Dissertations / Theses on the topic 'Tunnels Tunnels Simulation par ordinateur'

L'étude présentée dans ce mémoire porte sur l'utilisation de la Simulation des Grandes Échelles (LES) pour déterminer le mouvement des fumées lors d'un incendie en tunnel. L'écoulement est turbulent, quasi-incompressible et avec de fortes différences de densité. Dans un premier temps, le code FDS est testé sur un cas d'expérience sur maquette. Puis des comparaisons avec un code plus complexe sont réalisées sur un cas d'école. Enfin, le code est mis en situation sur un cas réaliste d'incendie dans un tunnel grandeur nature. Ces multiples simulations mettent en évidence l'intérêt de la LES pour l'avancée des recherches sur le mouvement des fumées et la stratification de l'écoulement. Elles démontrent également la faisabilité d'études proches de cas d'ingénierie en LES. Enfin, il est noté que des études plus poussées sont nécesaires sur les écoulement stratifiés hors couche limite

L'objectif de cette these est l'etude, sur modele reduit et par simulation numerique, des mouvements du sol provoques par les phases de deconfinement et reconfinement rencontres lors du creusement des tunnels. L'experimentation est realisee sur modele reduit bidimensionnel utilisant le sol analogique de Taylor-Schneebeli et la technique d'imagerie numerique pour identifier le champ de deplacement et de deformation dans l'ensemble du massif et examiner l'incidence de divers parametres : variation du diametre du tunnel, profondeur du tunnel, presence d'ouvrages existants. La connaissance precise du champ de deplacement experimental et des conditions aux limites ont ete utilisee pour effectuer une etude de validation de lois de comportement dont les parametres sont cales sur des essais biaxiaux et des essais oedometriques realises sur les rouleaux de Schneebeli. Le comportement du sol analogique est pris en compte avec deux lois ; une adaptation de la loi elastique-plastique parfaite (Mohr-Coulomb), une loi implementee au laboratoire composee d'une partie hyperbolique type DUNCAN et d'un critere de plasticite (Mohr-Coulomb). Ces modeles ont ete utilises en deformation plane classique et en vrai 2D. Les resultats obtenus par l'intermediaire de la modelisation sont compares a ceux obtenus par l'experimentation en terme de champs de deplacements au sein du massif et, en terme de cuvette de tassement<br>The soil displacements were studied by experimentation on models and numerical simulation. An analogical soil of Taylor-Schneebeli type was used in a 2-dimensional model. The experimentation was analysed with the help of numerical image technique which allowed us to identify the displacement field and the deformations in the soil mass and particularly around and above the tunnel as well as on the ground surface. The influence of various parameters is considered: variation in the diameter of the tunnel, depth of the tunnel, presence of the existing structures. The knowledge gained from the displacement field and the boundary condition is used to study the validity of the different constitutive laws describing the sail behaviour. The different parameters used in these laws are obtained by performing biaxial and oedometric tests on Schneebeli rods. The soil behaviour is taken into account by two laws: the first law is an adapted form of perfect elasto-plasticity (Mohr-Coulomb), the second one consists of a hyperbolic part of Duncan type to which is incorporated a criterion of plasticity (M-C). These models are used in plane strain and true 2D. The experimental results are compared to those obtained by modelisation especially concerning the displacement field in the soil mass and the settlement curve. This study helped us to show: • the limits of utilisation of a perfect elasto-plastic law with a single modulus (loading/unloading). • the importance of the dilatancy of the material. • the domain of validation of these simple models where a good agreement between calculation and experimentation was obtained

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<br>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

Ce travail traite de la problématique de l’application de la méthode observationnelle durant le creusement d’un tunnel. L’objectif de cette méthode en travaux souterrains est l’optimisation du creusement, du soutènement mis en place et du coût de l’ouvrage tout en maîtrisant la sécurité. Pour cela deux outils sont couplés, les moyens de mesures et les simulations numériques. Après un rappel des principes de la méthode observationnelle et des auscultations communément réalisées en travaux souterrains, les techniques d’analyse inverse sont présentées. Le but du travail est d’utiliser un chantier support, le tunnel routier de Bois de Peu (Besançon, France) pour tester différentes méthodes. Après une description du chantier support, les mesures réalisées durant le creusement de ce dernier sont analysées. Les sections de mesures les plus intéressantes sont utilisées pour essayer de retrouver les conditions réelles de creusement, c'est-à-dire la qualité des terrains rencontrés et de voir par rapport aux prévisions initiales quelles auraient pu être les actions à mettre en œuvre pour optimiser. Des modélisations numériques sont utilisées pour prédire les déplacements. Une réflexion est menée pour proposer une démarche d’application de la méthode observationnelle sur ce chantier test. La réflexion montre le besoin de coupler des modélisations numériques à des logiciels d’optimisation pour évaluer, à partir des mesures réalisées, les paramètres du terrain réellement rencontrés. Des représentations graphiques tracées à partir d’études paramétriques permettent de déterminer le scénario dans lequel l’ouvrage se situe et de décider d’une éventuelle adaptation. Finalement, cette étude permet de montrer les difficultés rencontrées pour mettre en place une démarche de méthode observationnelle pendant le creusement d’un tunnel. Les limites de la démarche d’application proposée sont mises en évidence. Il ressort également de ce travail que l’utilisation des techniques d’analyses inverses nécessite d’être extrêmement prudent et que la redondance et la variété des mesures sont obligatoires dans un tel contexte. En effet, il est mis en exergue qu’avec seulement les mesures traditionnellement réalisées en travaux souterrains, les techniques d’optimisation testées ne permettent l’identification que de quelques paramètres<br>This work deals with the problem of applying the observational method during the construction of a tunnel. The objective is the optimization of the excavation, the support and the cost while controlling security. For that two tools are combined, measurements and numerical simulations. After reminding the principles of the observational method and measurements commonly carried out in tunnel, another tool, useful to optimize the design is presented. These are inverse analysis technics and more particularly optimization methods. The purpose of this work is to use a support site, the tunnel of Bois de Peu (Besançon, France) to test different methods. After a summary of the site support, the measurements made during the excavation are analyzed. The most interesting sections of measures are used in order to find the parameters of the actual digging, ie the quality of ground encountered and to compare these results to the initial estimates and what kind of actions could be done for optimization. Numerical modeling is used to predict displacements on the tunnel lining and the surrounding ground. A study is conducted to propose an approach for applying the observational method on this test site. It shows the need to couple numerical modeling to optimization software in order to assess, from the measurements, the parameters of the ground actually encountered. Graphic representations drawn from parametric studies are used to determine the scenario in which the actual tunnel face is located and decide whether to adapt the boring. Finally, this study helps to show the difficulties encountered in establishing an observational method for digging a tunnel. The limits of the proposed approach are highlighted. It is also clear from this work that the use of inverse techniques needs to be extremely cautious and that the redundancy and variety of measures are required in this context. Indeed, it is emphasized that with only the measures traditionally carried out in tunneling, the optimization techniques tested only allow the identification of some parameters. This work shows what measures are necessary according to the available resources (type of optimization techniques, types of models: 2D or 3D and type of use: real-time or not) and shed some light on the usability of the observational method in underground work

