Dissertations / Theses on the topic 'Structures géotechniques'

Le comportement mécanique des sols granulaires est un élément important à prendre en compte dans l'ingénierie géotechnique. Les approches de modélisation actuelles pour le comportement des sols granulaires utilisent des relations constitutives phénoménologiques basées sur la mécanique classique du continuum. Ce problème peut être contourné en utilisant des relations constitutives multi-échelles basées sur les principes thermodynamiques avec variables internes. En utilisant une approche multi-échelle, cette thèse tente de construire des relations constitutives multi-échelles qui tiennent compte de la microstructure des sols granulaires et les mettre en oeuvre pour résoudre des problèmes géotechniques à la fois en petites et grandes déformations. La thèse vise à: 1) construire une relation constitutive multiéchelle pour les sols granulaires secs à partir d'un cadre thermodynamique qui nécessite moins d'hypothèses ad hoc; 2) étendre les formulations thermomécaniques multi-échelles aux sols granulaires partiellement saturés pour lesquels un modèle micromécanique est formulé; 3) implémenter le modèle en utilisant un algorithme d'intégration implicite dans un code aux éléments finis; 4) appliquer le modèle pour analyser l'instabilité des sols granulaires dans les cas de ruptures localisées et diffuses; et 5) démontrer la capacité de l'approche multi-échelle à résoudre certains problèmes géotechniques typiques en mettant en oeuvre le modèle dans un code aux éléments finis explicite. L'approche multi-échelle proposée aboutit à un outil de simulation qui fournit des informations précieuses sur les problèmes d'ingénierie depuis l'échelle des grains jusqu’à l’échelle de la structure
The mechanical behaviour of granular soils is an important aspect in geotechnical engineering. Current modelling approaches for the behaviour of granular soils employ phenomenological constitutive relations based upon classical continuum mechanics. This problem can be circumvented by using multiscale constitutive relations based on thermodynamic principles with internal variables. Using a multiscale approach, this thesis attempts to construct multiscale constitutive relations that account for the microstructure of granular soilsand to demonstrate their capabilities in solving geotechnical problems at both small and large deformations. The thesis aims to: 1) construct a multiscale constitutive relation for dry granular soils based on a thermodynamic framework which requires fewer ad hoc assumptions; 2) extend the multiscale thermomechanical formulations for partially saturated granularsoils for which a micromechanical model is formulated; 3)implement the model using an implicit integration algorithm in a finite element code; 4) apply the model to analyse the instability of granular soils for both localised and diffuse failures; and 5) demonstrate the capability of the multiscale approach in solving some typical geotechnical problems by implementing the model in an explicit finite element code. The proposed multiscale approach offers a simulation tool that provides valuable insights into engineering problems from the grain to the structure scale

L'étude géologique du massif de fondation du futur barrage de Puylaurent (Massif Central français) a été menée en considérant que la connaissance de l'organisation structurale régionale est fondamentale pour l'interprétation des caractéristiques géotechniques du massif rocheux. Pour cela, les épisodes tectoniques qui ont faconné la région ont été analysés; ainsi ont été établis la genèse, la géométrie et les jeux des accidents résultants. Une étude structurale fine du massif rocheux cristallophyllien qui constitue la fondation du barrage a permis d'établir, outre la géométrie des déformations qu'il a subies, une filiation hiérarchique et chronologique avec les discontinuités régionales. L'existence éventuelle d'anisotropie de contraintes actuelles a été recherchée au moyen de mécanisme au foyer de séismes, de mesures de contraintes in situ et de mesures de vitesses sismisques. Celles-ci ont réussi à mettre en évidence une direction de sollicitation actuelle N*S à NNE-SSW. la confrontation des données géologiques et des résultats de travaux de reconnaissance (sondages, essais Lugeon, galeries) montre divers cas où une perméabilité élevée du massif de fondation est liée à l'orientation des sollicitations actuelles.

Le mémoire présente une étude sur les données recueillies pour le chantier du tunnel sous la manche et quelques-unes des conclusions qui peuvent en être tirées. C'est divisé en quatre parties : trois chapitres et des annexes. La première partie est consacrée à une synthèse géologique, géotechnique et hydrogéologique. Elle utilise en particulier les résultats des études spécifiques faites pour les culottes de raccordement (cross-over). Celles-ci portent sur la craie. Cette roche tendre a une cohésion de cimentation en lien direct avec le pourcentage de carbonate de calcium. Plus la roche est carbonatée plus elle est fragile, donc plus cassante et plus affectée par les mouvements tectoniques, donc plus perméable. La deuxième partie est consacrée à la synthèse et la présentation des mesures de déformation des anneaux des voussoirs instrumente. L'examen de ces mesures montre qu'en règle générale, le revêtement du tunnel ne subit que la poussée hydrostatique. La troisième partie présente quelques calculs aux éléments finis. La discussion des résultats comparés aux mesures tent à montrer que les modules de déformations ne sont pas constants dans toute la plage des déformations.

