Discontinuous Galerkin methods.

International audience

International audience

A pore scale numerical method dedicated to the simulation of heat transfer and associated thermo–hydro-mechanical couplings in granular media is described. The proposed thermo–hydro-mechanical approach builds on an existing hydro-mechanical model that employs the discrete element method for simulating the mechanical behavior of dense sphere packings and combines it with the finite volume method for simulating pore space fluid flow and the resulting hydro-mechanical coupling. Within the hydro-mechanical framework, the pore space is discretized as a tetrahedral network whose geometry is defined by the triangulation of discrete element method (DEM) particle centers. It is this discretization of DEM particle contacts and tetrahedral pore spaces that enables the efficient conductive and advective heat transfer models proposed herein. In particular, conductive heat transfer is modeled explicitly between and within solid and fluid phases: across DEM particle contacts, between adjacent tetrahedral pores, and between pores and incident particles. Meanwhile, advective heat transfer is added to the existing implicit fluid flow scheme by estimating mass–energy–flux from pressure induced fluid fluxes. In addition to the heat transfer model, a thermo-mechanical coupling is implemented by considering volume changes based on the thermal expansion of particles and fluid. The conduction and advection models are verified by presenting comparisons to an analytical solution for conduction and a fully resolved numerical solution for conduction and advection. Finally, the relevance of the fully coupled thermo–hydro-mechanical model is illustrated by simulating an experiment where a saturated porous rock sample is subjected to a cyclic temperature loading.

International audience

Tunnels are an essential part of infrastructure systems and play an ever-increasing role in the process of urbanization. Nevertheless, severe damage, including collapse, occurred and was reported worldwide in recent decades. Therefore, the research on the design of tunnel against seismic events to effectively mitigate risks and reduce large socio-economic losses due to earthquake disasters received increasing attention. On the other hand, new challenges such as large shield-driven tunnelling in multi-layered formations, tunnelling-induced stress perturbation, as well as uncertain soil property lead to the need for detailed investigation of their potential influences.This dissertation aims at investigating the tunnel seismic response using deterministic and probabilistic approaches. The analyses are based on two-dimensional nonlinear simulations using the explicit finite difference code FLAC. First, a critical assessment of the Rayleigh damping use in nonlinear numerical models is conducted to highlight its significant importance and to provide a selection guideline for the subsequent analyses. Then, the tunnel construction impact is incorporated in the numerical models with the convergence-confinement method. The tunnel seismic responses for various initial stress states are then presented. Next, theoretical and numerical studies are performed to reveal the mechanical mechanism of an underlying soft soil layer for the tunnel seismic protection. Finally, the uncertainty of the soil parameters is introduced into the model as random variables. The sparse polynomial chaos expansion based Global Sensitivity Analysis and the conventional Monte Carlo simulations are respectively utilized to identify the most important variables and quantify the variability in the tunnel seismic deformations. The presented work considers a more realistic soil-tunnel system, thus it provides valuable insights for the behavior of tunnels under seismic loadings.; Les tunnels constituent une des parties essentielles des systèmes d'infrastructure et jouent un rôle de plus en plus important dans le processus d'urbanisation. Néanmoins, de graves dommages, dont des effondrements, se sont produits et ont été recensés dans le monde entier au cours des dernières décennies. Par conséquent, la recherche sur la conception des tunnels notamment en zone sismique afin d’atténuer efficacement les risques et de réduire les pertes socio-économiques importantes dues aux tremblements de terre a reçu une attention croissante. D'autre part, de nouveaux défis tels que les tunnels de grande section excavés à l’aide de tunneliers dans des horizons multicouches, la perturbation du champ de contraintes induit par les tunnels, ainsi que l’incertitude des propriétés des sols, nécessitent une étude détaillée de leurs influences potentielles.Cette thèse vise à étudier la réponse sismique de tunnels à l'aide d'approches déterministes et probabilistes. Les analyses sont basées sur des simulations non linéaires bidimensionnelles utilisant le code de différences finies explicite FLAC. Tout d'abord, une évaluation critique de l'utilisation de l'amortissement de Rayleigh dans les modèles numériques non linéaires est menée afin de mettre en évidence son importance et de fournir des règles pour les analyses ultérieures. L'impact de la construction des tunnels a ensuite été intégré dans les modèles numériques en utilisant la méthode convergence-confinement. La réponse sismique des tunnels pour divers états de contrainte initiaux est ensuite présentée. Des études théoriques et numériques sont effectuées pour contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes liées à la présence d’une couche de sol compressible sous-jacente pour la protection sismique des ouvrages souterrains. Enfin, l'incertitude des paramètres du sol est introduite dans les modèles numériques sous forme de variables aléatoires. La méthode probabiliste Sparse Polynomial Chaos Expansion combinée à une analyse de sensibilité globale et des simulations de type Monte Carlo sont utilisées pour identifier les variables les plus importantes et quantifier la variabilité des déformations sismiques en tunnel. Le travail présenté considère un système d’interaction sol/tunnel réaliste qui permet de fournir des informations précieuses sur le comportement des tunnels sous chargement sismique.

