Tesi sul tema "Sols – Érosion – Simulation par ordinateur"

Ce mémoire est le fruit d'un travail de thèse mené en interface entre les domaines de la science du sol et de l'informatique. Ce travail concerne la modélisation et la simulation de deux types d'évolution de la structure de surface d'un sol cultivé: sa dégradation sous l'action de la pluie, et sa fissuration sous l'effet de la dessiccation. Les modèles développés sont basés sur le formalisme DEVS, formalisme dédié aux systèmes à évènements discrets et sur le principe des automates cellulaires étendus. La principale originalité du simulateur de la dégradation du sol est qu'il vise à reproduire les interactions entre les processus érosifs et l'évolution du relief et de la structure de la surface du sol. Les différents processus de transfert d'eau sont représentés, ainsi que les processus de transfert de sédiments. Une expérience sous simulateur de pluie a permis de vérifier que notre simulateur présente un comportement global correct, produisant un encroûtement réaliste à la fois sur des aspects qualitatifs et quantitatifs, ce qui en constitue l'un des aspects les plus originaux et innovants. Le simulateur de la fissuration du sol reproduit l'apparition et le développement de fissures verticales dans la couche de surface d'un sol soumis à dessiccation. Nous avons introduit l'utilisation de la méthode de la ligne de partage des eaux hiérarchique afin d'obtenir un réseau de fissures qui puisse être déterminé par des propriétés du sol, en particulier l'épaisseur de la croûte. Outre une validation au moyen des densités de Minkowski, nous avons également proposé une généralisation de notre méthode aux maillages 3D
This document is the result of a thesis conducted on the interface between computer science and soil science. This work concerns the modeling and simulation of two types of changes in the structure of a cultivated soil surface: its degradation by the action of rain, and its cracking by the action of dessication. The models we have developed are based on the DEVS formalism, which is dedicated to discrete event systems, and on extended cellular automata principle. The main originality of our simulator of soil degradation is that it aims to reproduce the interaction between the erosion processes and the evolution of the relief and of the soil surface structure. The processes of water transfer are represented, as well as the processes of sediment transfer. A rain simulator experiment permitted to verify that our simulator provides a correct global behavior, producing a realistic crusting on both qualitative and quantitative aspects, which is one of its most original and innovative characteristics. The cracking simulator reproduces the emergence and development of vertical cracks in the surface layer of a dessicating soil. We have introduced the method of hierarchical watershed to obtain a cracks network that can be determined by soil properties, especially the crust thickness. Besides a validation using Minkowski's densities, we have also proposed a generalization of our method to 3D meshes

Dans la région de Vidauban (Var), les vignobles sont établis sur des sols développés sur pélites et grès de la dépression permienne, au nord du Massif des Maures. Malgré des pentes faibles, les manifestations de l'érosion sont notables. L'étude a pour but d'éclairer le phénomène, de rechercher plus précisément l'influence de la nature du sol et de diverses façons culturales sur le ruissellement et l'érosion. Trois pratiques agricoles sont comparées: la non-culture par désherbage chimique du sol, le travail traditionnel alliant labours et griffages, enfin l'enherbement (trèfle souterrain). Cette comparaison est menée en adoptant deux points de vue: celui fourni par les techniques de simulation de pluie sur des surfaces exigües inferieures ou égales au m2; celui donne par la mesure du ruissellement et de l'érosion, à l'échelle de parcelles expérimentales de 100 m2, dans les vignes soumises aux conditions naturelles. Les essais de simulation de pluie mettent en évidence les paramètres contrôlant le ruissellement et l'érosion. Un taux élevé d'humidité du sol en début d'essai, une forte intensité de pluie, une texture de sol caractérisée par beaucoup de limons et de sables fins, la non-culture, sont des traits accompagnant les forts taux de ruissellement. Du point de vue de l'érosion, l'humidité élevée du sol avant essai, les fortes intensités de pluie, l'abondance des limons et sables fins non lies par des argiles sont toujours des facteurs favorables. Le traitement de surface le moins conservatoire n'est plus la non-culture mais le travail du sol traditionnel. Quant à l'enherbement, il apparait comme le traitement le plus efficace pour limiter aussi bien le ruissellement que l'érosion. Dans les parcelles expérimentales, le ruissellement est considérable. Globalement pour les trois années de mesures il représente entre 11 et 45% des précipitations selon les sols et le traitement agricole de la surface. L'étude de quelques épisodes pluvieux pris séparément montre que le ruissellement n'apparait que pour une hauteur de pluie supérieure à une valeur dépendant de l'état d'humidité du sol. Les écoulements ne se produisent en outre que si l'intensité de la pluie dépasse un certain seuil. Le travail du sol et l'enherbement conduisent à une augmentation importante de ces valeurs-seuils par rapport a celles correspondant a la non-culture; le ruissellement en est diminué d'au moins 50%. L'érosion a l'échelle des parcelles expérimentales est très forte et peut atteindre 54 t/ha/an. Elle se développe principalement en automne, lors des trois événements pluvieux les plus notables de l'année. L'érosion est accrue lorsque le sol est riche en limons et en sables fins non liés entre eux. Par rapport aux parcelles désherbées chimiquement, les taux d'érosion des parcelles travaillées traditionnellement sont de 1,5 a 3 fois plus faibles. L'enherbement ramène l'érosion a des valeurs très faibles ou nulles. Ainsi, contrairement a ce qui a été noté avec les essais de simulation de pluie, ici l'érosion varie toujours comme le ruissellement. En prenant en compte les taux de ruissellement et un seuil d'intensité au-dessous duquel il ne se produit pas d'érosion significative, il est possible d'établir une relation permettant l'évaluation des taux d'érosion