Le creusement d'un tunnel en zone urbanisée peut engendrer des dommages importants dans les structures et les immeubles riverains. Il est donc important de prévoir les déplacements et les déformations induites par le creusement d'ouvrages souterrains urbains dans l'ensemble du massif de sol. Ce travail de thèse constitue une contribution à l'étude expérimentale et numérique des mouvements de sol liés à la construction d'un tunnel peu profond dans un milieu pulvérulent, et notamment suivant les phases de déconfinement et de reconfinement correspondant aux différentes étapes de réalisation de l'ouvrage. Le dispositif expérimental utilisé est un modèle réduit bidimensionnel de tunnel. Le sol analogique est constitué de rouleaux métalliques de Taylor-Schneebeli. L'analyse des essais a été effectuée par imagerie numérique permettant de visualiser l'intégralité du champ de déplacements obtenue au cours des essais. L'incidence de divers paramètres est analysée et présentée : variation du diamètre du tunnel, profondeur du tunnel et poids de l'ouvrage. Afin de mieux comprendre et de pouvoir simuler numériquement les essais expérimentaux, une qualification précise du comportement du matériau constituant le sol a été réalisée. Un programme expérimental a été mis au point comportant des chargements simples (biaxial et oedométrique) sur des échantillons de rouleaux de Schneebeli à des niveaux de contraintes similaires à ceux rencontrés au sein du modèle réduit. Ces essais ont permis de déterminer la rhéologie du matériau utilisé. La partie expérimentale a permis de disposer d'une base de données afin de valider une loi de comportement développée au cours de cette étude. Du à la nature du sol utilisé, la loi est bidimensionnelle et combine à la fois un comportement élastoplastique et incrémental. La dernière étape de cette étude est une confrontation des résultats expérimentaux et des simulations numériques sur le modèle réduit du tunnel<br>He digging of a tunnel in urban area can cause damages to structures. Then it is significant to predict the displacements and the strains induced by the digging of underground works. This work is a contribution to experimental and numerical study of ground movements, related to a shallow tunnel construction in a granular medium. The deconfining and reconfining cycles due to the boring of a tunnel corresponding to real phases of realisation work. The experimental device used is a small-scale two-dimensional tunnel model. The soil consists of analog Taylor-Schneebeli material (metallic rods). The analysis of the tests is carried out by numerical imagery, which gives the complete displacement field obtained during the tests in the entire soil mass. The incidence of various parameters is analysed and presented: tunnel variation diameter, tunnel depth and tunnel weight. In order to better understand and to be able to numerically simulate the experimental tests, the behaviour qualification of the soil is realised. An experimental program is developed for simple loadings (biaxial and oedometric) on samples of metallic rods with stress levels similar to those occurring within the physical tunnel model. These tests made are used to determine the rheology of the material. The experimental part constitutes a database in order to validate a constitutive law developed during this study. The two-dimensional law combines an elastoplastic and an incremental behaviour. The last stage of this study is a confrontation of the experimental results and numerical simulations of tunnel experiments

Le renforcement des tunnels par boulonnage au front de taille est une technique récente de préconfinement visant d'une part à préserver la stabilité de l'excavation et d'autre part à contrôler les déformations et les tassements induits par le creusement. Ce travail de thèse constitue une contribution à l'étude numérique de l'influence du boulonnage du front sur le comportement d'un massif de terrain meuble. Pour cela, diverses approches ont été envisagées et confrontées : une approche tridimensionnelle prenant en compte la modélisation complète du terrain, des inclusions et de leur interaction, des approches bidimensionnelles simplifiées et une approche en homogénéisation. L'approche tridimensionnelle, avec simulation du phasage de creusement constitue la base de référence dans le cas des tunnels profonds à section circulaire. Une étude paramétrique permet de cerner les mécanismes de mobilisation des efforts dans les clous et leur influence sur l'extrusion du front, la convergence et les pertes de volume. Les limites des approches simplifiées existantes sont mises en évidence et une nouvelle approche de type convergence - confinement est proposée. L'incidence de la loi d'interaction sol - clou et de la forme du tunnel sur les pertes de volume sont également étudiés. Enfin, le principe de l'homogénéisation des milieux périodiques est utilisé pour simuler le renforcement suivant deux approches : la première considère le modèle simple en symétrie sphérique développé par Wong ; dans le seconde un modèle de comportement de sol renforcé considéré comme homogène est implanté dans le code 2D axisymétrique. Les confrontations avec les simulations tridimensionnelles en champ de contrainte homogène et sur des configurations de tunnel axisymétriques ont permis de cerner les limites de l'homogénéisation ainsi que l'incidence du maillage sur les modèles tridimensionnels<br>The reinforcement of tunnels using bolting on the tunnel face is a recent technique of “pre-confinement” in order, in the first hand, to assure stability of the excavation and, in the other hand, to control movements and induced settlements due to boring. This Ph. D thesis is a contribution to the numerical analysis of the influence of the bolting face on the behaviour of a soft ground mass. Different approaches have been used and compared : • a three dimensional approach taking in account the complete modelling of the soil mass, inclusions (bolts) and soil-bolts interaction. • two dimensional simplified approaches • an homogenisation approach The three dimensional approach, with the numerical simulation of the different boring phases is the reference for deep tunnels with a circular section. A parametric study shows the mechanisms involving forces in the bolts and the influence of these mechanisms on the tunnel face, radial convergences and volume losses. The limits of existing simplified approaches are shown and a new “convergence-confinement” method is proposed. The influence of soil-bolt interaction law and the tunnel shape on the volume losses are studied. The homogenisation techniques of periodic masses is used to simulate the reinforcement with two approaches : • the first approach used the analytical model in spherical symmetry proposed by Wong. • the second approach, a constitutive model of reinforced homogeneous soil is developed for the two dimensional axisymetric computer program. The comparisons of three dimensional simulations with homogeneous stress field and of axisymetric tunnel simulations show the limits of the homogenisation and of the influence of the element grid used with three dimensional simulations

Dans le cadre de la problématique des incendies en tunnels et de la gestion du désenfumage, cette étude, menée tant sur l'aspect expérimental que numérique, concerne le comportement thermo-aéraulique des fumées créées par un foyer, dans un tunnel soumis à une ventilation longitudinale. L'étude expérimentale réalisée en maquette, simulant l'incendie par une flamme de diffusion issue de la combustion de butane pur, apporte, grâce à des métrologies adaptées, les éléments d'analyse des liens existant entre la stratification des fumées et les paramètres d'étude que sont la vitesse de ventilation et la puissance du foyer. Une notion d'équilibre entre " tenabilité " thermique et toxicité du milieu est notamment mise en évidence. La contribution de l'étude numérique, avec le code FLUENT, incluant le modèle de combustion PDF, propose une restitution des écoulements. Outre une approche des corrélations obtenues expérimentalement, la modélisation s'intéresse à l'action des pertes thermiques pariétales sur l'expansion de la couche de retour<br>In the context of tunnel fires and smoke removal management, this study proposes, both experimentaly and numerically, to characterize thermal and aeraulic behaviour of fire induced smokes, in a longitudinally ventilated tunnel. The experimental study, conducted in a small scale tunnel and modelling the fire with a butane diffusion flame, gives, with adapted measurement technics, information for the analysis of the relation between the smoke stratification and the study parameters as the ventilation velocity and the heat release rate of the fire. Especially, an approach of the balance between thermal “tenability” and toxicity of the medium is introduced. The contribution of the numerical study, with the CFD FLUENT, proposes a reproduction of the observed flows with the adding of the mean mixture fraction PDF combustion model. In addition to the correlations obtained in the experimental study, simulations concern wall heat loss effect on the backlayer expansion

L'etude presentee dans ce memoire porte sur la modelisation numerique par la methode des volumes finis d'ecoulements tridimensionnels, turbulents, stationnaires, compressibles en milieux confines comme le sont ceux generes par les systemes de ventilation dans les tunnels routiers en cas d'incendie. L'objectif est de developper et valider des methodes de calcul pour representer les phenomenes physiques intervenant lors d'une aspiration par une trappe de desenfumage d'une nappe stratifiee. L'ensemble des travaux donne des informations et indications sur les conditions de modelisation d'aspiration de fumees par des trappes de desenfumage de tunnels routiers et sur les performances du code cfxf3d pour predire ces ecoulements. L'independance du maillage, l'effet de la nature de la condition limite pour traduire une extraction et l'influence de certains parametres (debit d'aspiration et le nombre de trappes) sont examines. Une etude phenomenologique des ecoulements au sein du tunnel est aussi traitee caracterisant la structure des fumees soumises a un courant d'air longitudinal. Un modele simplifie permettant de reproduire les effets induits par une trappe d'aspiration sur l'ecoulement au sein du tunnel et base sur la notion de puits (de masse, de quantite de mouvement et d'enthalpie) est propose. L'elaboration de ce modele et l'evaluation de ses performances sont effectuees en prenant en compte une trappe d'aspiration, puis trois trappes. Les temps de calcul sont alors fortement reduits. Ces etudes sont completees par une confrontation entre resultats numeriques et experimentaux. Les essais selectionnes ont ete realises sur une maquette de tunnel a l'echelle 1/20 e m e. Des informations interessantes sur la validation des modeles employes et des hypotheses faites sont obtenues. Notamment, il est montre que le modele de turbulence k- standard reproduit correctement les phenomenes d'aspiration de fumees sans ajustement particulier des valeurs des constantes.