Tunnels are an essential part of infrastructure systems and play an ever-increasing role in the process of urbanization. Nevertheless, severe damage, including collapse, occurred and was reported worldwide in recent decades. Therefore, the research on the design of tunnel against seismic events to effectively mitigate risks and reduce large socio-economic losses due to earthquake disasters received increasing attention. On the other hand, new challenges such as large shield-driven tunnelling in multi-layered formations, tunnelling-induced stress perturbation, as well as uncertain soil property lead to the need for detailed investigation of their potential influences.This dissertation aims at investigating the tunnel seismic response using deterministic and probabilistic approaches. The analyses are based on two-dimensional nonlinear simulations using the explicit finite difference code FLAC. First, a critical assessment of the Rayleigh damping use in nonlinear numerical models is conducted to highlight its significant importance and to provide a selection guideline for the subsequent analyses. Then, the tunnel construction impact is incorporated in the numerical models with the convergence-confinement method. The tunnel seismic responses for various initial stress states are then presented. Next, theoretical and numerical studies are performed to reveal the mechanical mechanism of an underlying soft soil layer for the tunnel seismic protection. Finally, the uncertainty of the soil parameters is introduced into the model as random variables. The sparse polynomial chaos expansion based Global Sensitivity Analysis and the conventional Monte Carlo simulations are respectively utilized to identify the most important variables and quantify the variability in the tunnel seismic deformations. The presented work considers a more realistic soil-tunnel system, thus it provides valuable insights for the behavior of tunnels under seismic loadings., Les tunnels constituent une des parties essentielles des systèmes d'infrastructure et jouent un rôle de plus en plus important dans le processus d'urbanisation. Néanmoins, de graves dommages, dont des effondrements, se sont produits et ont été recensés dans le monde entier au cours des dernières décennies. Par conséquent, la recherche sur la conception des tunnels notamment en zone sismique afin d’atténuer efficacement les risques et de réduire les pertes socio-économiques importantes dues aux tremblements de terre a reçu une attention croissante. D'autre part, de nouveaux défis tels que les tunnels de grande section excavés à l’aide de tunneliers dans des horizons multicouches, la perturbation du champ de contraintes induit par les tunnels, ainsi que l’incertitude des propriétés des sols, nécessitent une étude détaillée de leurs influences potentielles.Cette thèse vise à étudier la réponse sismique de tunnels à l'aide d'approches déterministes et probabilistes. Les analyses sont basées sur des simulations non linéaires bidimensionnelles utilisant le code de différences finies explicite FLAC. Tout d'abord, une évaluation critique de l'utilisation de l'amortissement de Rayleigh dans les modèles numériques non linéaires est menée afin de mettre en évidence son importance et de fournir des règles pour les analyses ultérieures. L'impact de la construction des tunnels a ensuite été intégré dans les modèles numériques en utilisant la méthode convergence-confinement. La réponse sismique des tunnels pour divers états de contrainte initiaux est ensuite présentée. Des études théoriques et numériques sont effectuées pour contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes liées à la présence d’une couche de sol compressible sous-jacente pour la protection sismique des ouvrages souterrains. Enfin, l'incertitude des paramètres du sol est introduite dans les modèles numériques sous forme de variables aléatoires. La méthode probabiliste Sparse Polynomial Chaos Expansion combinée à une analyse de sensibilité globale et des simulations de type Monte Carlo sont utilisées pour identifier les variables les plus importantes et quantifier la variabilité des déformations sismiques en tunnel. Le travail présenté considère un système d’interaction sol/tunnel réaliste qui permet de fournir des informations précieuses sur le comportement des tunnels sous chargement sismique.

The understanding, modeling and prediction of failure in heterogeneous materials are important issues for many applications such as the resistance of civil engineering structures or rock detachments for example. Currently, damage models involve an internal length that is not yet explicitly related to the characteristic lengths of the material. The objective of this work is to study the influence of material heterogeneities on cracking processes using paper as a model material. Indeed, this material has the property to reveal its structure (fibers and fiber aggregates) by optical transmission and thus allows following the evolution of the damage during the rupture at lower costs. In a first step, the local structural and mechanical properties of the fiber aggregates were obtained from images acquired by X-ray tomography and tensile tests. Filmed tensile tests were then used to visualize the development of the fracture process zone and to relate its dimensions to the post-peak behaviour of the tensile curve. On the basis of this analysis, a novel method of calibration of the internal length was proposed on a non-local continuous damage model. The role of the different characteristic lengths of the material was highlighted by these results which were complemented by a study of the crack propagation statistics in a heterogeneous material using a Fiber Bundle Model that we have extended to spatially correlated random fields of rupture., La compréhension, la modélisation et la prévision de la rupture dans les matériaux hétérogènes sont des enjeux importants pour de nombreuses applications comme la résistance des structures de génie-civil ou les détachements de blocs rocheux par exemple. Actuellement, la modélisation de la fissuration dans les modèles d’endommagement fait intervenir une longueur interne qui n’est pas encore reliée explicitement aux longueurs caractéristiques du matériau. L’objectif de ce travail est d’étudier l’influence des hétérogénéités du matériau sur les processus de fissuration en utilisant le papier comme matériau d’étude. Ce matériau a en effet la propriété de révéler sa structure (fibres et agrégats de fibres) par transmission optique et permet ainsi de suivre l’évolution de l’endommagement au cours de la rupture à moindres coûts. Dans un premier temps, les propriétés structurales et mécaniques locales des agrégats de fibres ont été obtenues à partir d’images acquises par tomographie à rayons X et d’essais de tractions. Des essais de traction filmés ont ensuite permis de visualiser le développement de la zone d’endommagement et de relier ses dimensions au comportement post-pic de la courbe de traction. Sur la base de cette analyse, une méthode originale de calage de la longueur interne a été proposée sur un modèle d’endommagement continu non local. Le rôle des différentes longueurs caractéristiques du matériau a été mis en évidence par ces résultats qui ont été complétés par une étude de la statistique de propagation de fissure dans un matériau hétérogène en utilisant un Fiber Bundle Model (modèle à faisceaux de fibres), que nous avons dans le cadre de cette thèse étendu à des champs aléatoires de rupture corrélés dans l’espace.

The understanding, modeling and prediction of failure in heterogeneous materials are important issues for many applications such as the resistance of civil engineering structures or rock detachments for example. Currently, damage models involve an internal length that is not yet explicitly related to the characteristic lengths of the material. The objective of this work is to study the influence of material heterogeneities on cracking processes using paper as a model material. Indeed, this material has the property to reveal its structure (fibers and fiber aggregates) by optical transmission and thus allows following the evolution of the damage during the rupture at lower costs. In a first step, the local structural and mechanical properties of the fiber aggregates were obtained from images acquired by X-ray tomography and tensile tests. Filmed tensile tests were then used to visualize the development of the fracture process zone and to relate its dimensions to the post-peak behaviour of the tensile curve. On the basis of this analysis, a novel method of calibration of the internal length was proposed on a non-local continuous damage model. The role of the different characteristic lengths of the material was highlighted by these results which were complemented by a study of the crack propagation statistics in a heterogeneous material using a Fiber Bundle Model that we have extended to spatially correlated random fields of rupture.; La compréhension, la modélisation et la prévision de la rupture dans les matériaux hétérogènes sont des enjeux importants pour de nombreuses applications comme la résistance des structures de génie-civil ou les détachements de blocs rocheux par exemple. Actuellement, la modélisation de la fissuration dans les modèles d’endommagement fait intervenir une longueur interne qui n’est pas encore reliée explicitement aux longueurs caractéristiques du matériau. L’objectif de ce travail est d’étudier l’influence des hétérogénéités du matériau sur les processus de fissuration en utilisant le papier comme matériau d’étude. Ce matériau a en effet la propriété de révéler sa structure (fibres et agrégats de fibres) par transmission optique et permet ainsi de suivre l’évolution de l’endommagement au cours de la rupture à moindres coûts. Dans un premier temps, les propriétés structurales et mécaniques locales des agrégats de fibres ont été obtenues à partir d’images acquises par tomographie à rayons X et d’essais de tractions. Des essais de traction filmés ont ensuite permis de visualiser le développement de la zone d’endommagement et de relier ses dimensions au comportement post-pic de la courbe de traction. Sur la base de cette analyse, une méthode originale de calage de la longueur interne a été proposée sur un modèle d’endommagement continu non local. Le rôle des différentes longueurs caractéristiques du matériau a été mis en évidence par ces résultats qui ont été complétés par une étude de la statistique de propagation de fissure dans un matériau hétérogène en utilisant un Fiber Bundle Model (modèle à faisceaux de fibres), que nous avons dans le cadre de cette thèse étendu à des champs aléatoires de rupture corrélés dans l’espace.