Ce travail fait le point des méthodes de calcul des talus et des murs renforcés par géotextiles. Après une analyse de ces méthodes une proposition pour la prise en compte d'un champ de déplacement est présentée. Cette approche permet d'obtenir une relation entre le coefficient de sécurité de l'ouvrage et une répartition des déplacements définis par un champ issu de mesures in-situ. Ceci permet principalement de comparer en termes de déplacements, pour un coefficient de sécurité donné, l' efficacité des différentes solutions envisagées pour un projet (choix des géotextiles et disposition de construction)
This work analyses design methods for reinforced slopes and walls with geosynthtics. A proposal is done for taking in account a displacement field. It is possible to give a relation between a safety factor of failure in the slope or in the wall, and displacement measures. As it is impossible to know initial values of the displacement, this method allows the comparison of displacement induced by different designs of structure (choice of geosynthetic, design)

Cette étude s'est déroulée au sein de l'équipe "Modèles Numériques" de l'institut méditerranéen de technologie. Elle s'inscrit dans la motivation actuelle de la communauté scientifique, dont le CEMAGREF, a pouvoir bien simuler un ouvrage de type barrage en terre. Le choix d'un bon modèle de sol (difficulté majeure) n'est pas discute dans ce travail. L'effort est essentiellement porté sur les outils numériques permettant de dégager plus de temps sur la pré- ou post-étude (le vrai problème d'ingénierie), en réalisant des simulations fortement non linéaires avec un confort appréciable et une précision satisfaisante. L'écriture des lois de bilan d'un milieu poreux déformable polyphasique permet de lister les hypothèses sous-jacentes des modeles usuels, d'introduire les outils de travail heuristiques (principe de Terzaghi, loi de Darcy), et de mettre en évidence les lacunes actuelles de compréhension, de modélisation et d'identification. On tente une approche unifiée des outils classiques utilises en élastoplasticité pour décrire le comportement mécanique des sols satures parfaitement draines. Le modèle CJS (Cambou/Jafari/Sidoroff) pour les sols non cohérents est expose. L'étude formelle des lois élastoplastiques multimécanismes non standard est réalisée: après une rapide analyse de l'existence et de l'unicité en vitesse de variables internes pour une vitesse de déformation donnée, on met le problème sous la forme connue d'une équation différentielle ordinaire ou algébrique. La résolution numérique de problèmes aux limites de type élastoplastique ou écoulement non sature est exposée; elle est mise en oeuvre dans le code aux éléments finis SIC. 2 developpé a l'université de technologie de Compiègne. On propose plusieurs méthodes originales, que l'on compare a d'autres codes de calcul, a des résultats expérimentaux ou a des relevés in situ.

Différentes contraintes d'ordre environnementales, économiques et réglementaires motivent les efforts actuels pour comprendre et mieux quantifier l'érosion éolienne. La particularité majeure de cette source de pollution atmosphérique porte sur son caractère diffus qui impose, contrairement aux émissions canalisées, le recours à des méthodes de quantification basées sur des modèles. Dans ces derniers, certains aspects n'ont pas été pleinement appréhendés, notamment l'influence sur l'érosion de la large répartition granulométrique des matériaux granulaires. En outre, l’exposition éolienne des tas de stockage sur sites industriels, et par suite les émissions provenant de cette source, sont tributaires de nombreux paramètres, tels que la géométrie et la disposition des tas ainsi que les conditions de l'écoulement, d'où la nécessité d'étudier finement les variations des caractéristiques de l'écoulement autour des tas avec la modification de ces paramètres. L’objectif de ce travail est d’améliorer la précision des modèles de quantification des émissions diffuses, en créant des bases de données précises et détaillées. Des simulations numériques ont été mises au point et validées, visant à étudier l'écoulement autour de géométries de tas tridimensionnelles, en faisant varier les configurations et les conditions de vent. Une seconde approche, locale, a été mise en œuvre et consiste à caractériser l'écoulement en étudiant notamment l'évolution de la vitesse de frottement à la paroi en présence d'éléments non-érodibles pour différentes configurations et densités de rugosités. Les données serviront à améliorer la précision, la performance ainsi que le domaine d'application des modèles de quantification
The environmental impacts as well as the economical problems and regulation constraints related to wind erosion motivate current efforts to model and quantify erosion. The nature of the underlying processes makes quantification of fugitive dust emissions a very demanding exercise that is still subject to active research. Certain aspects were not fully apprehended, others require further development. These include the influence of the wide size distribution of granular materials and the sensitivity of the stockpiles’ wind exposure on industrial sites to various parameters, such as the geometry of the pile and its location as well as the wind conditions. The objective of this work is to improve the accuracy of fugitive dust emissions estimations, by creating precise and detailed databases for existing models. Three-dimensional numerical simulations were developed and validated in order to investigate the sensitivity of the mean flow structure to varying stockpile geometries and wind conditions. A second local approach was also applied, which aims to study flow characteristics and the evolution of the friction velocity at the wall in the presence of non-erodible elements for various configurations and roughness densities. The numerical data can be used in order to improve the current models’ accuracy and performance