Dans le domaine des incendies en tunnel, la simulation numerique devient preponderante compte tenu des phenomenes multiples et complexes mis en jeu. A cause de cette complexite se repercutant au niveau du code de calcul, une phase de validation entre simulation et experience a ete entreprise et a fourni des resultats tres acceptables. Cependant, avant d'effectuer cette comparaison, nous avons procede a un certain nombre de tests numeriques pour definir la facon la plus adequate de modeliser un incendie en tunnel. Cette etude de sensibilite nous a notamment permis de montrer que dans certaine condition de modelisation, un domaine de calcul a l'exterieur du tunnel devait etre represente. En fonction de la complexite du probleme modelise, la diminution des temps de calcul devient un probleme majeur. Pour limiter la duree d'une simulation numerique, la premiere methode envisagee consistait a transformer le probleme tridimensionnel en un probleme bidimensionnel en conservant certaines quantites physiques (froude, reynolds). Cependant, on a montre que cette methode n'etait pas applicable notamment en presence d'un retour de fumee a contre courant de la ventilation. Pour contourner cette difficulte, nous avons donc ete amenes a developper une seconde methode valable dans toutes les situations, et basee sur le couplage automatique de simulations numeriques bidimensionnelles et tridimensionnelles. Dans cette procedure de couplage, on decompose le tunnel en trois zones distinctes : la zone du foyer modelisee en 3d, et les zones situees de chaque cote modelisees en 2d. Ces trois simulations effectuees simultanement, sont couplees par l'intermediaire de deux zones de recouvrement permettant des echanges permanents d'informations entre les differents calculs. Les resultats provenant de cette procedure de couplage sont similaires a ceux obtenus en modelisant la totalite du tunnel en 3d.

Les modèles actuellement disponibles pour simuler la propagation des fumées d'incendie en tunnel routier sont souvent mal adaptés aux études de sécurité menées avant la mise en service d'un ouvrage. Le travail présenté ici vise à proposer des principes de modélisation transitoire intermédiaires entre les modèles monodimensionnels et les codes CFD tridimensionnels, par une démarche physique et phénoménologique. Deux modèles sont développés, l'un de type intégral, l'autre fondé sur une réduction à deux dimensions spatiales des équations de Navier-Stokes dans le cas particulier d'un tunnel. Les résultas sont encourageants malgré les hypothèses simplificatrices. Sur le plan phénoménologie, ce travail met en évidence l'importance des phénomènes physiques dans la zone du foyer pour la stratification en aval et la robustesse de la vitesse de propagation des fronts de fumée

Le present travail a eu pour objet : - d'une part de caracteriser les ecoulements turbulents dans les conduites rectilignes de section droite non circulaire comme ceux representatifs des tunnels de la ratp a partir d'essais experimentaux sur la maquette d'un tunnel a l'echelle 1/30 e m e et de simulations numeriques. Cette premiere etude a permis de determiner les pertes de charge caracteristiques de configurations usuelles du reseau ratp et de mettre en evidence les ecoulements secondaires generes par l'anisotropie de la turbulence dans les conduites de section droite complexe. - d'autre part d'etudier les principales caracteristiques d'un feu qui se developpe en tunnel, en regime stationnaire, soumis a un debit de ventilation, et plus particulierement le phenomene de la couche de retour observe dans certaines conditions. Les differents resultats obtenus a partir d'essais experimentaux sur maquette et de simulations numeriques ont mis en exergue l'importance de la vitesse de ventilation et de la nature de la flamme sur le comportement de la couche de retour. Une similitude fondee sur le nombre de richardson permet de correler certaines grandeurs caracteristiques de la couche de retour telles que sa longueur et de retrouver correctement des phenomenes observes en vraie grandeur.

L'objectif de la thèse est de développer une méthode de modélisation 3D des tunnels canaux en service, afin de les documenter de manière précise. Le levé des structures est effectué en dynamique depuis un bateau, avec un ensemble de caméras au-dessus de l'eau et un sonar pour la partie immergée. La construction du modèle 3D doit combiner des données acquises dans deux milieux différents, en l'absence de signal GPS pour la localisation du système de mesure. L'approche proposée exploite pleinement les capacités du calcul photogrammétrique, à la fois pour construire le modèle 3D de la voûte et pour estimer la trajectoire du bateau, laquelle permet de géoréférencer les profils de points sonar. L'application du procédé en vraie grandeur dans le tunnel de Niderviller a permis d'obtenir un premier modèle 3D. L'analyse de la méthode a mis en jeu une technologie innovante de mesure sonar statique, nécessitant le développement de traitements appropriés. Elle a permis de jauger les capacités du sonar à numériser les canaux, d'évaluer les trajectoires estimées par photogrammétrie et de comparer quantitativement le modèle obtenu à un modèle de référence préalablement construit<br>The aim of this thesis is to develop a 3D modeling method for canal-tunnels in service, in order to document them accurately. The survey of the structures is carried out dynamically from a boat, with a set of cameras above the water and a sonar for the submerged part. The construction of the 3D model must combine data acquired in two different environments, in the absence of a GPS signal to locate the measurement system. The proposed approach makes full use of the capabilities of photogrammetric computation, both to build the 3D model of the vault and to estimate the trajectory of the boat, which allows georefencing of sonar point profiles. The application of the process to field test data acquired in the Niderviller tunnel allowed a first 3D model to be obtained. The analysis of the method involved an innovative static sonar measurement technology, requiring the development of appropriate treatments. It enabled to assess the capacity of the sonar for canal surveying, to evaluate the trajectories estimated using photogrammetry and to compare quantitatively the obtained model with a previously constructed reference mode

The main work for Qiujing PAN’s PhD thesis is to develop the stability analysis for underground structures, which contains two parts, deterministic model and probabilistic analysis. During his 1st year of PhD research, he has mainly finished the deterministic model study. In the 2nd year, I developed a probabilistic model for high dimensional problems<br>In the contemporary society, the utilization and exploitation of underground space has become an inevitable and necessary measure to solve the current urban congestion. One of the most important requirements for successful design and construction in tunnels and underground engineering is to maintain the stability of the surrounding soils of the engineering. But the stability analysis requires engineers to have a clear ideal of the earth pressure, the pore water pressure, the seismic effects and the soil variability. Therefore, the research aimed at employing an available theory to design tunnels and underground structures which would be a hot issue with high engineering significance. Among these approaches employed to address the above problem, limit analysis is a powerful tool to perform the stability analysis and has been widely used for real geotechnical works. This research subject will undertake further research on the application of upper bound theorem to the stability analysis of tunnels and underground engineering. Then this approach will be compared with three dimensional analysis and experimental available data. The final goal is to validate new simplified mechanisms using limit analysis to design the collapse and blow-out pressure at the tunnel face. These deterministic models will then be used in a probabilistic framework. The Collocation-based Stochastic Response Surface Methodology will be used, and generalized in order to make possible at a limited computational cost a complete parametric study on the probabilistic properties of the input variables. The uncertainty propagation through the models of stability and ground movements will be evaluated, and some methods of reliability-based design will be proposed. The spatial variability of the soil will be taken into account using the random field theory, and applied to the tunnel face collapse. This model will be developed in order to take into account this variability for much smaller computation times than numerical models, will be validated numerically and submitted to extensive random samplings. The effect of the spatial variability will be evaluated