The objective of this doctoral thesis consists in the characterization of diffuse and localized deformations during monotonic loading of both isotropic and anisotropic porous sandstones. In particular, the kinematics of emerging and persistent strain localization structures are investigated in a combination of complementary experimental, analytical and numerical approaches, exploring the effect of different true triaxial loading paths in the octahedral plane.A series of experimental loading tests have been performed in a laboratory environment comprising a high pressure true triaxial apparatus (TTA), which is designed to provide access to full-field measurements of one of the sample surfaces at high spacial and temporal resolutions. Important developments contributed in this work enabled to extend the capabilities for this apparatus to perform invariant controlled loading paths, while acquiring direct strain measurements from a combination of strain gauges and digital image correlation (DIC). Using this apparatus, two experimental campaigns have been realized, focusing on the mechanical characterization of both a well-studied isotropic Vosges sandstone and a newly studied anisotropic Vosges sandstone. The later sandstone has been selected for the organization of its granular fabric in thin bedding plane layers of variable porosity. The results from these series of mechanical loading experiments contribute an original insight into the emergence and development of localized deformation during different stages of loading. A combined analysis is performed on the evolution of the macroscopic stress-strain responses, full-field measurements of incremental strains through DIC, as well as post-mortem x-ray tomography. Additionally, in this investigation exploring rarely considered loading paths, the independent role of the mean stress, the Lode angle and the orientation of the bedding planes is systematically studied according to their respective influence on the material strength, the manifestation of localized structures and the transition towards a ductile behavior of the material.In terms of analytical development, a bifurcation analysis is proposed for a novel three invariant model, validated with experimental results obtained for the isotropic sandstone. This theoretical model, proved to be successful in predicting both the deformation band inclination and the dilatancy angle of the material at failure.In parallel, a double scale model based on numerical homogenization is presented. In this approach, a macro 2D finite element model (FEM) is coupled to a micro 3D discrete element model (DEM) at the particle scale of a representative elementary volume (REV) in the frame of a hierarchical scheme (FEMxDEM), with second gradient regularization. This model is extended in the scope of this work to the study of cemented granular materials, with the development of a frictional-cohesive damageable contact law, implemented at the DEM level. In an extensive series of true triaxial loading simulations, the hierarchical numerical model is used to explore both the influence of different micro-structural arrangements (DEM) and heterogeneities at the sample scale (FEM). In this respect, two types of anisotropies resulting from heterogeneities defined at each scales are further investigated. The mechanical response and localized deformation, emerging from the micro-scale constitutive model, is shown to display significant correspondence with experimental observations in the studied Vosges sandstones.This combination of advanced experimental, analytical and numerical studies contributes a unique insight into important and open questions regarding the mechanical response and deformation processes of cemented granular materials, Ce travail de thèse s'intéresse à la caractérisation de la déformation diffuse et localisée dans les grès isotropes et anisotropes sous contrainte de chargement monotone. En particulier, la cinématique de la localisation émergente et continue est étudiée dans une approche à la fois expérimentale, analytique et numérique, explorant l'effet de différentes sollicitations triaxial vrai dans le plan octaédrique.Plusieurs séries d'essais expérimentaux ont été réalisées en laboratoire, au sein d'une cellule de chargement en triaxial vrai (TTA), permettant la mesure de champs cinématiques à haute résolution spatiale et temporelle à la surface de l'échantillon. D'importants développements apportés au court de ce travail de thèse ont permis l'implémentation de modes de chargement par contrôle des invariants du tenseur de contrainte, tout en mesurant les déformations en temps réel par combinaison de jauges de déformation et mesures par corrélation d'images numériques (DIC). Utilisant cet appareil expérimental, deux campagnes d'essais ont été réalisées, mettant l'emphase sur la caractérisation du comportement mécanique d'un grès des Vosges isotrope largement étudié, ainsi que d'un grès des Vosges anisotrope nouvellement étudié. Ce dernier grès ayant été sélectionné pour sa composition matérielle en plans de litage orienté et organisé en couches de différentes porosités. Les séries d'essais mécaniques sur ces grès fournissent un apport important à la compréhension du caractère émergent et évolutif de la localisation, à différents stades du chargement déviatoire. Le caractère unique ce ces essais permet ainsi une analyse comparative approfondie entre la réponse macroscopique en contrainte-déformation et l'analyse des champs cinématiques par la DIC, et par tomographie à rayons X post-mortem. De plus, explorant des chemins de contrainte encore peu étudiés, l'analyse des essais expérimentaux sur le rôle indépendant de la contrainte moyenne, de l'angle de Lode et de l’orientation des plans de litage apporte une contribution novatrice à l'étude du comportement mécanique des roches poreuses. En particulier, la résistance à la rupture du grès, la manifestation de la localisation , ainsi que la transition du comportement ductile sont étudiées sous différentes conditions de chargement.En ce qui a trait au développement analytique, une analyse en bifurcation est proposée pour un modèle original à trois invariants, validé dans le cas des essais expérimentaux obtenus pour le grès isotrope. La pertinence de ce modèle théorique est démontrée pour la prédiction de l'orientation des bandes de cisaillement et de l'angle de dilatance à la rupture.Parallèlement, un modèle double-échelle basé sur l'homogénéisation numérique est présenté. Dans cette approche combinée, un modèle macroscopique en 2D des éléments finis (FEM) est couplé à un modèle microscopique en 3D des éléments discrets (DEM), sur la base d'un volume élémentaire représentative (VER) et dans la cadre d'un système hiérarchique (FEMxDEM) comportant une régularisation par second gradient. Ce modèle est étendu dans la portée des présents travaux pour l'étude des matériaux granulaire cimentés, par le développement d'une loi frictionnelle-cohésive endommageable au niveau de la DEM. Dans une vaste étude numérique de simulations en conditions de chargement triaxial vrai, ce modèle hiérarchique est utilisé afin d'explorer l'effet de différents arrangements granulaire (DEM), ainsi que différentes distributions hétérogènes à l'échelle macroscopique (FEM). En ce sens, deux types d'anisotropies résultant de l'hétérogénéité, définie à chacune des échelles, sont davantage étudiés. La réponse mécanique et la déformation localisée, émergeant du modèle constitutif à l'échelle du VER, démontrent une bonne concordance des comportements mécaniques complexes par rapport aux résultats de l'étude expérimentale.