Ce travail de thèse a pour but de développer la méthode des éléments frontières (BEM) et la méthode hybride éléments finis/éléments frontières (FEM/BEM) pour l'élastodynamique et la poroélastodynamique, et d'appliquer ces méthodes aux études d'effets de site sismiques et d'interaction dynamique sol-structure. La première partie du mémoire aborde les problèmes théoriques. Les formulations, en domaine temporel, de la BEM et de la FEM/BEM peuvent tenir compte du caractère ouvert des espaces (semi-)infinis. En particulier, la FEM/BEM peut également prendre en compte des comportements matériels complexes. Ces formulations ont cependant des difficultés numériques pouvant limiter leur applicabilité en pratique il s'agit de la stabilité numérique du schéma temporel, de l'augmentation rapide du temps de calcul avec le nombre de pas de temps et de l'effet de la troncature de l'espace semi-infini. Des techniques, destinées à améliorer les performances de ces méthodes, sont alors proposées. Pour l'application de la BEM en poroélastodynamique, une expression a de la solution fondamentale temporelle est proposée, en faisant deux hypothèses l'accélération relative, par rapport au squelette, du fluide interstitiel est négligée et les constituants du milieu (grains solides et fluide) sont incompressibles. Cette solution approchée, en termes de déplacements et de pressions interstitielles, est adéquate pour les sols sous sollicitations sismiques. Toutes les formulations sont validées et intégrées dans le code de calcul HYBRID. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'application de la BEM et de la FEM/BEM aux calculs sismiques. Les phénomènes physiques et les caractéristiques principales des effets de site bidimensionnels, dus aux conditions topographiques et géotechniques, sont présentés. On prouve théoriquement que les effets de site peuvent considérablement aggraver le potentiel destructeur du mouvement sismique, car ils amplifient le mouvement, prolongent la durée du séisme et provoquent des mouvements différentiels. Des études paramétriques sont effectuées et montrent l'influence significative sur le mouvement sismique en surface de plusieurs facteurs le contenu fréquentiel de l'excitation, le contraste d'impédance sédiment/substratum, la géométrie du relief ou du bassin (largeur, profondeur ou hauteur, pente, forme), l'épaisseur de la sédimentation, l'effet multicouche et la saturation en eau interstitielle. Une étude, portant sur l'interaction dynamique barrage/fondation, démontre la nécessité de tenir compte de l'effet de flexibilité de la fondation dans les calculs sismiques des barrages en terre.

Le géotextile Armater a été mis au point il y a environ dix ans. Il s'agit d'une nappe alvéolaire obtenue en cousant ou collant des bandes de géotextile non tissé aiguilleté entre elles. Les alvéoles sont de forme hexagonale. L'idée est de constituer un massif de sol renforcé par un empilement de lits d'alvéoles où la connexion verticale des lits est réalisée au moyen de bandes de textiles agrafées aux pointes des alvéoles.

Le travail de recherche sur ce nouveau concept de mur a consisté à étudier le comportement local et global, afin d'en développer une méthode de dimensionnement.. Nous avons dans un premier temps par un programme expérimental exhaustif mis en évidence le comportement mécanique du géosynthétique alvéolaire et tenté de le comprendre. Dans un deuxième temps nous avons développé des modèles théoriques permettant de proposer une méthode rationnelle de dimensionnement que nous avons validé sur des ouvrages réels. Nous avons utilisé deux approches différentes : approche par un calcul à la rupture utilisant la méthode des deux blocs et approche en déformations en différences finies.

Le mémoire a été structuré en quatre parties exposées ci-dessous :
- en premier lieu, une étude bibliographique rappelle les hypothèses et les méthodes habituelles de caractérisation des géotextiles, du sol ainsi que l'interaction sol-géotextile.
- la deuxième partie s'attache à mettre en évidence le fonctionnement mécanique du complexe au niveau d'une alvéole. Plusieurs séries d'essais locaux ont été réalisées afin de comprendre le fonctionnement de ce produit dans différentes configurations.
- la troisième partie présente les différentes méthodes de calcul analytiques (intégrant les modèles mis au point dans la deuxième et la troisième partie) ou numériques mis au point durant ce travail, ainsi qu'une étude de l'influence des paramètres géométriques (longueur, hauteur) ou mécanique (comportement des matériaux). Ces modèles n'utilisent pour ce travail que des chemins de chargement monotones croissant.
- la quatrième partie confronte les résultats d'expérimentations sur un ouvrage réel instrumenté et des modèles de taille réduite avec ceux des calculs de modélisation.