Ce travail de thèse est consacré à l'étude de l'interaction entre une aspersion par brouillard d'eau et un feu. Il s'appuie sur une modélisation existante figurant dans le code à champs « Fire Dynamics Simulator ». L'approche consiste en premier lieu à appréhender, par le biais d'une synthèse bibliographique, les phénomènes physiques mis en jeu lors d'un feu en tunnel et lors d'une aspersion par brouillard d'eau. Ensuite, un travail d'évaluation est mené. L'évaluation se veut évolutive, en commençant par des cas simples à l'échelle du laboratoire afin de travailler le plus indépendamment possible sur certaines parties du modèle d'aspersion, pour ensuite s'intéresser à la configuration tunnel. Ce travail d'évaluation permet de mieux cerner les aptitudes du code à simuler les phénomènes physiques mis en jeu lors d'un feu en tunnel soumis ou non à une aspersion. Des comparaisons sont effectuées avec plusieurs essais réalisés entre 2005 et 2008 sur une maquette de tunnel à échelle 1/3. Une fois cette évaluation accomplie, l'outil est exploité pour améliorer notre compréhension des phénomènes d'interaction entre le brouillard d'eau, la ventilation du tunnel et le feu. En particulier, l'influence de l'aspersion sur l'écoulement longitudinal est analysée, le rôle énergétique du brouillard d'eau est mesuré et les modes de transfert de chaleur associés aux gouttes sont quantifiés. Cette exploitation permet également d'évaluer numériquement l'influence de quelques paramètres sur l'efficacité de l'aspersion telles que la vitesse de ventilation longitudinale, la puissance du feu et la taille des gouttes pulvérisées. En dernier lieu, le code champs est exploité dans le cadre d'une étude numérique exploratoire en vue d'une campagne d'essais en bâtiment pour appréhender l'interaction entre l'aspersion, la nappe de fumée et le désenfumage mécanique<br>This work deals with the study of the phenomena involved when a water mist is sprayed in a tunnel fire environment. It relies on an extensive use of numerical simulations using the CFD code "Fire Dynamics Simulator". The first chapter of this thesis provides an overview of the tunnel fire characteristics and the phenomena involved when the water mist is sprayed. A bibliographical review on the research on tunnel fires with or without any mitigation system is conducted, allowing to outline the reason and the context for this research. In the second and third chapters, the computational tool undergoes testing. It is verified and validated based on comparison with analytical solutions and experimental cases of increasing complexity: from the laboratory scale for assessing one particular part of the water spray model (chapter 2) up to the tunnel scale (chapter 3). For the last case, the code validation makes use of the results of a reduced scale (1/3rd) tunnel fire test campaign conducted between 2005 and 2008. Once the validation is achieved, the computational tool is used intensively in the third chapter in order to improve the understanding of the interaction phenomena between water mist, tunnel longitudinal ventilation and fire. In particular, the water mist influence on the tunnel air flow is studied, the water mist heat contribution is quantified and the heat transfered to the droplets is identified. Furthermore, the CFD code is used to assess the impact of the longitudinal air velocity, the heat release rate and the water droplet size on the water mist efficiency. The last chapter illustrates how a CFD code can be used on a given situation, here a compartment fire test campaign, in order to foresee the interaction between the water mist, the smoke layer and the smoke extraction

Les incendies de tunnels sont des phénomènes violents, à l’évolution rapide qui engendrent la plupart du temps des dommages importants aux personnes et aux biens. La sécurité incendie dans les tunnels routiers est basée sur l’utilisation de modèles empiriques très simplifiés de description de l’évolution de la cinétique de développement de l’incendie. Ces modèles ne prennent cependant pas en compte le type de combustible impliqués dans le phénomène, tels que les polymères constitutifs des enveloppes des véhicules routiers, ni leurs réactivité en phase solide (décomposition thermique). Dans l’optique de faire évoluer la description de l’incendie en fonction des conditions ambiantes caractéristiques d’un tunnel, un modèle prédictif de la décomposition thermique des matériaux a été développé. Ce modèle mathématique a été construit sur la base d’une approche expérimentale à petite échelle faisant intervenir le dispositif du cône calorimètre à atmosphère contrôlée couplé à un spectromètre infrarouge à transformée de Fourrier. Trois matériaux ont fait l’objet d’une étude approfondie de leur décomposition thermique, en fonction de deux paramètres clés influençant la décomposition des solides lors d’un incendie de tunnel : la concentration d’oxygène ambiante et l’éclairement énergétique imposé aux matériaux. Les résultats obtenus pour les trois matériaux choisis (une mousse Polyisocyanurate, un Ethylène Propylène Diène Monomère et un Acrylonitrile Butadiène Styrène) ont été utilisés pour la construction de régressions polynomiales multifactorielles, méthode également connue sous le nom de méthodologie des surfaces de réponses.Le modèle permet de définir la réponse de la cinétique de décomposition (variable expliquée) et son évolution, en fonction de la concentration d’oxygène locale et de l’éclairement énergétique imposé à la surface d’un matériau (variables explicatives). La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a alors montré la pertinence de ce type d’approche<br>Tunnel fires are severe phenomenon whose evolution, usually very fast, can lead to important damages to persons and properties. Tunnel fire safety is based on the use of empirical models, very simplified that describes the evolution of the fire kinetic. Nevertheless, these models does not take into account neither the type of material that are involved in the phenomenon, such as constitutive polymers of road vehicles nor their reactivity in solid phase (thermal decomposition). In order to provide an evolution of the fire description, function of the conditions usually encountered in a tunnel, a predictive model aiming to describe materials’ thermal decomposition has been developed. This mathematical model has been established on the basis of an experimental approach, at small scale, using the Controlled Atmosphere Cone Calorimeter coupled to a Fourier Transform Infrared Spectrometer. The thermal degradation of three different materials (Polyisocyanurate foam, Acrylonitrile Butadiene Styrene and Ethylene Propylene Diene Monomer) has been thoroughly assessed function of key parameters that drives the decomposition process during fire: oxygen concentration and heat flux imposed to the materials. Obtained results for the three materials have then been used to construct multifactorial polynomial regressions, using the methodology known as surface response methodology. The model allows defining the response of the decomposition kinetics (explained variable), function of both the oxygen concentration and the heat flux received at the surface of the material (explanatory variable). Comparisons between numerical and experimental obtained results show the relevance of this approach

Ce travail porte sur le développement d'un code numérique tridimensionnel pour la simulation d'entrées en tunnels de trains à grande vitesse en vue de proposer des solutions afin de réduire les nuisances occasionnées. L'écoulement de l'air est modélisé par les équations d'Euler instationnaires. Ces équations sont discrétisées à l'aide d'une formulation en volumes finis et résolues grâce à un schéma solveur de Riemann approché, d'ordre supérieur, particulièrement adapté à la propagation d'ondes. Pour gérer le mouvement relatif du train par rapport au tunnel, une méthode de maillage glissant est utilisée avec un traitement conservatif des faces aux niveaux des jonctions de maillages. Le domaine est ainsi décomposé en plusieurs sous-domaines, maillés indépendamment avec un mailleur cartésien automatique basé sur un maillage surfacique triangulaire. Pour réduire le domaine, et donc le temps de calcul, et accélérer la stabilisation de l'écoulement avant l'entrée du train, des conditions aux limites non réflectives sont implémentées. La méthodologie est validée sur plusieurs cas tests. Une étude paramétrique de l'influence d'un auvent à l'entrée du tunnel sur le gradient de l'onde de compression pression initiale est effectuée. Les paramètres de cette étude sont la forme, la longueur et la section de l'auvent. Enfin, l'effet d'ouvertures dans l'auvent est simulé<br>This work aims at the development of a three-dimensional numerical code for the simulation of high-speed trains entering tunnels in order to propose solutions to reduce nuisances caused. The airflow is modeled by the unsteady Euler equations. These equations are discretized using a finite volume formulation and solved with a higher order approximate Riemann solver scheme, particularly suitable for waves propagations. In order to manage the relative motion of the train from the tunnel, a sliding grid method is used with a conservative treatment of the faces located at domains junctions. The overall domain is thus decomposed into several sub-domains, meshed independently with an automatic Cartesian grid generator based on a triangular surfacic mesh. In order to reduce the calculation domain and to accelerate the flow stabilization around the train, a non-reflecting boundary condition is implemented. The methodology is validated on several test cases. A parametric study of a hood effect on the initial compression wave gradient is done. Pararneters of this study are the section, the length, and the hood shape. Then, opened hood effect was simulated

Cette recherche porte sur l'intéraction entre le creusement d'un tunnel et son incidence sur l'environnement bâti, avec comme support le chantier du métro du Caire. Les analyses s'appuient sur l'ensemble des observations effectuées in situ, tant sur le tunnel qu'en surface. Par ailleurs, ces observations de base ont été complétées par la mise en place de plots de mesure plus complets, utile notamment lors du creusement en certains points particuliers du tracé. L'analyse de ces données a permis de mettre en évidence l'incidence de divers paramètres de fonctionnement du tunnelier (vitesse, pression au front, pression d'injection, tracé) sur la qualité de la maîtrise des tassements de surface. En référence aux problèmes observés sur le chantier, la stabilité du front de taille a été examinée par calcul numérique. Des simulations numériques en 2D et 3D ont permis de cerner l'incidence des paramètres tels que le niveau de pression, la nature du fluide de soutènement, la pénétration du cake de bentonite, sur les pertes de volume et la stabilité. En fin l'ensemble de ces données expérimentales est utilisé comme référence pour l'analyse critique des approches en modélisation numériques de l'interaction bouclier terrain. On a mis ainsi en évidence les effets des divers paramètres du creusement et pilotage du tunnelier sur les mouvements de surface et en profondeur. L'ensemble des observations confrontées aux simulations numériques par différence finies 2D ont permis de mettre en évidence les possibilités limites des différentes approches 2D<br>This research relates to the interaction between the excavation of a tunnel and its incidence on the sail movements, with reference to the Cairo Metro construction. The analyses are based on the whole of the observations effected in situ, as well on the tunnel as on the surface. In addition, these basic observations have been completed by the installation of more complete, instrumented sections at special points of the layout of the tunnel. The analysis of these data made it possible to highlight the influence of various parameters of the tunneling operation (speed, face pressure, pressure of injection, trace) on the quality of settlement control. In reference to the problems observed on the site, the face stability has been examined by numerical calculations. Numerical modeling in 2D and 3D made it possible to determine the incidence of the different parameters such as the level of pressure, the nature of the slurry under pressure, the penetration of bentonite cake, on the ground lasses and stability. Finally these experimental data are used as a reference for the critical analysis of the different numerical approaches in modeling of the interaction between the shield and the ground. We highlighted also the effects of the various parameters of the excavation and piloting of the shield on the movements at surface and in-depth. The confrontation between these observations and the numerical modeling by the 2D finite difference enabled to highlight the limits and the possibilities of different approaches in 2D