The assessment of the internal stability of geosynthetic-reinforced earth retaining walls has historically been investigated in previous studies assuming dry backfills. However, the majority of the failures of these structures are caused by the water presence. The studies including the water presence in the backfill are scarce and often consider saturated backfills. In reality, most soils are unsaturated in nature and the matric suction plays an important role in the wall's stability. This paper investigates the internal seismic stability of geosynthetic-reinforced unsaturated earth retaining walls. The groundwater level can be located at any reinforced backfill depth. Several nonlinear equations relating the unsaturated soil shear strength to the matric suction and different backfill type of soils are considered in this study. The log-spiral failure mechanism generated by the point-to-point method is considered. The upper-bound theorem of the limit analysis is used to evaluate the strength required to maintain the reinforced soil walls stability and the seismic loading are represented by the pseudo-dynamic approach. A parametric study showed that the required reinforcement strength is influenced by several parameters such as the soil friction angle, the horizontal seismic coefficient, the water table level, the matric suction distribution as well as the soil types and the unsaturated soils shear strength.

Discrete granular models are a natural choice when simulating dense suspensions, when the small distances between the particles lead to dominant contributions by lubrication and contact forces. In such case one can get rid of the costly resolution of Navier-Stokes equations, using closed form expressions for lubrication terms. However, those terms diverge when two hard spheres approach contact, and there are issues when integrating them directly with the finite precision of floating point calculations. In this paper, we introduce a visco-elasto-plastic interaction model for suspended spheres, which combines lubrication and elastic-frictional contact behaviour depending on surface roughness. An integration scheme is proposed for that model. Unlike earlier methods, the scheme enables an unconditionally stable time-integration of the interactions. The case of perfectly smooth spheres (null roughness), namely, is integrated correctly. The theoretical results are well reproduced in benchmark tests on two-sphere systems: one sphere sedimenting on one other and two spheres in a shear flow. From these benchmark tests, we propose phase diagrams showing the interplay between viscosity, roughness and stiffness. The second test case highlights the origin of non-reversibility particle trajectories. It is controlled by the particle roughness for rigid particles, and by the particle deformation when the capillary number is higher than the relative roughness.

Spam, the Software for the Practical Analysis of Materials is a Python library that has evolved to cover needs of data analysis from 3D x-ray tomography work and correlated random fields with mechanical applications. Spam is first and foremost a measurement package that extends the extremely convenient framework of NumPy and SciPy by providing or accelerating tools for the material- science/mechanics oriented analysis of 2D images or 3D volumes representing field measurements. Typical uses are either the measurement of displacements fields between images of a deforming sample from which strains can be computed, or the characterisation of a particular microstructure (correlation length or particle orientation). The package is organised into a library of Python tools which are expected to be used in user-written scripts and a number of more sophisticated standalone scripts. Please see the online documentation. Spam is developed on a git repository hosted at Université Grenoble Alpes. This deposit is the version 0.5.2 that was reviewed and accepted on the Journal of Open Source Software

NeXT-Grenoble is a Neutron and X-ray Tomograph launched from the collaboration between the Universite Grenoble Alpes (UGA) and the Institut Laue Langevin (ILL). The design started in February 2016 shortly followed by its construction at ILL. A first version of the instrument has been opened to users since October 2016. One of the peculiarities of the instrument is that, as suggested by the name, the instrument allows the acquisition of truly simultaneous Neutron and X-ray tomographies, taking advantage of the high complementarity of these two beams. Also by virtue of the uniquely high flux at the ILL, the instrument can provide unprecedented spatial resolution (around true resolution, in few tens of seconds) and acquisition speed (1.5 s tomographies). This contribution details the adopted technical solutions and performances achieved, reviews some of the key published results and outlines the future direction of the instrument.

The Maxwell radiation field is an essential physical characteristic of a galaxy. Here, an analytical model is built to simulate that field in an axisymmetric galaxy. This analytical model is based on an explicit representation for axisymmetric source-free Maxwell fields. In a previous work, the general applicability of this representation has been proved. The model is adjusted by fitting to it the sum of spherical radiations emitted by the composing "stars". The huge ratio distance/wavelength needs to implement a numerical precision better than the quadruple precision. The model passes a validation test based on a spherically symmetric solution. The results for a set of "stars" representative of a disk galaxy indicate that the field is highest near to the disk axis, and there the axial component of ${\bf E}$ dominates over the radial one. This work will allow us in the future to check if the interaction energy predicted by an alternative theory of gravitation might be a component of dark matter. {\bf Keywords:} Disk galaxy; Maxwell equations; axial symmetry; exact solutions; numerical model; dark matter., 33 pages, 9 figures