La majeure partie des instabilités observées sur les ouvrages hydrauliques en terre est due aux mécanismes d’érosion interne. Parmi ces mécanismes, la suffusion est un processus volumique qui combine le détachement, le transport et l’éventuelle filtration d’une partie des grains transportés. Dans la littérature, la cinétique de ce processus a été peu étudiée, contrairement à son initiation. Ce travail de thèse a pour objectif d’étudier le développement de la suffusion pour lequel une nouvelle loi de comportement est proposée à partir de l’approche énergétique. Cette loi utilise deux paramètres qui caractérisent la fin du processus de suffusion et un paramètre qui gouverne la vitesse de son développement. Cette loi est validée grâce à des essais expérimentaux existants et est comparée à deux autres lois issues de la littérature. Les principaux avantages de la loi basée sur l’énergie sont de limiter la masse érodée cumulée à une valeur maximale et d’utiliser des paramètres mesurables expérimentalement. Pour modéliser ce phénomène, un modèle thermoporo- élastique est développé dans le cadre de la théorie des mixtures. Le sol saturé et érodable est représenté par un mélange à deux phases et quatre espèces. La solution aux équations de champs est obtenue numériquement par la méthode des éléments finis. Les capacités du modèle sont présentées à l’échelle de l’échantillon et à l’échelle d’un modèle physique de digue. La simulation numérique de ce modèle physique montre des résultats prometteurs, en particulier pour l’ordre de grandeur de la masse érodée cumulée ainsi que la distribution spatiale des particules fines. Cette étude ouvre d’intéressantes perspectives de recherche sur la simulation d’ouvrages à partir de paramètres mesurés en laboratoire
Internal erosion processes are responsible for the majority of instabilities within hydraulic earth structures. Among these processes, suffusion is the volumetric process gathering detachment, transport and possibly filtration of some transported particles. In literature, the suffusion kinetics has been little tackled, unlike its initiation. This study deals with suffusion kinetics for which a new relationship inspired from the energy approach is proposed. This relationship uses two parameters that characterize the end of the suffusion process and one parameter that governs its development. This relationship is validated against existing experimental results and is compared with two other relationships inspired from the literature. The main advantages of the energy-based law are to limit the cumulative eroded mass with a cap value and to use experimentally measurable parameters. To model this phenomenon, a thermo-poro-elastic model is developed within the mixture theory framework. The saturated erodible soil is represented by a two-phase four-species mixture. Solution to the governing equations is obtained numerically using the finite element approach. Finally, the capabilities of the model are presented at both the sample scale and the scale of a physical model of dike. The numerical simulation of the dike model shows promising results, particularly for the magnitude of the cumulative eroded mass and the spatial distribution of fine particles. This study opens the way to further research opportunities concerning the simulation of earth structures based on laboratory measured parameters

Les émissions diffuses de poussières provenant de l'érosion éolienne des tas de stockage de matières granulaires sur les sites industriels représentent une part significative des émissions atmosphériques globales sur les sites industriels. L'objectif du travail de thèse est d'améliorer les modèles existant de quantification des émissions diffuses en définissant plus précisément les paramètres influençant l'érosion éolienne tant à l'échelle de la matière stockée qu'à l'échelle d'un site industriel. Des études antérieurs ont montré que la présence de particules non-érodibles sur une surface érodible a pour effet d'absorber une partie de la contrainte de cisaillement du vent et ainsi de protéger la surface érodible de l'érosion éolienne. Par conséquent, l'évolution de la vitesse de frottement à la paroi a été étudiée en fonction du changement des caractéristiques de rugosités à la surface durant le processus d'érosion. Par ailleurs, il est communément connu que l'exposition éolienne des tas de stockage et les subséquentes émissions provenant de ces tas dépendent de nombreux paramètres, tels que la géométrie, la disposition des tas, la topographie du site industriel ainsi que des conditions d'écoulement. Une étude expérimentale en soufflerie ainsi que des simulations numériques, permettant de caractériser l'écoulement autour des tas de stockage, ont été réalisées afin d'étudier l'influence de chacun de ces paramètres sur les émissions de particules. Ces études ont permis de mieux appréhender les phénomènes d'érosion éolienne et ainsi d'améliorer les méthodes de quantification des émissions diffuses de poussières sur sites industriels
Fugitive dust emissions from open stock yards for bulk materials represent a significant part of overall estimated atmospheric emission on industrial sites. The aim of the thesis work is to improve the accuracy of the current models of estimation of fugitive dust emissions, by defining more precisely the parameters which affect wind erosion as well on the material stored scale as on the industrial sites scale. Previous studies have shown that the presence of non-erodible roughness elements on erodible surfaces has the effect of absorbing part of the wind shear stress and thus protecting the erodible surface from wind erosion. Therefore, the friction velocity evolution has been studied as a function of the characteristics changes of the surface roughnesses during the erosion process. Besides, it is commonly known that the wind exposure of the stockpiles and subsequent emissions from these stockpiles depends on various parameters such as the geometry, the location of the pile, the site topography as well as the wind conditions. An experimental study in a wind tunnel and numerical simulations, characterizing the wind flow over the piles, have been carried out to study the effect of each of these parameters on dust emissions. These studies have provided further insight into the phenomena of wind erosion and have allowed a more accurate and relevant evaluation of fugitive dust emissions on industrial sites