Cette etude concerne les phenomenes tunnel resonnant dans des micro-composants en configurations planaire et verticale. Tout d'abord, les transferts de charge entre des systemes quantiques de differentes dimensionalites sont etudies en utilisant un nouveau formalisme prenant en compte l'ouverture du systeme. Dans la zone d'accumulation, nous definissons une densite locale d'etat. Nous montrons qu'il existe, hors resonance, une densite locale d'etat non nulle dans la zone d'injection resultant d'un couplage important avec la zone quantique centrale. Cet effet de signature est a l'origine d'une composante de courant importante dans la zone de resistance differentielle negative, demontre pour la premiere fois a notre connaissance. Par ailleurs, nous avons simule des structures double barrieres gaas, a la temperature de l'azote liquide. Les caracteristiques courant-tension montrent une evolution de type plateau en tres bon accord avec les experiences effectuees par le groupe de ntt au japon. Egalement, nous avons recemment caracterise une structure sur inp presentant des evolutions similaires. Dans une seconde etape, le nouveau formalisme nous permet d'inclure les effets d'interaction que ce soit dans la transmission ou dans l'injection<br>La probabilite de transmission quantique est calculee de facon auto-coherente en tenant compte du temps de duree de vie dans le puits a l'aide d'une nouvelle methode d'analyse basee sur les fonctions d'airy. La comparaison theorie experience est satisfaisante pour une large gamme de temperature. Enfin, le potentiel electrostatique bidimensionnel pour des nanostructures laterales est etudie a partir d'un modele hydrodynamique. Deux modifications cle sont introduites, a savoir, la modelisation d'un contact ohmique profond et l'introduction de l'effet de degenerescence. Un tel modele est capable de decrire les structures resonnantes de la caracteristique courant tension resultant des transferts resonnants dans les puits de potentiels induits par les grilles de commande

Pour répondre aux questions posées par EUROTUNNEL, concernant la sécurité et le confort des voyageurs, nous avons conçu un programme informatique de simulation de comportement dynamique du wagon soumis aux excitations du vent des galeries d'anti-pistonnement. Dans une première partie, nous avons parlé des formes d'excitations auxquelles sera soumis le wagon, puis nous avons décrit les étages de suspension du wagon et leurs liaisons, enfin nous avons mis en évidence les différents mouvements créés sous l'effet du vent et nous avons écrit leurs équations. Dans une deuxième partie, nous avons testé plusieurs méthodes de résolution de systèmes d'équations différentielles, après comparaison des résultats obtenus par ces méthodes nous avons pu choisir une méthode qui présente le meilleur compromis : précision et rapidité. Dans la dernière partie, grâce aux amplitudes des mouvements du wagon obtenues dans différentes configurations de trafic, nous avons répondu aux questions :-Y a t-il un risque de collision du wagon entre la voûte du tunnel ? -Quels effets les amplitudes de ces mouvements auront-elles sur le confort des voyageurs ? -Peut-il se produire pour certaines vitesses de trafic des phénomènes de résonance?