The thesis topic is the geogrid-reinforced layer based on the Discrete Element Method (DEM). The main objective of the research is to improve the understanding of the interaction between generic geogrids and granular materials, especially those related to micromechanisms. The perspective is that this work can contribute to new studies related to the use of geogrids to optimize the design of such reinforcement. Geogrids as granular layer reinforcement elements have a successful application history throughout the world. In many cases, these structures provide a significantly economical, safe, and environmentally friendly solution. However, the development and optimization of this solution must deal with the complex behavior between the reinforcement and granular material. Thus, the use of numerical methods capable of reproducing the geogrid mechanical behavior (i.e., stretching, bending, shearing, and twisting) and the grain scale soil behavior at the vicinity of the geogrid (i.e., rolling, friction, and abutment effect) can contribute greatly to a better understanding of the soil-geogrid interaction. DEM-based models have this feature with a relatively small number of parameters. Despite this, representative geogrid modeling is still a demand. This thesis comprises a new proposal for discrete geogrid modeling using deformable elements. The numerical construction involved the extensible open-source framework for discrete numerical models YADE and focused on obtaining a realistic flat shape for members of a generic geogrid. Geogrid pullout simulations made it possible to verify the mechanical behavior of the samples and to evaluate the mobilization of forces in the reinforcement. The simulations comprised samples with different amounts of spherical and non-spherical particles. The results obtained were consistent and showed that the particle angularity and the relative size between geogrid openings and particles have a significant influence on the reinforcement strength mobilization. It was also possible to verify that the stresses mobilized in the transverse members of the geogrid during its pullout are significantly lower than those of the longitudinal members, but they are not negligible. Despite the determination of contact parameters is still a difficulty for real cases, the discrete numerical model presented contributes to future studies aiming at the interaction between geogrid and granular materials., Le travail de thèse porte sur la modélisation numérique par la méthode des éléments discrets (MED) du renforcement des sols granulaires par des géogrilles. L'objectif principal de ces travaux est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'interaction entre la géogrille et les matériaux granulaires, en particulier ceux liés aux micro-mécanismes. En perspective, ces travaux peuvent contribuer au développement et à l'optimisation de nouveaux produits pour des applications spécifiques. Les géogrilles, en tant qu'éléments de renforcement des couches granulaires ont, par le passé, démontré leur efficacité à travers le monde. Dans de nombreux cas, ces structures apportent une solution le plus souvent économique, sûre et respectueuse de l'environnement. Cependant, le développement et l'optimisation de cette solution doivent tenir compte du comportement d'interaction complexe entre le renforcement et le matériau granulaire. Ainsi, l'utilisation de méthodes numériques capables de reproduire le comportement mécanique de la géogrille (étirement, flexion, cisaillement et torsion) et le comportement du sol à l'échelle du grain au voisinage de la géogrille (effet de roulement, de frottement et de butée) peut contribuer grandement à une meilleure compréhension de l'interaction sol-géogrille. Les modèles numériques basés sur la MED offre cette possibilité tout en ne nécessitant qu'un nombre relativement restreint de paramètres. Toutefois, la mise au point d'un modèle numérique de géogrilles représentatif des produits actuels reste une demande non satisfaite. Cette thèse comprend une nouvelle proposition de modélisation des géogrilles par la méthode des éléments discrets, basée sur l'utilisation d'éléments déformables. Les développements numériques ont été réalisés à partir du code open source YADE. Ils avaient pour objectif la définition d'une géométrie de géogrille générique constituée de brins de forme aplatie, comme c'est généralement le cas dans la pratique. Des simulations numériques d'essais d'extraction de géogrilles ont permis d'analyser le comportement d'interaction entre la grille et le sol granulaire et d'étudier la mobilisation progressive des forces de tension dans le renforcement. Des échantillons numériques comportant des particules sphériques ou non sphériques (clumps constitués de plusieurs sphères imbriquées) de différentes tailles ont été utilisés. Les résultats obtenus montrent que la forme des particules et leur taille relative (comparativement à la taille des ouvertures de la géogrille) ont une influence significative sur la mobilisation et l'intensité des forces d'extraction. Il a également été possible de vérifier que les efforts mobilisés dans les brins transversaux de la géogrille au cours des tests d'extraction sont nettement inférieurs à ceux des brins longitudinaux, mais qu'ils ne sont pas négligeables. Bien que la détermination des paramètres de contact reste une difficulté pour des applications à des cas réels, le modèle numérique discret semble être un outil pertinent et très prometteur pour l'étude de l'interaction entre tout type de géogrille et matériaux granulaires.

The thesis topic is the geogrid-reinforced layer based on the Discrete Element Method (DEM). The main objective of the research is to improve the understanding of the interaction between generic geogrids and granular materials, especially those related to micromechanisms. The perspective is that this work can contribute to new studies related to the use of geogrids to optimize the design of such reinforcement. Geogrids as granular layer reinforcement elements have a successful application history throughout the world. In many cases, these structures provide a significantly economical, safe, and environmentally friendly solution. However, the development and optimization of this solution must deal with the complex behavior between the reinforcement and granular material. Thus, the use of numerical methods capable of reproducing the geogrid mechanical behavior (i.e., stretching, bending, shearing, and twisting) and the grain scale soil behavior at the vicinity of the geogrid (i.e., rolling, friction, and abutment effect) can contribute greatly to a better understanding of the soil-geogrid interaction. DEM-based models have this feature with a relatively small number of parameters. Despite this, representative geogrid modeling is still a demand. This thesis comprises a new proposal for discrete geogrid modeling using deformable elements. The numerical construction involved the extensible open-source framework for discrete numerical models YADE and focused on obtaining a realistic flat shape for members of a generic geogrid. Geogrid pullout simulations made it possible to verify the mechanical behavior of the samples and to evaluate the mobilization of forces in the reinforcement. The simulations comprised samples with different amounts of spherical and non-spherical particles. The results obtained were consistent and showed that the particle angularity and the relative size between geogrid openings and particles have a significant influence on the reinforcement strength mobilization. It was also possible to verify that the stresses mobilized in the transverse members of the geogrid during its pullout are significantly lower than those of the longitudinal members, but they are not negligible. Despite the determination of contact parameters is still a difficulty for real cases, the discrete numerical model presented contributes to future studies aiming at the interaction between geogrid and granular materials.; Le travail de thèse porte sur la modélisation numérique par la méthode des éléments discrets (MED) du renforcement des sols granulaires par des géogrilles. L'objectif principal de ces travaux est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'interaction entre la géogrille et les matériaux granulaires, en particulier ceux liés aux micro-mécanismes. En perspective, ces travaux peuvent contribuer au développement et à l'optimisation de nouveaux produits pour des applications spécifiques. Les géogrilles, en tant qu'éléments de renforcement des couches granulaires ont, par le passé, démontré leur efficacité à travers le monde. Dans de nombreux cas, ces structures apportent une solution le plus souvent économique, sûre et respectueuse de l'environnement. Cependant, le développement et l'optimisation de cette solution doivent tenir compte du comportement d'interaction complexe entre le renforcement et le matériau granulaire. Ainsi, l'utilisation de méthodes numériques capables de reproduire le comportement mécanique de la géogrille (étirement, flexion, cisaillement et torsion) et le comportement du sol à l'échelle du grain au voisinage de la géogrille (effet de roulement, de frottement et de butée) peut contribuer grandement à une meilleure compréhension de l'interaction sol-géogrille. Les modèles numériques basés sur la MED offre cette possibilité tout en ne nécessitant qu'un nombre relativement restreint de paramètres. Toutefois, la mise au point d'un modèle numérique de géogrilles représentatif des produits actuels reste une demande non satisfaite. Cette thèse comprend une nouvelle proposition de modélisation des géogrilles par la méthode des éléments discrets, basée sur l'utilisation d'éléments déformables. Les développements numériques ont été réalisés à partir du code open source YADE. Ils avaient pour objectif la définition d'une géométrie de géogrille générique constituée de brins de forme aplatie, comme c'est généralement le cas dans la pratique. Des simulations numériques d'essais d'extraction de géogrilles ont permis d'analyser le comportement d'interaction entre la grille et le sol granulaire et d'étudier la mobilisation progressive des forces de tension dans le renforcement. Des échantillons numériques comportant des particules sphériques ou non sphériques (clumps constitués de plusieurs sphères imbriquées) de différentes tailles ont été utilisés. Les résultats obtenus montrent que la forme des particules et leur taille relative (comparativement à la taille des ouvertures de la géogrille) ont une influence significative sur la mobilisation et l'intensité des forces d'extraction. Il a également été possible de vérifier que les efforts mobilisés dans les brins transversaux de la géogrille au cours des tests d'extraction sont nettement inférieurs à ceux des brins longitudinaux, mais qu'ils ne sont pas négligeables. Bien que la détermination des paramètres de contact reste une difficulté pour des applications à des cas réels, le modèle numérique discret semble être un outil pertinent et très prometteur pour l'étude de l'interaction entre tout type de géogrille et matériaux granulaires.