Le but de la thèse est de simuler le lessivage par injection d'eau d'un aquifère pollué par un hydrocarbure. L'accent est mis sur la modélisation où l'on prend en compte de façon explicite les échanges entre les phases, sans faire l'hypothèse d'équilibre local. Ce modèle nous a conduit à étudier un système de convection-diffusion-réaction dans lequel les temps caractéristiques régissant les divers mécanismes mis en jeu sont très différents. Dans un premier temps, nous avons fait l'étude monodimensionnelle, afin de cerner les principales difficultés : non linéarité, dégénérescence, caractère hyperbolique des équations. Afin de traiter aussi précisément que possible ces trois phénomènes, un schéma basé sur la méthode des pas fractionnaires est mis en place. Pour résoudre la partie convection, nous avons utilisé les schémas de Roe et de Harten, puis un schéma basé sur la méthode MUSCL introduite par Van Leer. La partie diffusion est traitée de manière semi-implicite par un schéma aux différences finies centrées. La partie réaction se ramène à l'étude d'un système d'équations différentielles ordinaires, qui est traité de façon semi-implicite. Dans ces deux dernières parties, les non-linéarités sont résolues à l'aide de la méthode de Newton. Ensuite, le schéma proposé est étendu à la dimension deux. On présente quelques tests numériques pour prouver la faisabilité de la méthode

Le déminage mécanique consiste à scarifier le sol avec une " charrue ", outil formé d'une lame en V munie de plusieurs dents, poussée par un engin : les dents déstructurent le sol et le font remonter devant la lame qui l'évacue sur le côté avec les mines qu'il contient. L'objectif de nos travaux est de mettre en œuvre la simulation numérique par éléments finis du problème fortement non linéaire issu de la modélisation de la scarification du sol. Le code d'éléments finis implicite Forge3®, dédié à la mise en forme des métaux, a été choisi comme support numérique. Il permet de prendre en compte les grandes déformations, en particulier à l'aide de son remaillage automatique. Nous avons dans un premier temps implanté dans ce code deux modèles élastoplastiques de comportement, l'un incompressible réservé aux sols fins saturés, purement cohésifs, l'autre compressible, fondé sur la notion d'état critique, pour les matériaux purement frottants ou cohésifs et frottants. Ces modèles adoucissants sont intégrés par un schéma de retour radial généralisé, au sein d'une formulation implicite du problème aux limites. Nous montrons que la matrice de raideur est non symétrique dans le cas compressible et que la symétrisation du système ne conduit pas à une approche robuste. Nous avons donc importé et testé un solveur itératif non-symétrique : Bi-CGSTAB. Nous avons validé la programmation de ces modèles sur des essais triaxiaux. Pour les comportements adoucissants, on constate des oscillations dans la relation contrainte/déformation passé le pic de contrainte. Ces difficultés numériques sont traitées par linéarisation et régularisation. Dans un deuxième temps, nous avons mis en œuvre des simulations de scarification pour différents niveaux de complexité : une dent seule, une dent + une tranche de lame, plusieurs dents, en faisant suffisamment avancer l'outil pour atteindre le régime stationnaire ; cela se révèle d'autant plus long que l'outil est large, ce qui nous amène au calcul très intensif. L'influence de paramètres géométriques comme l'inclinaison de la dent ou l'angle d'étrave du système a été mise en évidence, elle est qualitativement conforme aux observations expérimentales. L'étude de l'influence des paramètres des modèles de comportement montre la prépondérance de ceux liés à l'état critique, i. E. Aux propriétés mécaniques après de grandes déformations. Enfin nous avons validé qualitativement le code en termes de modes d'écoulements et de répartition des efforts pour des outils multi-dents. La comparaison quantitative des efforts reste à affiner en revenant sur le comportement choisi et son implémentation
Mine clearing (or military breaching) consists in ploughing the superficial layer of the soil with a multi-tine blade located in front of a pusher vehicle: the tine destructure the soil and heave it in front of the blade which pushes it aside, with the mines inside. The aim of the present study is to perform the numerical simulation by the 3D finite element method of the highly non-linear problem of soil ploughing modeling. The numerical tool chosen for this purpose is the implicit finite element code Forge3® (devoted to Metal Forming Processes) which, thanks to its automatic re-meshing routine, is able to model large deformation. We have implemented in Forge3® two hypo-elastic-plastic models: an incompressible one for saturated fine soils, purely cohesive, and a compressible one based on the critical state concept for frictional or frictional-cohesive materials. These worksoftening material models are time-integrated by a generalized radial return technique within an implicit formulation. We show that compressibility yields a non-symmetric stiffness matrix, and that the symmetrization of the system is not robust enough, so that the non-symmetric solver Bi-CGSTAB has been implemented after comparative tests. The implemented models were validated on triaxial tests. For softening models, oscillations occurred in the stress/strain curves after the stress peak. These numerical difficulties were overcome using linearisation and regularisation techniques. As a second step, we performed numerical simulations for different kinds of tools : a single tine, a single tine + a slab of a blade, several tines and several tines + a blade. Tool displacements were simulated until a steady state was reached. This takes displacements all the larger as the tool system is wider, leading to intensive computation. Geometric parameters such as tine rake angle or system stem angle clearly influence the complex material flow patterns, in a way similar to experimental observations. Material model parameters shown dominant are those linked with the concept of critical state, i. E. Corresponding to the large deformation range. Finally the global model was validated from a qualitative point of view, in terms of flow pattern and force distribution for multi-tine tools. Quantitative comparison with experiments must still be refined, returning to the constitutive model and its implementation