Les apports du travail présenté ci-dessus qui nous semblent les plus intéressants sont les suivants. En premier lieu, une meilleure connaissance du fonctionnement du phénomène de confinement. A l'égard de ce mode de fonctionnement, le rapport côté sur hauteur joue un rôle important. Après avoir montré la capacité des logiciels à représenter le complexe sur divers chemin de sollicitation au niveau local nous avons développé deux méthodes de dimensionnement du massif en sol renforcé. Ces méthodes permettent de modéliser l'hétérogénéité du comportement des matériaux et la géométrie complexe des ouvrages.

Les travaux présentés sont relatifs à l'analyse des mouvements de versant et au dimensionnement de talus artificiels de mines et carrières à ciel ouvert de grande profondeur. Une démarche méthodologique pluridisciplinaire est développée, dans laquelle l'apport des sciences de la Terre est souligné, de même que l'apport des sciences mécaniques et des sciences hydrologiques. La reconnaissance détaillée des structures et des matériaux géologiques ainsi que l'analyse et la modélisation des processus physiques contrôlant la déformation et la rupture des versants ou talus instables constituent les axes principaux de cette recherche. Une juste appréciation des apports et limites de la modélisation reste cependant une préoccupation majeure, considérant la variabilité des objets géologiques et la complexité des processus naturels étudiés. La recherche s'est orientée, dans une première étape, vers le développement d'outils logiciels permettant une représentation géométrique des milieux rocheux discontinus (logiciel SIMBLOC) ou la modélisation géomécanique des milieux rocheux discontinus (logiciel DEGRES, logiciel BRIG3D). L'analyse géologique et géomécanique de terrain, confrontée à la simulation numérique des processus de déformation et de rupture des grands talus de mines à ciel ouvert ou du génie civil, prenant appui sur ces logiciels et d'autres outils (logiciel Bishop-Carter du CGI, logiciel Flac d'Itasca) a permis de mettre en évidence la multiplicité de configurations géomécaniques toujours prédéterminées par la structure géologique du massif considéré. Ainsi nous avons pu montrer l'importance d'une connaissance détaillée du système de fracturation affectant un massif rocheux pour analyser les conditions de déformabilité et de rupture. L'attention doit porter sur les familles directionnelles de discontinuités, leur hiérarchisation et leur degré de connectivité, leurs paramètres géométriques et géotechniques. Des applications nombreuses ont été expérimentées en situation de grands talus de mines à ciel ouvert (mines en France, au Maroc, en Iran, au Brésil, en Russie, ...) ou de talus du génie civil (écluse à bateaux du barrage des Trois-Gorges en Chine, ...). La réalisation de simulations numériques a permis de mettre en évidence différents aspects de la déformation et de la rupture progressive d'un versant ainsi que le rôle des pressions interstitielles dans ces processus. Des effets de seuil, résultant de l'évolution lente d'un facteur déclenchant, tel qu'un niveau piézométrique, mais se traduisant dans le massif par une évolution brutale des conditions d'équilibre mécanique ont pu être mis en évidence. L'identification de telles situations reste primordiale dans une perspective d'alarme et de gestion des risques. Des processus fondamentaux associés aux conditions de la déformation ont pu être analysés tels que la dilatance d'une masse rocheuse en cours de déformation, contrôlée par les directions d'anisotropie du massif, celles-ci résultant de la structure géologique. Le suivi numérique des processus de localisation des déformations suivant une surface ou une zone de cisaillement et l'analyse du rôle de la structure géologique (favorisant ou contrariant ce processus) font actuellement l'objet de nouvelles investigations. L'objectif est de mettre en évidence des conditions d'initiation, de progression, d'arrêt ou de bifurcation dans le développement de ces processus. L'utilisation des outils numériques permet également de mieux comprendre certains scénarios types tels que celui du déclenchement ou de la réactivation de mouvements de versant en réponse à la montée d'un plan d'eau d'une retenue de barrage ou en réponse à des fluctuations de ce plan d'eau. Nous avons analysé ce sujet sur le plan géomécanique et hydrogéologique, nous référant en particulier à la catastrophe du Vaïont (Italie). Puis, dans une application relative à la retenue du futur barrage des Trois-Gorges (Chine), nous avons confirmé et illustré ces résultats avec l'utilisation du logiciel Flac, et apporté des conclusions opérationnelles. Dans le domaine des risques naturels, de nombreux travaux de terrain, complétés par des caractérisations de matériaux au laboratoire et des simulations numériques, ont permis de préciser les conditions de déclenchement de glissements de terrain et de génération des laves torrentielles. Des conclusions importantes ont été apportées sur les conditions de déclenchement de laves torrentielles, les processus d'initiation et de mobilisation des matériaux de zones sources, la caractérisation géotechnique de ces matériaux, l'analyse de scénarios d'événement utilisant des techniques d'arbres d'événement et d'arbres de défaut. Ces travaux se poursuivent avec l'objectif de mettre en évidence l'influence des actions anthropiques sur l'évolution de la torrentialité. De nouveaux travaux sur l'analyse des grands mouvements de versant : écroulements rocheux, avalanches de roches, sturzstroms sont en cours de développement. Ces phénomènes de grande ou très grande ampleur (glissement rocheux - éboulement ou sturzstrom de Flims, en Suisse : 12.109 m3) font l'objet d'investigations détaillées de terrain et d'analyses géomécaniques. Les conditions du déclenchement sont analysées ainsi que les processus de propagation des masses rocheuses. Dans certains des cas étudiés, ces processus de propagation résultent de l'apparition de quelques surfaces ou zones de cisaillement majeures au sein desquelles une très forte réduction granulométrique et un remaniement intense se réalisent, alors que la structure originelle de la masse rocheuse est préservée au sein des très grands volumes déplacés sur des distances pluri-kilométriques. Le thème délicat de la prévision de rupture pour différentes catégories de mouvements de versant fera bientôt l'objet de nouveaux travaux, prenant en compte les divers contextes géologiques, géomorphologiques et géomécaniques, s'appuyant sur une meilleure compréhension des processus de déformation et de rupture, dans une perspective de prévention des risques. D'une façon plus générale, considérant que tout projet de génie civil ou d'aménagement de l'espace se doit d'intégrer la part d'incertitude inhérente à toute construction intellectuelle basée sur des éléments naturels qui ne sont connus qu'avec une précision limitée ou qui présentent une variabilité impossible à quantifier avec précision, j'envisage d'approfondir le sujet suivant : comment apprendre à gérer les incertitudes, plus spécialement dans un contexte d'analyse de mouvements de versants, éventuellement en situation de crise. Un certain nombre d'outils de diverses natures sont présentés dans ce mémoire, mais c'est toute une démarche d'apprentissage face à une situation de risque qui mérite d'être développée, intégrant l'identification de scénarios d'évolution, la caractérisation des paramètres d'intensité de ces scénarios jugés réalistes et précisant pour un scénario d'intensité donnée un délai d'occurrence. Cette problématique fera l'objet de travaux dans les années à venir.