International audience; This research aims at the seismic assessment and understanding of a traditional loadbearing system incorporating horizontal timber elements into earth brick masonry walls. In order to characterize the global behavior of the loadbearing device, an experimental campaign was performed on the constituents (i.e. bricks and mortar) and on masonry samples. Compression tests were carried out on four geometries of earth brick samples and three geometries of earth mortar samples. As the methods to obtain the compressive strength of earth material are still discussed within the scientific community, a focus was made on different configurations tested. Uniaxial compression tests were performed on two earth brick wallets. Then, two brick walls (with and without horizontal timber reinforcement) were submitted to lateral quasi-static cyclic load. A LVDTs system and a stereo correlation image system were coupled to study the experimental response of the reinforced and unreinforced walls. This investigation led to estimate the lateral strength, the stiffness degradation and the dissipated energy of both reinforced and unreinforced masonry walls. Moreover, it allowed the comparison between the failure modes of the two types of wall. This analysis brings light on the mechanical impact of the horizontal reinforcement.

Monopile is the most common foundation system for offshore wind turbine structures, statistically about 80, as per Wind Europe, 2018 report. A pile can be defined as flexible or rigid depending on the embedded length to diameter ratio (Le/D) and the relative stiffness of pile and soil. The existing codes for pile design are mainly developed for flexible piles, whereas monopile for new offshore wind turbines typically falls in the rigid category. The dominant complex cyclic wind and waves loads on offshore wind turbine structure and consequently on the monopile foundation, act in the lateral direction. The API design procedure, representing the lateral and vertical soil response through uncoupled non-linear springs, is developed for flexible piles and is recognised as conservative for rigid piles. The behaviour shall represent a coupled vertical and lateral soil-structure interaction because a rigid pile presents rotation deformation mode instead of deflection. The deformation mode further demands a different formulation mechanism, including the distributed moments along the pile shaft and shear & moment behaviours at the pile base as an essential part of the soil response investigations.This work presents the numerical models aimed to address the limited understanding of coupling consideration of monopile installed in sand. The cone penetration tests performed in the calibration chamber, data treatment with ICP method and available Fontainebleau sand NE34 properties database in the literature provide the constituent parameters for model definition.First, a PLAXIS 3D finite element model presents the model pile in the calibration chamber configuration with representative boundary conditions and the constitutive behaviour of the sand. The model pile geometry and load magnitudes are the outcomes of a similitude relationship with a representative prototype. A constant mass placed on the pile head represents the vertical load (the dead weight of the wind turbine structure). A simplified lateral point load represents the complex environmental loads, acting at a distance above foundation level, represents the lateral and moment load at mudline. Thus, vertical (V), lateral (H) and moment (M) collectively represent the combined load, investigated in both monotonic and cyclic loading cases. Different combined loading case in the limits of horizontal and vertical load capacities represent the overall behaviour of the model pile. The observation of normal and shear stress changes close to the pile-soil interface at different depths quantify the pile-soil interaction. The response investigation at some strategic stress points in the FE model soil volume provides a basis for soil-stress transducers (SSTs) layout plan in the experimental soil volume. A methodology to formulate the lateral and shear stresses evolution close to the pile surface as representative of the coupled interaction is presented.Second, a local-macro element (LME) model, an assembly of non-linear springs formulated using a Matlab toolbox ATL4S, presents the soil-pile interaction with inherent coupling considerations at different embedment depths. The PLAXIS model outcomes define the basis for a corresponding model scale LME model. The obtained results from both numerical investigations demonstrate the significance of vertical-lateral coupled interaction as a set of hypothesised equations representing the coupled interaction for rigid monopile foundation. A similitude work provides a relation between a prototype scale and the lab-scale monopile model. It further aids in comparison and validation with the available experimental and numerical results in the literature.; Le monopieu est le système de fondations le plus courant pour les structures d'éoliennes en mer, avec une occurrence d'environ 80% d’après le rapport Wind Europe de 2018. Un pieu peut être qualifié de souple ou rigide en fonction de son élancement (Le / D) et de la rigidité relative du pieu et du sol. Les codes existants pour la conception de pieux sont principalement développés pour les pieux flexibles, alors que les monopieux pour les nouvelles éoliennes en mer entrent généralement dans la catégorie des pieux rigides. Les charges dominantes dues au vent et à la houle, de nature cyclique, sur le mât de l’'éolienne et, par conséquent, sur la fondation, agissent dans la direction latérale. La réglementation API, qui représente la réponse du sol sous charges latérales et axiales au moyen de ressorts non linéaires non couplés, est développée pour les pieux flexibles et est reconnue comme étant sécuritaire pour les pieux rigides. Néanmoins, le comportement doit représenter une interaction sol / structure couplée axial-latéral puisqu’un pieu rigide présente un mode de déformation en rotation plutôt qu’une déflexion. Le mode de déformation exige en outre une formulation différente des mécanismes, incluant la distribution des moments le long du pieu ainsi que la prise en compte de la résistance au cisaillement de la base du pieu.Ce travail présente un modèle numérique visant à prendre en compte le couplage axial / latéral pour un monopieu installé dans du sable. Les essais de pénétration au cône effectués dans la chambre de calibration traités avec la méthode ICP, et la base de données des propriétés du sable de Fontainebleau NE34 disponible dans la littérature fournissent les paramètres constitutifs pour la définition du modèle.Tout d'abord, un modèle Eléments Finis PLAXIS 3D présente un pieu modèle dans la configuration de la chambre d'étalonnage avec des conditions aux limites représentatives et le comportement constitutif du sable. La géométrie du modèle de pieu ainsi que l’intensité des charges respectent les relations de similitudes entre modèle et prototype. Une masse constante placée en tête du pieu représente la charge verticale (la charge permanente de la structure de l'éolienne). Une charge ponctuelle latérale simplifiée représente les charges environnementales complexes, agissant à un certain excentrement par rapport au niveau de la fondation. Il en résulte une combinaison de charges verticale (V), latérale (H) et un moment (M), étudiée dans les cas de chargement monotone et cyclique. Différents cas de charge combinés dans les limites des capacités portantes horizontale et verticale représentent le comportement général du pieu modèle.Les variations de contraintes normale et de cisaillement à proximité de l’interface pieu/sol ont été étudiées, afin de caractériser cette interaction. L’étude des contraintes en plusieurs points stratégiques du modèle EF a fourni une base pour le calepinage des capteurs de pression utilisés dans la partie expérimentale. Une méthodologie permettant de formuler l’évolution des contraintes latérale et de cisaillement à proximité de la surface du pieu, en prenant en compte l’interaction couplée, est présentée.Deuxièmement, un modèle de macro-éléments locaux (LME), un assemblage de ressorts non linéaires formulé à l'aide d'une boîte à outils Matlab ATL4S, présente l'interaction sol-pieu avec la considération du couplage inhérent à différentes profondeurs. Les résultats du modèle PLAXIS définissent la base d'un modèle LME à l'échelle du modèle correspondant. Les résultats obtenus dans les deux études numériques démontrent l’importance de l’interaction couplée vertical-latéral pour une fondation rigide de type monopieu. Un travail de similitude concernant fournit une relation entre l’échelle du prototype et le modèle en laboratoire. Il aide en outre en comparaison et à la validation avec les résultats expérimentaux et numériques disponibles dans la littérature.