Le travail de cette thèse concerne l'étude expérimentale, la modélisation et la simulation numérique de la dépollution par venting et SVE des sols pollués par des hydrocarbures légers. Une première partie contient une étude bibliographique de l'interaction des polluants avec le sol, les applications industrielles de ces deux techniques et des techniques de modélisation du suivi de la dépollution. La deuxième partie est constituée de la présentation des montages et techniques opératoires utilisés pour le suivi de la dépollution sur des pilotes de laboratoire. La troisième partie présente les résultats obtenus sur des sols pollués par des composants de carburant automobile seuls ou en mélange avec des conditions opératoires (débit gazeux, pression d'extraction, temps de vieillissement de la pollution). L'accord entre l'expérience et la modélisation (chiffré par des facteurs de concordance) est bon ce qui permettra d'utiliser les techniques de calcul mises au point pour une optimisation des conditions de dépollution
The work of thesis relates to experimental study, modelling and numerical simulation of depollution by venting and SVE of the soils polluted by light hydrocarbons. The first part contains a bibliographical study of pollutants interaction with the soil, of industrial applications of these two techniques and of the modelling techniques used for the follow-up of depollution. The second part is made up of the presentation of the equipments and procedures used for the follow-up of depollution on laboratory pilots. The third part presents the results obtained on soils polluted by components of automobile fuel alone or in mixture with the variation of the operating conditions (gas flow, extraction pressure, ageing of pollution). The agreement between the experimental and modelling (quantified by the factors of agreement) is good, which will allow the use of the developed techniques of calculation for an optimisation of the depollution conditions

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
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
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 (< 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

Les hétérogénéites de réservoir sont générées par des modèles géostatistiques sur une dizaine de millions de mailles fines, ce qui est actuellement incompatible avec les possibilites de calcul des simulateurs numériques d'écoulement. Il est donc nécessaire de réduire le nombre de mailles. De manière à connaître les valeurs des paramètres pétrophysiques de l'échelle fine à l'échelle grossiere appropriée aux simulations d'écoulement, des techniques d'homogénéisation sont utilisées. Les méthodes de prise de moyenne en simulation de réservoir sont étudiees depuis plusieurs années par de nombreux scientifiques. En général, lorsque la direction principale d'écoulement n'est pas parallèle aux axes principaux du maillage, la perméabilite équivalente doit être représentée par un tenseur complet pour bien prendre en compte les propriétés de l'écoulement. Mais, la perméabilite obtenue ne peut pas être utilisée directement dans le schéma numérique. Une moyenne harmonique entre les perméabilités de deux mailles voisines est alors généralement utilisée pour obtenir les transmissivités. Le choix de cette moyenne peut ne pas être optimal dans tous les cas. Actuellement, de plus en plus d'auteurs recommandent l'utilisation de perméabilites internodales calculées entre deux mailles voisines. Ce calcul est équivalent au calcul des transmissivités, pour un schéma fixe. La prise de moyenne des transmissivités est plus précise que la prise de moyenne des perméabilités, car la transmissivité est calculée directement à partir des hétérogénéites fines en intégrant le schéma numérique. Une théorie a été développée, dans le cadre de la thèse, pour le démontrer en 1-d. Le travail de thèse porte sur une nouvelle technique pour calculer les transmissivités a l'échelle grossière dans les équations discrétisées à l'aide d'un schéma numérique du type volumes finis sur deux types de maillages : le maillage cartésien et le maillage corner point geometry (quadrangles). Le principe de cette technique est d'utiliser le bloc décale place a cheval entre deux mailles grossières voisines sur lequel on résout a l'échelle fine le problème permanent. De plus, pour améliorer la précision a l'échelle du champ, on peut distinguer deux types d'écoulement pour calculer les transmissivités : l'écoulement linéaire situe loin des puits ou le gradient de pression est faible et l'écoulement radial situe près des puits ou le gradient de pression est élevé. La région de l'écoulement radial a une grande importance sur la prévision de production, car directement liée aux puits. L'intérêt de la prise de moyenne au voisinage des puits est montre théoriquement et numériquement en 2-d. Son principe de calcul réside dans la détermination des transmissivités des mailles puits et de l'indice de productivité (ip) simultanément. La validation a été faite sur des cas pratiques en comparant cette nouvelle technique de prise de moyenne, la méthode décalée, avec des techniques classiques pétrolieres et des techniques de prise de moyenne du tenseur complet de perméabilités.