Les exploitations pétrolières dans les "fonds marins" ont entraîné le besoin de développer et de connaître le comportement des structures dans des conditions particulières de sol. Les "ancres à succion" et les "ancres plates" sont un exemple de structures utilisées comme ancrages de systèmes flottants. Ce travail présente une étude paramétrique des "ancres à succion" et des "ancres plates" en conditions axisymétriques, 2D et 3D. Les caractéristiques de sol sont celles d'argiles trouvées aux grandes profondeurs marines. Le sol a été simulé avec les modèles "Mohr-Coulomb" et "Soft-Soil". L'apport de la succion sur la capacité ultime a été étudié. Pour les "ancres à succion", nous présentons des facteurs de charge qui permettent de prévoir les capacités ultimes à l'arrachement sous une charge inclinée, valables en 3D à partir de simulations 2D. Pour les "ancres plates" nous avons proposé des facteurs de capacité à l'arrachement, qui servent à calculer la capacité ultime
The development of deepwater petroleum exploitation has been accompanied by a major evolution and a necessity to know the structures performance in particular soil conditions. Suction caissons and plate anchors are examples of structures used as anchoring for floating systems. Ln this work, a numerical study of suction caissons and plate anchors foundations is presented. Axi-symmetric, 2D and 3D simulations were performed. The soil characteristics considered were clays, corresponding to deep sea sediments. The clay was simulated with the two constitutive soil models "Mohr-Coulomb" and "Soft-Soil". The effect of suction in the bearing capacity of the two anchors was studied. For the suction caissons relationships were obtained that permitted the evaluation of the bearing capacity of laterally loaded caissons. 3D results are acquired by extrapoling 2D simulation. For plate anchors, factors to calculate the bearing capacity were obtained