This doctoral thesis investigates the impact of the meso-scale heterogeneities of concrete (aggregates and macro-pores) on its macroscopic mechanical response. A combined numerical and experimental approach is adopted to study the progressive evolution of the 3D fracturing processes of micro-concrete specimens under uniaxial tension, uniaxial compression and triaxial compression. Part of the originality of this work lies in the exploration of multiple loading paths on concrete samples of realistic composition (including cement, sand, aggregates and water) and in the in-situ nature of the experiments conducted. The experimental campaign is performed inside an x-ray scanner, which allows the internal structure of the material to be non-destructively captured and its evolution from the intact (before loading) until the damaged (after unloading) state to be followed and quantified. The 3D images coming from the x-ray scans are first analysed in order to quantitatively describe the morphology of the meso-structure (aggregates, mortar matrix and macro-pores). A timeseries analysis of the set of 3D images coming from each in-situ test follows, in order to measure the 3D kinematic fields (displacement and strain fields) throughout the experiments. On the numerical side, the identified morphologies coming from the intact x-rays scans are given as an input to a FE meso-model with enhanced discontinuities. The originality of the numerical simulations comes from their 3D nature and the consideration of the actual meso-structure of the micro-concrete specimens, based on the segmentation of the three phases of the material. After a calibration of the model in uniaxial tension, its predictive ability is challenged under different stress paths in compression. An extensive comparison is presented between experimental and numerical observations, in terms of macroscopic responses, displacement fields, fracturing processes and failure patterns. The typical asymmetric behaviour of concrete in tension and compression, as well as the increase of strength and ductility with the increase of confinement are sufficiently captured numerically. Starting from an x-ray scan, it is shown that the model is able to satisfactorily reproduce some of the basic characteristic features of the failure modes observed experimentally for the different loading paths studied. While validating the numerical results and through a combination of numerical and experimental observations, the significant impact of the meso-scale heterogeneities on the local failure mechanisms is revealed. It is shown that, for the studied material, the shape and location of the largest aggregates and macro-pores are essentially driving the fracture patterns under simple tension, simple compression and triaxial compression. The predictive ability of the model strongly suggests that the explicit representation of these heterogeneities is the key feature that allows this predictive power. A further insight into the impact of the meso-structure is obtained by investigating virtual concrete morphologies, generated by modifying the real meso-structures coming from the x-ray scans.; Ce travail de thèse s'intéresse à l’effet des hétérogénéités du béton à l'échelle mésoscopique (granulats et porosités d’air occlus) sur son comportement mécanique à l'échelle macroscopique. Pour ce faire, les processus de déformation et de fissuration d'échantillons de micro-béton soumis à différentes sollicitations (traction, compression simple ou compression confinée) sont analysés en comparant des résultats expérimentaux de mesures de champs 3D avec des simulations d’échantillons de béton numérique.Outre le matériau étudié, représentatif d’un béton, l’originalité des essais expérimentaux vient de leur caractère "in situ" et de la multi-axialité des chargements étudiés. Les essais sont en effet réalisés dans un tomographe à rayons-x, donnant ainsi accès à la structure tridimensionnelle du matériau (de façon non-destructive) tout au long de l'expérience, de l'état initial intact à la rupture. Les images tridimensionnelles issues des radiographies sont également utilisées pour identifier et quantifier la morphologie de la mésostructure dont les phases d'intérêt sont les granulats, la macro-porosité et le mortier. De plus, la série d'images obtenue permet de mesurer des champs cinématiques tridimensionnels (déplacement et déformation), à différents stades du chargement, pour chacun des essais.Ces mesures permettent d'alimenter un modèle Éléments Finis mésoscopique en lui fournissant une mésostructure réaliste et en permettant de calibrer ses paramètres. Il est choisi ici d’identifier le modèle à l'aide des essais de traction simple et d'analyser la prédiction de ce dernier pour les autres types de sollicitations réalisées.L’originalité des simualtions numériques vient de leur caractère tridimentionnel et de la prise en compte d’une "vraie" mésostructure de micro-béton basée sur une segmentation tri-phasique du matériau (macro-pores, granulats et mortier).Une comparaison des résultats expérimentaux et numériques est proposée en confrontant les réponses macroscopiques, les champs cinématiques locaux ainsi que les faciès de fissurations. L’asymétrie des résistances du béton en traction et en compression est bien retrouvée par le modèle ainsi que l'augmentation de la ductilité de la réponse avec la pression de confinement. En outre, le modèle est capable de reproduire de façon satisfaisante les modes de rupture des différents chargements et états de confinement étudiés.L'analyse de la pertinence des prédictions du modèle mésoscopique permet de confirmer l'importance primordiale qu'une représentation réaliste des hétérogénéités a sur le développement des mécanismes de rupture locaux. Nous montrons que c'est principalement la forme et la position des plus grosses hétérogénéités (granulats et macro-pores) qui vont influencer le processus de fissuration du béton étudié, quelle que soit la sollicitation. Les prédictions faites avec le modèle nous encouragent à croire que la représentation explicite de la morphologie réelle est l'ingrédient clé de la bonne concordance observée, entre expérience et modélisation. A ce sujet, une étude numérique sur l'impact des formes sur le comportement est finalement conduite.