Le renforcement des sols compressibles par inclusions rigides verticales est une technique qui associe un éseau d'inclusions et un matelas constitué de sol granulaire, intercalé entre le sol renforcé et l'ouvrage. Dans ce matelas se développent des voûtes qui transfèrent partiellement les charges vers les inclusions, permettant ainsi la réduction et l'homogénéisation des tassements en surface du massif renforcé. Le renforcement peut être complété par une nappe géosynthétique en base du matelas, fonctionnant en membrane. Les domaines d'application privilégiés sont les fondations de remblais routiers ou ferroviaires et les fondations de zones industrielles. Les différents éléments de ce système sont en interactions complexes.
Ce travail de thèse constitue une contribution à la compréhension du comportement de ce type d'ouvrage, et s'intéresse plus particulièrement à la modélisation des mécanismes se développant dans le matelas de transfert de charge. Il comporte trois parties. La première partie présente le contexte et les objectifs. La deuxième partie est consacrée à la constitution d'une base de données
expérimentale précise et complète en terme d'efforts et de déplacements, afin de servir de référence à diverses approches de modélisation numérique. Pour cela, un modèle physique bidimensionnel mettant en oeuvre des matériaux analogiques est développé.
La troisième partie concerne la modélisation numérique. La première étape consiste en une modélisation bidimensionnelle en milieu continu, validée à partir des résultats expérimentaux obtenus sur le modèle réduit. Des modèles de comportement spécifiques aux divers matériaux sont mis en oeuvre. L'analyse paramétrique peut alors être étendue numériquement. La seconde étape de la modélisation numérique consiste en la mise en oeuvre de simulations tridimensionnelles en milieu continu de cas réalistes. Les comportements du sol du matelas et du sol compressible sont pris en compte par des modèles de diverses complexités. Le système est d'abord pris en compte par une cellule élémentaire du maillage en conditions drainées, puis par une section courante de remblai présentant des talus latéraux.

Cette thèse entre dans le cadre de la synthèse d'images de paysages s'appuyant sur une nouvelle modélisation des terrains par simulation dynamique de processus géomorphologiques. La restitution des phénomènes naturels agissant sur la création et l'évolution des reliefs semble un des moyens les plus sûrs pour obtenir des paysages réalistes. Après une présentation des différentes modélisations de terrain existantes, le modèle proposé est détaillé. Il s'appuie sur la création de terrains géologiquement contrastés sur lesquels sont appliqués des processus déterministes d'érosion. Le relief est constitué d'une surface topographique à laquelle est associée la représentation volumique d'un sous-sol, qui permet de déterminer en chaque point des paramètres géologiques intervenant dans la simulation. Celle-ci suit une méthode itérative utilisant des lois simulant l'érosion gravitaire et mécanique, la dissolution chimique et la sédimentation. L'écoulement et le transport de matière entre les points s'effectuent par le biais d'un graphe de parcours qui traduit la structure du réseau hydrographique. La simulation implique l'évolution (altimétrique et géologique) du relief et la création du réseau associé. Deux algorithmes de rendu sont ensuite proposés pour visualiser le relief modélisé. Ils incluent la représentation du réseau hydrographique et des lignes de crête. Le réalisme des images est accru par le plaquage sur le relief de textures naturelles de végétation, générées par une technique de spot noise et l'ajout d'effets visuels.

L'élaboration d'une équation bilinéaire reliant le coefficient de partage n-octanol/eau (log P) à la bioconcentration des molécules organiques chez les poissons a permis de mieux simuler le comportement bioaccumulatif des substances très lipophiles. L'adsorption par les sols et les sédiments des substances ionisées et non-ionisées a pu être modélisée par une équation régressive prenant en compte le log P, le potentiel d'ionisation des molécules, le pourcentage en carbone organique et le pH des substrats. L'intégration de ces deux relations dans CHEMFRANCE a élargi le domaine d'application de ce modèle régional de fugacité niveau III applique à la France. Des études menées sur le lindane et l'atrazine ont démontré le haut potentiel de simulation de CHEMFRANCE pour ces pesticides. Enfin, des analyses comparatives des principales relations structure-bioconcentration et structure-adsorption utilisant le log P comme descripteur moléculaire ont été réalisées afin de tester l'intérêt des modèles que nous proposons
The elaboration of a bilinear relationship between the n-octanol/water partition coefficient (log P) and the accumulation of chemicals in fish allowed to simulate more accurately the bioconcentration potential of very lipophilic molecules. The soil and sediment adsorption of ionized and non-ionized chemicals has been modeled by a regression equation integrating log P, the ionization potential of compounds, the percentage of organic carbon and the pH of the substrates. The incorporation of these two equations in CHEMFRANCE allowed to increase the domain of application of this regional level III fugacity model applied to France. Studies performed on lindane and atrazine underlined the high simulation potential of this model for these pesticides. Last, comparative analyses of structure-bioconcentration and structure-adsorption relationships using log P as molecular descriptor were performed in order to test the usefulness of the models we proposed