Deux campagnes océanographiques ont été réalisées en 1992 et 1993 par Ifremer and Elf Aquitaine Production, dans le golfe de Guinée, avec des prélèvements de carottes küllenberg et l'acquisition de données géophysiques par grandes profondeurs d'eau. Les essais géotechniques, réalisés au laboratoire de géotechnique de l'E. N. S. G. , ont permis une description synthétique des sédiments superficiels sur les talus continentaux du Nigeria, du Gabon et du Congo. Sur la pente continentale du Gabon, ces résultats mettent en évidence un état sous-consolidé en profondeur. Les relevés géophysiques y indiquent l'existence de figures d'expulsion de fluides et de zones de sédiments superficiels chargés en gaz. Un réflecteur acoustique profond de trente mètres est interprété comme une surface de glissement potentiel, ou le facteur de sécurité non drainé semble à un minimum. La prise en compte de la bathymétrie et des critères de stabilité ont permis une cartographie régionale du risque et une interprétation des désordres identifies par la géophysique: les résultats confirment que ces désordres correspondent à un état remanié en profondeur ou à la migration de fluides interstitiels ; nous avons calibré l'impact de différents modes d'action des fluides interstitiels sur la stabilité des sédiments. Les essais géotechniques ont donc apporté une caractérisation systématique et synthétique des sédiments prélevés dans le golfe de Guinée. La juxtaposition d'informations géophysiques et géotechniques a permis d'inventorier, de calibrer et de localiser les causes de désordres dans la zone Gabon ; toutefois, une meilleure connaissance des processus gravitaires dans cette zone passerait par l'étude locale des phénomènes identifiés et l'acquisition de mesures in situ: mesures de la fraction gazeuse, des excès de pression interstitielle et des contraintes effectives verticales

Les affaissements de terrain de grande ampleur résultent de l'effondrement de cavités souterraines issues de l'activité industrielle humaine (mines ou carrières) ou formées naturellement par la circulation d'eau dans des massifs de roches solubles (calcaire, gypse). Leur impact sur le bâti existant en surface est généralement très important comme en attestent les exemples récents des affaissements d'Auboué (1996), de Moutiers (1997) et de Roncourt (1999) qui ont endommagé plus de cinq cents bâtiments et ouvrages ou le fontis sur le chantier METEOR en 2003. Il est donc nécessaire de prévoir les mouvements du sol de surface (tassements et déformation horizontale) résultants de ces phénomènes et surtout de déterminer l'influence que peut avoir la présence d'une ou plusieurs structures en surface sur la forme et l'amplitude de ces mouvements.
Le programme de cette thèse s'articule donc autour de la thématique suivante : évaluation des risques urbains liés aux mouvements de sol dus à la présence de cavités souterraines et interaction avec le bâti et les structures.

La première partie porte sur la conception d'un modèle réduit physique bidimensionnel permettant de représenter un effondrement de cavité de type fontis. Elle apporte une contribution innovante à la conception de modèles réduits physiques 1g par la mise au point d'un matériau analogique cohérent, dérivé du matériau de Schneebeli. Des essais sont alors menés pour caractériser l'influence de l'interaction sol-structure lors d'un tel phénomène.

Ensuite un modèle numérique est développé à partir d'un outil numérique permettant l'emploi conjoint de deux codes de calcul complémentaires basés sur une approche en milieu continu d'une part et sur la mécanique des éléments distincts d'autre part. Les résultats issus de ce modèle sont alors comparés avec ceux provenant des essais réalisés sur le modèle expérimental.

La dernière étape est une confrontation de cet outil numérique dans un essai de rétro-analyse d'un fontis réel survenu dans le massif de l'Hautil en 1991.