Uncertainty associated with the soil properties inevitably affects the seismic ground response, which is unable to be properly assessed using a deterministic seismic site response analysis. In this paper, an attempt has been made to investigate the possible impact of the shear-wave velocity ( V s ) variation on the predicted ground motions using a real site in Italy. A statistically-based randomization model is adopted to describe the uncertainty of the V s profiles for various scenarios. The equivalent-linear method combined with the direct Monte Carlo simulation is employed to perform the stochastic seismic site response analysis. The results are presented in terms of amplification function ( AF ), spectral acceleration ( S a ), fundamental frequency ( f 0 ) and amplification factor ( F a ). The mean and standard deviation of these four factors are evaluated for a wide range of shear-wave velocity variations, interlayer correlations, and input motion intensities. This study also explores the accuracy of adopting truncated bounds as an approximate process of preventing the generation of unrealistic soil profiles. The results show that the variability of the predicted ground motion is significant in some situations and can be decreased by reducing the shear-wave velocity uncertainty.

International audience; During phonation, human vocal fold tissues are subjected to combined tension, compression and shear loadings modes from small to large finite strains. Their mechanical behaviour is however still not well understood. Herein, we complete the existing mechanical database of these soft tissues, by characterising, for the first time, the cyclic and finite strains behaviour of the lamina propria and vocalis layers under these loading modes. To minimise the inter or intra-individual variability, particular attention was paid to subject each tissue sample successively to the three loadings. A nonlinear mechanical behaviour is observed for all loading modes : a J-shape strain stiffening in longitudinal tension and transverse compression, albeit far less pronounced in shear, stress accommodation and stress hysteresis whatever the loading mode. In addition, recorded stress levels during longitudinal tension are much higher for the lamina propria than for the vocalis. Conversely, the responses of the lamina propria and the vocalis in transverse compression as well as transverse and longitudinal shears are of the same orders of magnitude. We also highlight the strain rate sensitivity of the tissues, as well as their anisotropic properties.

Les enjeux du développement durable, de la transition écologique, de la prévention des déchets et de la préservation des ressources matérielles appellent de profondes transformations dans la production du cadre bâti, et plus particulièrement dans les processus de conception de l’architecture et de la construction. Le meilleur bâtiment est celui que l’on n’aura pas à construire… ou à démolir, tout d’abord. C’est celui qui saura résister, s’adapter, se transformer, s’améliorer. La démolition de bâtiments existants est toujours un aveu d’échec. Elle touche aujourd’hui beaucoup de constructions du 20ème siècle, dont le cycle de vie est sensiblement plus court que des constructions plus anciennes, ce qui interroge sur leur qualités techniques, d’usage ou de signification. Lorsque cela arrive, lorsque la démolition d’un édifice semble inévitable, peut-on imaginer pour lui une autre vie après sa disparition ? Ses éléments, ses pièces détachées, ses fragments peuvent ils encore produire de l’ouvrage, de l’usage et du sens ? « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme », disait déjà Antoine Lavoisier en 1789. Quels choix possibles, entre recyclage et réemploi notamment ? Par rapport au recyclage, le réemploi d’éléments de constructions provenant d’anciens édifices ne détruit pas l’intégrité de ces éléments (ou produits, composants, etc.) et ne les réduit pas à l’état de matière brute, qui nécessitera de l’énergie et souvent des matières complémentaires pour son nouvel usage. Il cherche à préserver un maximum de valeurs résidentes, faisant partie intégrante de sa façon et de sa forme, qu’il s’agisse de valeurs matérielles ou immatérielle. C’est une pratique qui a toujours existé dans l’histoire, mais qui a été dévalorisée depuis plus d’un siècle par un processus linéaire d’extraction/production/consommation/élimination. C’est cependant une pratique qui redevient d’actualité, dans la recherche d’une économie circulaire. Cette pratique reste pour l’instant marginale, et même si les exemples de réalisations remarquables se multiplient, elle reste marginale car difficilement compatible avec l’économie dominante des matériaux de construction, des règles et des normes de mise en œuvre, ou encore du système des assurances… Mais elle suscite cependant l’intérêt d’une nouvelle génération d’architectes (ou de futurs architectes), qui sont désireux de se rapprocher de processus de conception et de production plus vertueux, de retrouver davantage de proximité avec la matière, les lieux, les usagers et tous les acteurs de la construction. Comment dépasser la période actuelle que Jean-Marc Hyugen qualifie de « pré-rationnelle » pour permettre aux filières et réseaux de réemploi en architecture de monter en puissance, en généralité et en compétence ? Comment développer une chaîne de conception et de production dont chaque maillon renforcera la cohérence ? Quelles sont les étapes et les méthodes qui pourront renforcer ce processus ? Pour avancer sur ces questions, le présent travail de recherche s’appuie sur l’analyse de plusieurs corpus qui se complètent entre eux. Tout d’abord, l’équipe a développé une expérimentation pédagogique à l’École nationale supérieure d’architecture de Grenoble (ENSAG) en master Architecture, en coopération avec l’Université de Grenoble-Alpes (UGA), sous la forme d’un module « Initiation au réemploi en architecture), en coopération avec l’Université de Grenoble-Alpes et le module « Conception collaborative » proposé en master de Génie civil. Cette expérience menée depuis 2016 a permis de tester un enseignement associant penser et faire, renouant avec la conscience de la matière et de ses assemblages, et un mode de conception architecturale partant de la ressource matérielle d'un territoire local. Un autre corpus de projets et de réalisations a été glané au fil des témoignages, excursions et journées d’études Sans être exhaustif, il constitue un panel significatif des démarches, des découvertes et des perspectives induites par des pratiques professionnelles, contemporaines ou plus anciennes. Enfin, des partenariats noués avec des acteurs institutionnels de la région grenobloise ont permis de participer à des démarches locales pour favoriser le réemploi architectural dans différentes opérations. Le réemploi en architecture peut être ainsi un domaine qui participe à un profond changement de modèle de société et de pensée, d’une pensée linéaire à une pensée circulaire, qui devrait prévaloir au cours de ce 21ème siècle qui débute.