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
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

La presente etude s'inscrit dans le cadre de recherches sur la gestion des pollutions diffuses agricole a l'echelle du bassin versant. Les sols et l'assolement observes sur un bassin versant pilote de poitou-charentes sont utilises dans un modele mecaniste stochastique agriflux pour simuler l'ecoulement de l'eau et le transport des nitrates dans la zone racinaire et dans la frange superieure de la zone non saturee sur une periode de 15 ans. Les resultats de cette sont utilises sous forme de flux saisonniers pour reconstituer les concentrations en nitrates rencontrees dans la nappe. Une approche basee sur un modele de melange a montre que l'on pouvait reconstituer les concentrations de nitrates dans la nappe en fonction des conditions hydrodynamiques et des flux d'eau et de nitrates percolant depuis la surface. Dans une seconde approche, le couplage hydrodynamique entre les differentes zones du milieu (racinaire, non saturee et saturee) est realise sur des modeles d'ecoulement et de transport adaptes a l'echelle du bassin versant. Les flux d'infiltration calcules par agriflux dans la zone non saturee sont utilises comme flux de recharge dans le modele hydrodynamique modflow qui est utilise pour simuler l'hydrodynamique transitoire sur l'ensemble du bassin. Les periodes de contraintes de 90 jours sont determinees a l'aide d'une analyse correlatoire sur les donnees pluviometrique et piezometrique, et permettent de reconstituer un pseudo-regime transitoire par une succession d'etats permanents. Le modele mt3d est utilise pour la simulation du transport des nitrates dans la nappe avec le meme decoupage temporel que celui de modflow. L'hydrodynamique et le transport sont reconstitues sur le bassin sur une periode de 15 ans avec un pas de temps saisonnier. La dynamique des teneurs en nitrates dans une nappe a l'echelle d'un bassin versant et l'impact de differentes pratiques culturales peuvent ainsi etre simules dans une optique de gestion des pollutions diffuses agricoles.

La technique de renforcement des sols compressibles par inclusions rigides a été développée dans les années 70, mais l'utilisation de cette technique en France n'est courante que depuis une dizaine d'années. Dans le cadre du Projet National A.S.I.RI., ce travail de thèse a pour principal objectif d'étudier les mécanismes de report de charge à travers le matelas de répartition, dont la fonction est de transférer la charge provenant de l'ouvrage (remblai, dallage) vers les inclusions rigides, réduisant ainsi les tassements du sol compressible. On a développé et mis en œuvre pour ceci un modèle physique 1g axisymétrique instrumenté permettant de mieux comprendre ces mécanismes en réalisant, en particulier, un programme expérimental destiné à quantifier l'influence de paramètres représentatifs du problème : taux de recouvrement, caractéristiques rhéologiques et épaisseur du matelas ainsi que du sol compressible utilisé. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence l'influence significative des caractéristiques rhéologiques du matelas, de son épaisseur relative et du taux de recouvrement sur le coefficient d'efficacité obtenu ainsi que sur les tassements moyens générés dans le sol compressible. Les résultats expérimentaux obtenus sur le modèle physique sont ensuite confrontés avec ceux résultant de la mise en oeuvre de différentes méthodes de dimensionnement analytiques. Une comparaison est aussi réalisée avec les résultats des essais à l'échelle 1 sur site expérimental ainsi qu'avec les résultats des essais réalisés en centrifugeuse, dans le cadre du Projet National. On présente finalement les résultats d'une modélisation numérique des essais sur le modèle physique, réalisée à partir du logiciel Plaxis. Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux permettant ainsi de faire une validation conjointe du modèle physique et du modèle numérique.

Les processus de transport et d'atténuation des contaminants dans un sol saturé sont déterminés en fonction de plusieurs facteurs parmi lesquels la consolidation à grande déformation joue un rôle majeur. L'étude de la consolidation d’un sol saturé tient généralement compte des aspects mécaniques et hydrauliques du milieu. Le facteur qui induit une modification structurale importante d'un sol saturé recevant une charge externe est l'expulsion de l'eau dans les pores. L'objectif de cette recherche vise à intégrer les équations de transport des contaminants avec les équations générales de la consolidation à grande déformation des sols (Foriero et Ladanyi, 1995 et 1998). Il est important pour le spécialiste en sols et en environnement de connaître l’état des contraintes, la perméabilité, l’indice des vides, le degré de consolidation, mais aussi les concentrations de contaminants et leurs gradients en vue de faire des prévisions dans le cadre d’un projet affectant un sol contaminé ou à d’autres fins. Pour ce faire, un programme informatique basé sur la méthode des éléments finis a été développé pour résoudre l'équation différentielle résultant du couplage de la consolidation et de la contamination. Les variables utilisées dans le logiciel sont les propriétés du sol, le coefficient de dispersion et la concentration initiale du contaminant. Les résultats de recherche indiquent que le programme informatique peut être utilisé pour prédire les paramètres reliés à la consolidation à grande déformation du sol et à l’évolution de la concentration du contaminant.