De nombreux ouvrages de génie civil nécessitent une bonne connaissance du mode de transmission des efforts de la structure vers le sol. Ce transfert se fait à travers une fine couche de sol, appelée interface. Un nouvel appareil, l'appareil de cisaillement simple annulaire a été développé pour analyser le comportement d'interface entre un matériau granulaire et un élément de structure en acier. Dans un premier temps, nous proposons une description détaillée de ce nouvel appareil. Le principe de l'essai à l'appareil de cisaillement simple annulaire consiste à cisailler la partie interne d'un échantillon de sol annulaire par un cylindre métallique en rotation. Les effets de bord sont très réduits et la perte de matériau est nulle. Des capteurs de contrainte totale ont été développés pour permettre une mesure locale de la contrainte radiale au sein de l'interface. Ensuite, des essais sous sollicitation monotone sont présentés, réalisés sur des échantillons de sable d'Hostun RF et de gravier d'Hostun 14~10. Une synthèse met en évidence l'influence des différents paramètres contrôlant le comportement de l'interface : la pression radiale initiale de confinement, les conditions aux limites, l'état de compacité de l'échantillon et la rugosité de l'élément de structure. La visualisation du mouvement des grains au sein de la couche d'interface a été menée à partir des trois études : visualisation directe au cours d'essais sur le gravier 14-10, réalisation d'essais sur des rouleaux de Schneeball, avec une configuration adaptée de l'appareil et simulation numérique par éléments distincts avec le logiciel L.M.G.C. Cette approche, au niveau microscopique, met en exergue le rôle fondamental de la microstructure du milieu, dans la formation de la couche d'interface où les grains subissent de grands déplacements tangentiels et de fortes rotations. A la fin de ce mémoire est présentée une synthèse des premiers essais réalisés sous sollicitation cyclique. Le rôle primordial de l'amplitude de cisaillement a été mis en évidence.

Le changement climatique et les événements climatiques sévères tels que les périodes de sécheresse/humidification prolongées sont à l'origine du phénomène de retrait-gonflement dans les sols argileux. Ce phénomène est affecté par les interactions sol-végétation-atmosphère (SVA) et peut causer d’importants dommages structurels aux constructions légères telles que les bâtiments résidentiels. L’objectif de ce travail de recherche est de modéliser le comportement in situ du retrait-gonflement des sols gonflants dans un contexte SVA en se basent sur des outils numériques. Une méthode d'interaction sol-atmosphère est initialement présentée accompagnée d’un modèle couplé hydro-thermique du sol. Cette approche a été principalement mise en place afin de déterminer les conditions aux limites temporelles à la surface du sol en se basent sur la notion du bilan de masse et d'énergie pour déterminer a posteriori, les modifications spatio-temporelles de la succion du sol, de la teneur en eau et de la température. Cette approche a été validée à l'aide des observations in situ des sites instrumentés. Par la suite, l’influence de l’absorption d’eau par les végétations a été intégrée dans le terme source de l’écoulement de l’eau dans un milieu non saturé, à l’aide d’un modèle d’absorption d’eau de racine existant.Les variations temporelles de succion ont été postérieurement reliées au comportement volumique du sol en appliquant une approche simple développée à partir des résultats expérimentaux des essais de séchage/humidification réalisés dans la littérature. Les indices associés dans le plan indice des vides-log succion, ainsi que les paramètres complémentaires du modèle linéaire ont été corrélés aux paramètres géotechniques de base. L'approche proposée a été ultérieurement validée avec des données in situ fournies par la surveillance d’un site expérimental. Le site expérimental de Roaillan a été instrumenté afin de surveiller les modifications physiques du sol ainsi que le comportement structurel du bâtiment. Les comparaisons entre les résultats de la modélisation et les observations in situ de la succion du sol, la teneur en eau, la température et les mouvements du sol dans le temps ont montré une performance acceptable du modèle. L’approche a ensuite été appliquée pour étudier l’influence des projections climatiques futures (2050) sur les variables physiques et les mouvements du sol sur ce site. Trois scénarios RCP relatifs aux changements climatiques ont été examinés dans cette étude, qui ont révélé des différents comportements possibles à court terme et à long terme. Finalement, l'approche développée a été appliquée au territoire français en le divisant en six régions climatiques. Différents paramètres de sol ont été attribués à chacune de ces régions climatiques afin de définir les conditions de référence. En conséquence, l’influence de différents facteurs externes sur les mouvements du sol a été analysée sur une période donnée. Enfin, l’étude suggère les mesures adéquates à prendre pour minimiser l’amplitude du phénomène de retrait et de gonflement dans un contexte SVA
Climate change and severe climatic events such as long drought/rehydration periods are at the origin of the shrinkage and swelling phenomenon in expansive soils. This phenomenon is affected by Soil-Vegetation-Atmosphere (SVA) interactions and can cause severe structural damage to lightly loaded constructions such as residential buildings. The objective of this re-search work is to simulate the in-situ behavior of the shrinkage-swelling in expansive soils in a SVA context using numerical tools. A soil-atmosphere interaction method is primarily presented along with a coupled hydro-thermal soil model. This approach was established in order to determine primarily, the natural time variable boundary conditions at the considered soil surface based on the mass and energy balance concept, and secondly to determine the spatial-temporal changes of the soil suction, water content and temperature. This approach was validated using in situ observations of monitored sites. Thereafter, the influence of the water uptake by vegetation was incorporated in the source term of the unsaturated water flow theory, using an existing root water uptake model. Subsequently, the temporal variations of the soil suction were related to the volume change behavior using a simple approach developed based on the experimental results of drying/wetting tests performed in the literature. The associated volumetric indices in the void ratio-log suction plan, along with the complementary parameters of the linear model were correlated with basic geotechnical parameters. The proposed approach was validated with in situ data provided from an experimental site. The Roaillan experimental site was instrumented in order to monitor the soil’s physical changes along with the structural behavior of the building. Comparisons between the simulated and observed soil suction, soil water content, temperature and soil movements in time and depth showed an acceptable performance of the predictions. The approach was then extended to study the influence of future climate projections (2050) on the soil’s physical variables and movements. Three RCP climate change scenarios were considered in this analysis which revealed different possible behavior in both short term and long term. Finally, the developed approach was applied to the French territory by dividing it to six different climatic regions. Different soil parameters were attributed to each of these climatic regions in order to set the reference condition. Thereafter, the influence of different external factors was analyzed on the soil movements over a chosen period. The study finally suggests the adequate actions to take for minimizing the amplitude of the shrinkage and swelling phenome-non in a SVA context