Le processus d'érosion éolienne peut entraîner plusieurs conséquences environnementales: la désertification, la dégradation des sols, la pollution de l'air, etc. Cette dernière est liée aux émissions de particules de matériaux granulaires couramment trouvés sur des sites industriels tels que le minerai et le charbon. La distribution granulométrique de ces matériaux consiste habituellement en un mélange d'une large gamme de diamètres, qui comprennent des particules plus grosses qui ne sont pas érodables même avec de fortes rafales de vent. Les particules non érodables jouent un rôle protecteur pour les particules érodables, en recouvrant la surface et en réduisant ses émissions. L'objectif principal de cette thèse est d'estimer plus précisément les émissions dues à l'érosion éolienne compte tenu de l'influence du pavage causée par des particules non érodables. Un modèle analytique a été proposé pour quantifier les émissions des lits de particules et des tas de stockage avec une large distribution granulométrique. Les effets du processus de pavage sont incorporés dans le modèle par la diminution de la vitesse de frottement moyenne sur la surface érodable puisque les particules non érodables s'accumulent. Des travaux antérieurs ont défini une relation mathématique entre l'évolution de la vitesse de frottement sur la surface érodable et la géométrie des éléments de rugosité. Néanmoins, l’equation n'est valable que pour des taux de couverture de particules non érodables limités. Des simulations numériques ont été effectuées dans ce travail pour étendre cette relation afin d'inclure d'autres cas rencontrés dans des situations réelles (avec de plus grandes quantités de particules non érodables). Le modèle d'émission proposé décrit la relation entre la valeur minimale de la vitesse de frottement (à laquelle les émissions cessent), en tirant parti des résultats numériques, et la profondeur finale érodée du lit, qui fournit à son tour la masse émise. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin de mieux comprendre le phénomène de pavage et estimer les émissions d'un lit de particules contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats expérimentaux ont également été utilisés pour valider la modélisation, y compris la masse émise globale et les caractéristiques finales de la surface du lit. Un bon accord a été trouvé entre les résultats expérimentaux et modélisés pour les émissions globales et la profondeur de lit érodé. Le modèle d'érosion a été étendu pour l'application dans les tas de stockage. Dans ce cas, l'érodabilité des particules est plus complexe, puisque la vitesse de frottement et les conditions de seuil ne sont pas spatialement homogènes. L'idée du modèle était de subdiviser le tas en isosurfaces dans lesquelles les conditions de seuil et la vitesse de frottement sont constantes, et traiter chacune de ces zones comme une source différente où le modèle d'émission peut être appliqué. Des expériences en soufflerie ont été réalisées afin d'estimer les émissions d'un tas de sable contenant une distribution de taille bimodale. Les résultats modélisés et expérimentaux ont été comparés pour la configuration d'un tas isolé et un bon accord a été trouvé entre la masse émise estimée et mesurée. L'impact de la présence d'un bâtiment et d'un tas de stockage parallèle successif sur l'émission globale de particules a également été évalué. Des expériences en soufflerie et des simulations numériques ont été effectuées pour plusieurs configurations, en évaluant les effets de: (i) l'orientation du vent, (ii) la vitesse du vent, (iii) la distance entre l'obstacles et (iv) la quantité de particules non érodables. Il a été constaté que les interférences de l'écoulement entre les obstacles augmentent les émissions. Par conséquent, toutes les perturbations du vent ont un impact significatif et doivent être prises en compte dans l'estimation et la modélisation des émissions de poussières<br>Wind erosion process can lead to several environmental consequences: desertification, land degradation, air pollution, etc. This last one is related to particulate matter emissions from granular materials commonly found on industrial sites, such as ore and coal. The particle size distribution of these granular materials usually consist of a mixture of a wide range of diameters, which include larger particles that are non-erodible even with strong gusts of wind. The non-erodible particles play a protective role for erodible particles, paving the surface and reducing emissions. The main objective of this thesis is to estimate more accurately emissions due to wind erosion considering the influence of the pavement caused by non-erodible particles. An analytical model was proposed to quantify emissions from particle beds and stockpiles with a wide size distribution. The effects of pavement process are incorporated in the model through the decrease of the mean friction velocity on the erodible surface as the non-erodible particles accumulate. Previous works have defined a mathematical relation between the evolution of the friction velocity over the erodible surface and the geometry of the roughness elements. Nonetheless, the formulation was only valid to limited cover rates of non-erodible particles. Numerical simulations were carried out in this work to extend the formulation in order to include other cases encountered in real situations (with larger amounts of non-erodible particles). The proposed emission model describes the relationship between the minimum value of friction velocity (at which emissions cease), taking advantage of the numerical findings, and the final eroded depth of the bed, which in turn, provides the emitted mass. Wind tunnel experiments were carried out in order to better understand the pavement phenomenon and estimate emissions from a bed of particles containing a bimodal size distribution. The experimental results were also used to validate the modeling, including the global emitted mass and the final characteristics of the bed surface. A good agreement was found between experimental and modeled results for the global emissions and the bed eroded depth. The erosion model was extended for application in stockpiles. In this case, the erodibility of the particles is more complex as the friction velocity and the threshold conditions are not spatially homogeneous. The idea of the model was to subdivide the pile in isosurfaces in which the threshold conditions and the friction velocity are constant and then treat each one of these areas as a different source where the emission model can be applied. Wind tunnel experiments were carried out in order to estimate emissions from a sand pile containing a bimodal size distribution. The modeled and the experimental results were compared for the configuration of an isolated stockpile and a good agreement was found between the estimated and the measured emitted mass. The impact of the presence of a building and a successive parallel stockpiles on the overall particles emission was also evaluated. Wind tunnel experiments and numerical simulations were carried out for several configurations evaluating the effects of: (i) main wind flow orientation, (ii) wind flow velocity, (iii) gap between the obstacle and (iv) amount of non-erodible particles. It was found that the flow interferences between the obstacles increase emissions. Therefore, all wind perturbations have a significant impact and have to be accounted in dust emission estimation and modeling<br>O processo de erosão eólica pode levar a várias consequências ambientais: desertificação, degradação da terra, poluição do ar, etc. Esta última está relacionada com as emissões de partículas provenientes de materiais granulares comumente encontrados em indústrias, como minério e carvão. A distribuição granulométrica destes materiais normalmente consiste em uma mistura com uma ampla gama de tamanhos, incluindo partículas maiores que não são erodíveis mesmo com fortes rajadas de vento. As partículas não erodíveis desempenham um papel protetor para as partículas erodíveis, pavimentando a superfície e reduzindo as emissões. O objetivo principal desta tese é estimar com maior acurácia as emissões devidas à erosão eólica considerando a influência da pavimentação causada pelas partículas não-erodíveis. Um modelo analítico foi proposto para quantificar as emissões de leitos de partículas e pilhas com ampla distribuição granulométrica. Os efeitos do processo da pavimentação são incorporados no modelo por meio da diminuição da velocidade de fricção média na superfície erodível à medida que as partículas nãoerodíveis se acumulam. Trabalhos anteriores definiram uma relação matemática entre a evolução da velocidade de fricção na superfície erodível e a geometria dos elementos rugosos. No entanto, a formulação é válida apenas para limitadas taxas de cobertura de partículas não-erodíveis (&lt; 12%). Simulações numéricas foram realizadas neste trabalho para estender a formulação de modo a incluir outros casos encontrados em situações reais (com maiores quantidades de partículas nãoerodíveis). O modelo de emissão proposto descreve a relação entre o valor mínimo da velocidade de fricção (para qual as emissões cessam), utilizando os resultados numéricos, e a profundidade final erodida do leito, que, por sua vez, fornece a massa emitida. Experimentos em túnel de vento foram realizados para melhor compreender o fenômeno da pavimentação e estimar as emissões de um leito de partículas contendo uma distribuição granulométrica bimodal. Os resultados experimentais foram também utilizados para validar a modelagem, incluindo a massa global emitida e as características finais da superfície do leito. Uma boa concordância foi encontrada entre os resultados experimentais e modelados para as emissões globais e a profundidade erodida do leito. O modelo de erosão foi estendido para aplicação em pilhas de estocagem. Neste caso, a erodibilidade das partículas é mais complexa, uma vez que a velocidade de fricção e as condições de limiar não são espacialmente homogêneas. A ideia do modelo é subdividir a pilha em isosuperfícies em que as condições de limiar e a velocidade de fricção são constantes e, em seguida, tratar cada uma dessas áreas como uma fonte diferente onde o modelo de emissão pode ser aplicado. Foram realizados ensaios experimentais em túnel de vento para estimar as emissões de uma pilha de areia contendo uma distribuição de tamanho bimodal. Os resultados experimentais e modelados foram comparados para a configuração de uma pilha isolada (orientada 60 e 90° em relação a direção do escoamento) e uma boa concordância foi encontrada entre a massa estimada e a emitida. O impacto na emissão da presença de um edifício e de uma pilha de estocagem sucessiva também foi avaliado. Experimentos em túnel de vento e simulações numéricas foram realizados para várias configurações avaliando os efeitos de: (i) orientação do vento, (ii) velocidade do vento, (iii) espaçamento entre os obstáculos e (iv) quantidade de partículas não erodíveis. Verificou-se que as interferências do escoamento entre os obstáculos aumentam as emissões. Portanto, todas as perturbações no escoamento têm um impacto significativo e devem ser contabilizadas na estimativa e modelagem de emissões de partículas

Dans un contexte mondial d’accroissement de la demande en travaux souterrains en sites urbains, l’ingénieur doit disposer d’outils et de méthodes performants pour concevoir des ouvrages sûrs, à risques évalués et maîtrisés. La prévision des tassements provoqués par le creusement de tunnels en site urbain repose largement sur des méthodes empiriques. Dans ce mémoire, on propose une méthode de prévision des tassements pour des tunnels creusés par la méthode conventionnelle avec présoutènements. Cette méthode est basée sur des modèles éléments finis tridimensionnels avec CESAR-LCPC. On s’intéresse d’abord aux spécificités des tunnels urbains, et aux limites des différentes méthodes empiriques et numériques. On introduit ensuite une loi de comportement du sol qui combine une élasticité non-linéaire et une isotropie transverse. Le modèle reproduit le profil, notamment la largeur, des cuvettes de tassements empiriques de référence et facilite les études de sensibilité. Le dimensionnement des présoutènements, boulons en fibre de verre et voûte parapluie, est ensuite décrit pour la maîtrise des tassements. La dernière partie est une étude de cas d’une conception par analyse de risques d’un ouvrage représentatif du contexte du Grand Paris Express<br>In a context of increasing demand for underground works in urban areas worldwide, the engineers must have efficient tools and methods to design safe structures, with assessed and managed risks. The prediction of settlements due to urban tunnelling is mainly made with empirical methods. In this dissertation, we propose a method of settlements prediction for tunnels built using conventional methods (i.e. without TBM), with reinforcements. This method is based on three dimensional finite element models with CESAR-LCPC. In the first place, we present the specificities of urban tunnels, and the limitations of numerical and empirical methods. Then, we introduce a constitutive model for the soil which combines a non-linear elasticity and a cross-anisotropic behaviour. This model reproduces the shape, and especially the width, of the reference empirical settlement troughs and permits easy sensitivity analysis. The design of reinforcements, fibreglass bolts and umbrella arches, is then described for the purpose of reducing the settlements. The last section is a case study of risk analysis design for a tunnel typical for the context of the Grand Paris Express project

L’exploitation des mesures de convergence faites dans la galerie de reconnaissance a conduit à définir les caractéristiques du terrain encaissant. Une analyse numérique, réalisée à l'aide du logiciel CESAR-LCPC, a permis de simuler le phasage des travaux de creusement du tunnel définitif. Pendant le chantier, le suivi des mesures de convergences, faisait partie intégrante de la méthode de construction de ce tunnel dans des argiles raides, sous faible couverture. A posteriori, ces mesures ont servis de base, pour affiner la modélisation, et parvenir à reconstituer au mieux les mesures in situ. D’autre part, sur ce chantier, la paroi sud de la tête d'accès ouest au tunnel, a été instrumentée dans le cadre du programme Clouterre. Le suivi de cette expérimentation a permis d'appréhender le comportement d'une paroi clouée de grande hauteur dans des terrains marneux