L'étude de l'équilibre à long terme du tunnel revêtu suscite un intérêt important. D'un point de vue mécanique, il s'agit d'un problème d'interaction complexe entre deux structures de comportement très différent : le massif avec la cavité d'une part, le soutènement d'autre part. Les effets différés qui apparaissent dans un massif sont principalement liés à deux phénomènes qui peuvent être couplés : - la viscosité du squelette solide du massif ; - la diffusion du fluide interstitiel au sein du massif. On commence par présenter une étude bibliographique assez générale concernant les différentes étapes d'étude, de conception et de réalisation d'un projet de tunnel profond. Dans la seconde partie du mémoire, on étudie l'influence de l'histoire du chargement (vitesse de creusement et instant de pose du soutènement) sur l'équilibre d'un tunnel soutenu creusé dans un massif monophasique à comportement viscoplastique. Une méthode simplifiée de dimensionnement des tunnels dans de tels milieux a été élaborée. On a également abordé les effets de couplage entre comportements hydraulique et mécanique dans le cadre des tunnels profonds creusés dans un milieu poreux saturé isotherme ayant un comportement poro-élastique ou poro-élasto-plastique. Une étude analytique du tunnel 1D révèle l'influence de l'histoire du chargement mécanique et des conditions aux limites hydrauliques imposées en paroi. Des simulations numériques de creusement de tunnel en géométrie 2D axisymétrique sont menées. L'étude analytique permet, grâce à la généralisation de la notion de contrainte fictive de soutènement, de localiser le point d'équilibre du tunnel soutenu dans le plan (convergence en paroi - contrainte appliquée en paroi). Ces résultats permettent d'aborder le calcul en déformation plane des tunnels creusés en milieux biphasiques avec plus de rigueur.

Traitement numérique des milieux infinis de la géomécanique: méthodes d'équations intégrales régulières et singulières pour les structures géotechniques en conditions dynamiques; méthode de couplage itérative éléments finis/équations intégrales (applications au demi-espace et demi-plan); vibration d'un pieu fiché dans le demi espace stratifié. Comportement frottant des milieux granulaires: algorithmes locaux d'intégration numérique pour matériaux élastoplastiques type Drucker-Prager; partie élastique déformation des sols; influence de la contrainte moyenne. Problèmes liés à l'anisotropie en grandes transformations (rotations plastiques). Etude de deux types de bifurcation sur les sables; conséquences macroscopiques de la structure granulaire des sables; non-linéarité incrémentale et localisation des déformations.

L'interaction entre un renforcement linéaire (clou) et un sol granulaire (sable) est étudiée à plusieurs échelles en vue de réaliser des calculs en déformation de murs en sol cloué. L'interaction entre un clou et un sol à l'échelle des grains est étudiée à l'aide d'un milieu continu généralisé avec microstructure rigide (milieu de Cosserat). Trois lois de comportement du sol : élastique anisotrope, rigide parfaitement plastique et élastoplastique avec écrouissage, ainsi que deux jeux de conditions aux limites microscopiques : statiques et cinématiques, sont considérés pour modéliser la formation des couches d'interfaces. Le lien entre les phénomènes de localisation surfacique (couche d'interface) et volumique (bande de cisaillement) est établi. L'interaction entre un lit de clous et la tranche de sol afférente du mur en sol cloué est étudiée dans le cas d'un chargement thermique (gel). Un modèle couplant les effets thermiques (pénétration du gel), hydrauliques (gonflements du sol gelé) et mécaniques (interaction sol-clou) est développé et validé à partir des mesures réalisées sur les soutènements en vraie grandeur de La Clusaz durant l'hiver 1980/1981. Des dispositions constructives innovantes sont proposées pour limiter les effets du gel. L'interaction entre les clous et le sol à l'échelle d'un ouvrage de soutènement est analysée afin de développer une correspondance entre le mur 3D et le modèle numérique calculé en déformations planes (calcul 2D). Les méthodes de détermination des paramètres mécaniques des matériaux à partir des essais in situ et en laboratoire sont analysées et comparées. Le calcul en déformation de la construction du mur expérimental en vraie grandeur CLOUTERRE-CEBTP no. 1 est réalisé à l'aide de deux logiciels (CESAR et FLAC) pour valider l'approche proposée.

Cette thèse a pour cadre général l'étude du comportement des ouvrages de génie civil, sous le double aspect, de la loi de comportement non-linéaire des sols et des roches, et de la résolution des problèmes du creusement des tunnels par la méthode de calcul aux éléments finis. Deux catégories de lois de comportement non-linéaires ont été plus particulièrement considérées : modèles hyperboliques (modèle de Duncan et Chang, 1970 ; modèle modifié de Hardin et Drnevich, 1972) et modèles élastoplastiques avec écrouissage (modèle Cam-Clay modifié, 1968) ; dans le dernier, différentes variantes ont été proposées pour tenir compte de la non-linéarité de la partie élastique, trois variantes de type hyperélastique, considérés à partir d'une fonction énergie complémentaire et obéissent aux principes de la thermodynamique Ces modèles ont été appliqués à la simulation du creusement d'une galerie à section circulaire en milieu homogène. Les variantes élastiques non-linéaires du modèle Cam-Clay modifié donnent, dans le cas de contraintes initiales anisotropes, en piédroit des zones en compression et en clé des zones en extension à l'intérieur du massif. L'étude des chemins de contrainte à proximité de la galerie met en évidence l'influence de l'état des contraintes initiales sur les mécanismes différents de rupture induits par le déconfinement. Les modèles retenus ont également été appliqués à la construction du tube Sud du tunnel de Las Planas, creusé dans des marnes. Le comportement de la marne de Las Planas a été étudié à partir d'essais triaxiaux réalisés sous fortes contraintes (essais isotropes et de cisaillement). Les variantes élastiques non-linéaires de type hyperélastique du modèle Cam- Clay modifié et le modèle de Duncan et Chang (1970) conduisent aux résultats les plus satisfaisants pour la plupart des essais de cisaillement. En revanche, la variante élastique linéaire du modèle Cam-Clay modifié surestime systématiquement les déformations volumiques. La modélisation de creusement du tunnel Sud de Las Planas à l'aide des variantes hyperélastiques du modèle Cam-Clay modifié conduit également à des simulations plus représentatives des mesures expérimentales que les autres modèles. Les modèles hyperboliques tendent à surestimer les déplacements induits, par le creusement, dans le massif encaissant.

Les argiles raides sont généralement rencontrées à grande profondeur (plus de 300 mètres). Ces matériaux se caractérisent par leur teneur en eau relativement faible. De nombreux projets industriels justifient l'intérêt récent porté à ces matériaux. La thèse traite en particulier d'argiles raides susceptibles de répondre à des sollicitations par des déformations élastiques, plastiques et viscoplastiques. C'est la prise en compte simultanée d'une rupture engendrant des déformations plastiques et des déformations différées de types viscoplastiques qui font l'originalité de cette thèse. Cette nouvelle approche constitue une amélioration indispensable dans la description du comportement mécanique d'argiles raides. Ce travail est présenté en trois parties : la première partie est consacrée à l'étude expérimentale et à la modélisation du comportement mécanique des argiles raides. Dans cette partie, nous décrivons les matériaux considérés, et les essais réalisés. Nous discutons les résultats et élaborons un modèle viscoplastique avec rupture. La deuxième partie, « Application du modèle VPR au calcul d'un tunnel de section circulaire », est consacrée à l'élaboration d'une solution originale semi analytique et d'un algorithme implanté dans GEOMEC91. La troisième partie, « Application du modèle VPR au calcul 2d axisymétrique des tunnels soutenus et étude paramétrique », montre très clairement l'influence du modèle VPR sur la convergence du tunnel au moment de la pose du soutènement, et par conséquent sur les sollicitations de ce dernier. Les résultats des calculs montrent une forte influence de la cohésion à court terme sur la convergence du tunnel.