Dans les applications du génie nucléaire, dans l'évaluation de la sécurité, dans les grands bâtiments et dans les tunnels, en particulier, les incendies récents dans les tunnels européens (Channel, Mont-Blanc, Great Belt Link, Tauern), l’évaluation de la performance du béton lorsqu’il est soumis à des températures extrêmes est d’un grand intérêt. Dans ces accidents, les tunnels ont présenté un endommagement très important (éclatement) au niveau des sections affectées dans les éléments en béton. En fait, quand le béton est exposé à des empératures pouvant dépasser les 1000°C, des transferts de chaleur et des transports de masses fluides ont lieu dans le matériau ce qui cause des expansions thermiques et le développement de pressions de pores. Aussi, dans cette gamme de température, la microstructure du béton est soumise à des modifications physico-chimiques qui influencent fortement son comportement. Ces phénomènes affectent alors l’ensemble des propriétés matérielles du béton : thermiques, hydriques et mécaniques. Dans de telles conditions sévères, une analyse complexe est alors requise. L’objectif de cette étude est donc de développer un modèle numérique capable de prédire les comportements Thermo-Hygro-Mécanique couplés du béton, intégrant les transformations Physico-Chimiques qui ont lieu dans ce milieu poreux partiellement saturé (THM - PC). Pour les transferts de chaleur et de masse (incluant liquide, vapeur et air sec), les équations constitutives de Fourier, Darcy et Fick et des équations d’état local sont utilisées. Le comportement fissurant du béton est décrit en utilisant un modèle élasto-plastique avec l’endommagement isotrope. De plus, des modèles de séchage et de fluage thermique transitoire ont également été pris en compte. Dans ce modèle mécanique, le concept de la contrainte effective, incluant les contraintes externes appliquées et les pressions de pores, a été utilisé. Ce modèle numérique a été incorporé dans le code d’éléments finis CAST3M. Après avoir vérifié la validité des différents couplages élémentaires décrits par le modèle, des simulations ont été effectuées dans un cas mobilisant, simultanément, l’ensemble des couplages<br>In nuclear engineering applications, in safety evaluation, in tall buildings and in tunnels, particularly with the recent major fires in the European tunnels (Channel, Mont-Blanc, Great Belt Link, Tauern), the assessment of concrete performance will be of great interest. In these accidents, tunnels presented an extensive damage (spalling) of the concrete elements in the affected sections. In fact when the concrete is exposed to a temperatures from ambient up to 1000°C, this will lead to a heat and mass transfer into the concrete structure and will cause a thermal expansion of the constituents, evaporation of water and pore pressures build up. Within this range of temperature, the behaviour of concrete is affected by the physical and chemical changes of its microstructure. These entire phenomena will influence the thermal, hydral and mechanical material properties of the concrete. So in such severe conditions, a complex analysis is then required. Therefore, the objective of this study is to develop a numerical model as a tool to analyse the Thermo-Hydro-Mechanical coupling problems and the Physico-Chemical transformation THM-PC that take place in a partially saturated porous medium. For the heat and mass transfer (involving liquid, vapour and dry air), Fourier’s, Darcy’s and Fick’s constitutive equations have been used together with the thermodynamic and state equations. The cracking behaviour of the concrete is described by using an isotropic elasto-plastic-damage model. Moreover, the drying shrinkage and the transient creep have been taken also in the modelling. In this mechanical model the effective stress concept, accounting for both external applied stresses and pore pressures build up, has been used. This numerical model has been incorporated into the finite element software CAST3M. After verifying the validity of the different coupling processes of the model, numerical examples have been taken to demonstrate the capacity of the model to predict the behaviour of concrete when subjected to a fire

L'érosion éolienne des matières granulaires (minerais, charbons,. . . ) est un des facteurs influençant grandement la qualité de l'air dans l'environnement proche de nombreux sites industriels. L'objectif principal de ce travail est l'amélioration des méthodologies de quantification des émissions des sources diffuses, notamment à partir d'une meilleure prise en compte de l'exposition éolienne des sources que sont les tas de stockage et des répartitions granulométriques des matières présentes sur les sites de stockage. Les observations sur sites industriels montrent que les régions proches des tas de stockage de matières granulaires sont chargées de particules de granulométries plutôt fines. Celles-ci sont susceptibles d'être remises en suspension par les structures tourbillonnaires générées par le vent incident. Ainsi, ces zones d'envol potentiel ont fait l'objet d'analyses afin de quantifier leur contribution aux émissions globales. Une technique de visualisation d'écoulement pariétal, associée à des simulations numériques tridimensionnelles, ont été mises en oeuvre pour mieux comprendre ces structures de l'écoulement. Les matières granulaires sont un mélange de particules érodibles et non-érodibles. Le caractère érodible étant lié aux propriétés des particules (principalement granulométrie et masse volumique), ainsi qu'à la vitesse du vent incident. Dans ce cadre, deux types d'études ont été menées: des essais expérimentaux d'envol de particules dans une soufflerie et des simulations numériques tridimensionnelles avec un logiciel open-source de mécanique des fluides (Code_Saturne). Une technique originale a ainsi été développée pour quantifier, par une pesée en continue, l'influence des particules non-érodibles sur le flux massique envolé. En parallèle, le comportement des particules sur la surface est analysé à l'aide de clichés photographiques. L'analyse de l'effet des particules non-érodibles au niveau local est réalisée grâce à des simulations numériques pour des configurations polydispersées. Les résultats présentés dans ce mémoire constituent de premiers éléments pouvant possiblement contribuer à l'amélioration des modèles actuels de quantification des émissions de particules par une meilleure intégration et pris en compte de la présence de particules non-érodibles pour les matières présentant de larges spectres granulométriques.

Le phénomène connu sous l'appellation "méandrement" (ou meandering) désigne les variations aléatoires de la trajectoire du sillage aérodynamique d'une éolienne. Ce phénomène est responsable de contraintes mécaniques particulières sur les éoliennes positionnées dans le sillage d'autres éoliennes et joue donc rôle dans la conception et dans la prévision de production des parcs éoliens.Ce travail propose d'étudier le méandrement par des moyens expérimentaux et numériques. La problématique est traitée en deux parties, la première portant sur la modélisation de l'écoulement de couche limite atmosphérique, avec une attention particulière portée à la modélisation des grandes échelles de la turbulence atmosphérique. La seconde partie porte sur l'étude du sillage d'un disque actuateur soumis à un écoulement atmosphérique. Chacune de ces parties comporte un volet expérimental et un volet numérique. La modélisation numérique instationnaire de l'écoulement atmosphérique fait intervenir une technique de génération stochastique de champs de vitesse turbulente avec évolution temporelle, spécialement développée au cours de la présente thèse et à laquelle un chapitre spécifique est dédié.L'un des principaux résultats est que le méandrement du sillage est fortement corrélé avec les grandes échelles de la turbulence atmosphérique<br>The phenomenon known as meandering describes the unsteady trajectory variations of the wake of a wind turbine. This phenomenon is responsible for specific mechanical stresses on turbines positioned in the wake of other turbines. As such, this phenomenon must be accounted for in the design and operation of wind turbine plants.This work uses numerical fluid simulation and wind tunnel testing in order to study the meandering of the wake of a wind turbine. The subject is discussed in two parts. The first part discusses the modeling of the atmospheric boundary layer, with a focus on the large scales of the atmospheric turbulence. The second part is a study of the behavior of the wake of an actuator disc model in atmospheric wind conditions.Both parts include experimental and numerical work. The numerical simulation of the atmospheric boundary layer involves the generation of synthetic turbulent velocity time series by mean of a stochastic technique developed during this thesis, to which a chapter is dedicated.One of the main results of this work is that the meandering is highly correlated with the large scales of the atmospheric turbulence

Ce travail de thèse concerne l'étude d'extracteurs d'air hybrides éoliens. Il se décompose en des investigations amont et appliquées. Dans la partie amont, des simulations fines ont été effectuées en conduite carrée avec et sans rotation, pour des nombres de Reynolds turbulents de l'ordre de 600, afin d'analyser l'impact de la rotation sur la turbulence. Elles ont montré que la rotation rompt la symétrie de l'écoulement. La partie appliquée est dédiée à la conception d'une nouvelle géométrie d'extracteur d'air. Cette géométrie a été proposée à partir de l'analyse de simulations RANS. Ses performances ont été confirmées par des mesures expérimentales sur banc d'essais. Les tests en soufflerie d'un système de captage d'énergie éolienne, conçu pour l'extracteur, ont mis en évidence son adéquation au régime de fonctionnement de l'extracteur. Les essais expérimentaux de l'extracteur complet, montrent que le système de captage apporte une part significative de l'énergie. Des essais en soufflerie ont permis d'observer le comportement global de l'extracteur<br>This PhD work concerns the study of hybrid air extractors. It is composed of upstream and applied investigations. In the upstream part, fine simulations are realized in square duct flow with and without rotation to analyse the impact of rotation on turbulence. It is found that rotation removes symmetry property of the flow with turbulent Reynolds number of 600. The applied part is dedicated to the conception of a new air extractor geometry. This geometry is proposed from the analyse of RANS simulations. Its performances are confirmed by experimental measurements on test rig. Wind tunnel tests of a wind power capturing system, designed for the extractor, show a good adequation to the operating regime of the extractor. Experimental investigations on the complete air extractor, show the wind power capturing system brings a significant part of the energy. Wind tunnel tests allow to observe the complete air extractor behaviour

Nous avons etudie l'action a l'echelle mesoscopique de la presence d'un supraconducteur sur la conductance d'un circuit de metal normal. Apres une discussion de differentes theories concernant ce sujet, nous presentons des mesures a tres basse temperature (20 mk) mettant en evidence l'action non locale de la supraconductivite sur la conductance metallique. Nous montrons que la conductance du metal normal est alors fortement dependante de l'energie des electrons, l'energie caracteristique etant l'energie de thouless. Une experience d'interference effectuee dans la configuration aharonov-bohm met en evidence la portee de la coherence quantique de paires d'electrons dans le metal normal. Nous effectuons une comparaison detaillee avec la theorie des fonctions de green quasiclassiques. Cette comparaison met en evidence le role important joue par les parties exterieures de l'echantillon qui constituent les reservoirs. Nous presentons une technique originale de fabrication d'echantillons mesoscopiques hybrides de niobium et de cuivre. De plus, afin de pouvoir controler la formation des barrieres tunnel, nous avons developpe une vanne permettant de maitriser l'entree, dans un enceinte a ultra-vide, d'oxygene pur a partir de l'air. Nous decrivons un programme ecrit en langage c++, qui permet de calculer la conductance d'un circuit hybride quelconque compose de metal normal et de supraconducteur. Dans le cas ou deux supraconducteurs sont presents a des tensions differentes, l'effet josephson alternatif module la densite d'etats dans le metal normal. Nous presentons une experience, en cours de developpement, visant a mesurer les effets de ces variations de la densite d'etats sur le transport.

Le contrôle actif d’écoulement est actuellement étudié dans le but d’améliorer les performances aérodynamiques des véhicules aériens ou terrestres. La diminution de la traînée permettrait de réduire la consommation de carburants fossiles et donc l’émission des gaz à effet de serre des véhicules. Les actionneurs fluidiques sont utilisés comme dispositifs de contrôle depuis une quinzaine d’année. Le contrôle par jet synthétique semble être le plus adapté à une application sur un véhicule de série dans la mesure où l’actionneur ne doit pas être alimenté en fluide. Le travail présenté dans cette thèse combine l’expérimentation physique et la simulation numérique. Elle s’intéresse tout particulièrement au contrôle de l’écoulement autour d’un corps de Ahmed à culot droit à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique. Les essais en soufflerie ont été essentiellement utilisés pour caractériser l’écoulement autour du corps de Ahmed et dans son sillage. L’écoulement autour de cette géométrie simplifiée de véhicule terrestre a été caractérisé par des pesées aérodynamiques, des mesures de pressions pariétales, des acquisitions des fluctuations de vitesse par anémomètrie à fil chaud et des mesures de champs de vitesse par Vélocimétrie par Images de Particules. Les grandeurs moyennes et instationnaires de l’écoulement ont ainsi pu être caractérisées. Les simulations numériques à l’aide du code de calcul elsA ont ensuite été réalisées sur une configuration similaire. Les résultats des simulations de l’écoulement non contrôlé ont été confrontés aux résultats expérimentaux. Dans le but d’agir sur la traînée, le contrôle à l’aide d’un actionneur de type jet synthétique a été réalisé sur la même géométrie. Les paramètres de contrôle tels que la quantité de mouvement, la fréquence d’actionnement et l’orientation des jets synthétiques ont été testés numériquement. Le contrôle à l’aide des paramètres testés, a entrainé une augmentation de la traînée qui est due à une réduction de la longueur de la zone de recirculation associée à une diminution de la pression pariétale au niveau du culot de la maquette. Il ressort de ce travail que le contrôle par jet synthétique à basse fréquence orienté selon le sens principal de l’écoulement semble être une voie à explorer<br>Active flow control is currently studied in order to improve aerial or ground vehicle aerodynamics. Diminishing aerodynamic drag leads to a reduction of fuel consumption and so in greenhouse gas emissions of vehicles. Fluidic actuators have been used as control devices for about fifteen years. Considering the fact that the actuator does not need external fluid supply system, synthetic jet control seems to be the most suitable solution that can fit on production vehicles. This thesis combines experimental tests and numerical simulations. It tackles with the flow control around a square back Ahmed body with synthetic jet actuator. Wind tunnel tests have essentially been used to characterize the flow around and in the wake of the Ahmed body. Flow around this simplified geometry of ground vehicle has been characterized using hot wire anemometry, flush mounted pressure taps and two components Particular Image Velocimetry. The steady and unsteady features of the wake flow have thus been characterized. Simulations of this flow have been performed with the computation code elsA. Results of the simulations of the natural flow around the square back Ahmed body have been compared to experimental results. With a view to modifying the drag, flow control thanks to a synthetic jet actuator has been tested on a square back Ahmed body. Parameters of the flow control, such as momentum coefficient, actuation frequency and orientation of the synthetic jet have been numerically investigated. Results show a decrease of the circulation length leading to a diminution of the base pressure and hence to an increase of the drag. Flow control by using a low frequency with slots oriented along the mainstream seems to be a path to explore

L’état de contrainte des galeries et tunnels souterrains évolue dans le temps, tout d’abord en raison de l’avancement du front de taille lors de la construction, mais aussi en raison des changements graduels des propriétés du terrain ou des caractéristiques mécaniques des matériaux constitutifs de l’ouvrage (réduction de la cohésion, vieillissement). Ces changements sont causés par des actions combinées comme: les processus d’altération dus aux infiltrations des eaux météoriques et de réseaux concessionnaires, mais aussi par l’apparition des fissures qui induisent par ailleurs des redistributions de contraintes et de déformations, ainsi que par le fluage des matériaux. Dans cette étude, un travail préliminaire, nous permet de quantifier l’état de contrainte initial lors de la construction des ouvrages. Notre approche basée sur la modélisation éléments finis 2D permet de simuler l’état d’équilibre interne des excavations, nos résultats sont en adéquation avec ceux issus des méthodes analytiques de la littérature. Cet état initial est ensuite calibré via une modélisation 3D. Puis, une macro-modélisation à base d’éléments finis nous permet d’envisager différents scénarios de détérioration des soutènements, notamment à l’extrados des galeries de couloirs d’accès et tunnels de ligne de métro Parisien. Un des scénarios étudié prend en considération la réduction de la résistance mécanique du piédroit et de la zone interface entre le sol et la paroi, ainsi que le fluage de l’encaissant et du revêtement. En utilisant une loi qui permet de simuler la perte de cohésion, paramètre qui évolue en fonction de la déformation inélastique et en fonction du temps, le comportement mécanique des zones dégradées est ainsi reproduit par un modèle viscoplastique de type adoucissant ou à écrouissage négatif. Nous mettons bien en exergue les processus de dégradation observés sur ces galeries durant leur exploitation. Les différentes modélisations permettent de mieux évaluer l’état des différents composants de l’ouvrage selon le type de dégradation et selon le temps traduisant ainsi son vieillissement. Elles permettent également de jauger la sensibilité et la pertinence de différents paramètres. In fine, nous évaluons les pathologies de ces structures, ce qui permet de fournir des indicateurs quant à la gestion de ce patrimoine<br>The stress state of underground tunnels and galleries evolves over time , firstly because of the advancement of the working face during construction , then due to gradual changes in soil properties and mechanical properties of materials component of the infrastructures (reduction of cohesion, aging). These changes are caused by combined actions such as: weathering processes due to infiltration of meteoric waters and concessionaires networks, but also by the cracks appearance that induce further redistribution of stress and strain, and the creep. A particular attention is paid to the determination of the initial state of stresses applied on the structure right after the construction. In order to approach this initial stress state which corresponds to the construction phase of underground structures, we propose a methodology based on comparing the numerical model with analytical methods taken from literature. Then we compare 2D and 3D numerical models. Thereafter, a macro- modeling based on the finite elements method allows considering different scenarios of the tunnel-linings deterioration, specifically at the extrados of the galleries and Paris metro line tunnels. One of the studied cases takes into account the mechanical strength loss of the abutment and the interface between the ground and the wall area including their creeps. Therefore, Elasto-viscoplastic with strain softening constitutive model is used in this study to reproduce the degraded zone behavior. The numerical models show that we can reproduce the underground structure behavior during degradation and assess the state of different structure components. The approach used here for the Parisian metro tunnels may be used by the other underground structures managers