L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche numérique bidimensionnelle, l'effet de l'interaction sol-végétation-atmosphère et de l'extraction par des racines d'arbres isolés sur le comportement thermo-hydro-mécanique des sols argileux sensibles au retrait-gonflement. Le cas de l'interaction sol-végétation-atmosphère a été étudié en se basant sur les données obtenues sur le site de Mormoiron instrumenté par le BRGM avec des sondes capacitives Humitub et des extensomètres. Afin d'exploiter les données de teneur en eau enregistrée, on a commencé par un travail expérimental d'étalonnage en laboratoire. L'étalonnage a été réalisé sur différents matériaux. L'influence de la variation de température et du type de sol sur la mesure de teneur en eau a été étudiée. Les résultats semblent montrer que les sondes capacitives comme Humitub ne sont pas adaptées à des sols argileux comme l'argile de Mormoiron. Les études bibliographiques ont aussi montré la dépendance importante des mesures effectuées par cette méthode capacitive vis-à-vis de la fréquence, surtout dans le cas des sols ayant une capacité d'échange cationique élevée. Un modèle bidimensionnel de l'interaction sol-végétation-atmosphère et un modèle bidimensionnel d'extraction d'eau par des racines ont été développés afin de décrire les effets climatiques et végétaux sur le comportement thermo-hydro-mécanique d'un milieu non saturé. Ces modèles ont été implantés dans le code de calcul aux éléments finis θ-STOCK (Gatmiri, 1997). La vérification du modèle de l'interaction sol-végétation atmosphère a été faite par le biais d'une comparaison des résultats de calcul avec les données in situ disponibles sur le site de Mormoiron et les données météorologiques de la station Carpentras. Les calculs ont été ensuite étendus à des périodes particulièrement sèches et particulièrement humides. La modélisation d'une période plus longue de 20 ans a été également effectuée. Le modèle d'extraction par des racines a été vérifié sur quelques études de cas rapportés par Biddle (1998), en utilisant les données météorologiques de la station de Londres et en considérant l'effet de l'interaction sol-végétation-atmosphère sur la surface du sol. L'ensemble des résultats obtenus montre la pertinence de l'approche numérique adoptée. Cette étude de modélisation a été finalement complétée en considérant une fondation superficielle d'une maison. Les résultats ont montré clairement le rôle de la présence d'un arbre, ainsi que l'importance de sa distance de la maison sur les tassements du sol.

Les déstabilisation de flancs sont un phénomène destructeur capable d'affecter un volcan quel que soit son contexte géodynamique. Dans cette thèse, le cas d'un épisode de déstabilisation de flanc est étudié pour le volcan sous-marin Kick'em Jenny. L'objectif primordial est de pouvoir appréhender le comportement dynamique de l'écoulement généré par la déstabilisation d'un flanc du proto-édifice. Pour ce faire, une étude du dépôt considéré comme étant issu de cet épisode de destruction est présentée afin d'évaluer le volume mobilisé. Cette déstabilisation de flanc est simulée à l'aide du modèle VolcFlow, basé sur une approche eulérienne de la résolution des équations de St-Venant moyennées sur l'épaisseur de l'écoulement. Deux modèles rhéologiques sont testés afin d'estimer lequel est plus à même de reproduire le comportement dynamique de l'écoulement et la mise en place du dépôt dans sa position finale. L'effet tsunamogène local (i. E. à la source) de cet épisode de déstabilisation de flanc est simulé l'aide de VolcFlow et de TOPICS (code de génération de caractéristiques de la perturbation de la surface libre à partir des spécificités de la déstabilisation). Enfin l'effet tsunamogène régional, lié à la propagation du tsunami dans le Bassin de Grenade est évalué à partir de simulations effectuées à l'aide de FUNWAVE (modèle propagation de tsunami) en considérant un modèle de propagation de type Boussinesq
Flank collapses are destructive phenomena affecting volcanoes no matter their geodynamical context. In this thesis, we focus on the case of a flank collapse episode that occured at Kick'em Jenny submarine volcano. The main goal of this thesis is to assess the dynamical behaviour of the flow generated by the flank collapse episode at the proto-edifice. To do so, we first estimate volume involved in the collapse. The collapse event is simulated using VolcFlow, a model based on depth-averaged approximation of the St-Venant equations. Two rheological models are tested so that we can evaluate which one is most appropriate to reproduce the dynamical behaviour of the flow and the deposit features. Tsunamigenic effect at the source (local effect) is investigated by simulation tests using both VolcFlow and TOPICS (code providing tsunami source parameters from collapse characteristics). At last the regional tsunamigenic effect due to wave propagation towards the neighbouring islands is assessed using FUNWAVE, a Boussinesq-based model of wave propagation

De nombreux enjeux socio-économiques et environnementaux sont associés aux transferts hydro-sédimentaires qui s’organisent au sein des hydrosystèmes, depuis les parcelles agricoles jusqu’aux cours d’eau (pertes en sol, diminution de la fertilité des sols, pollution diffuse, crues turbides, etc. ). Si les conditions d’initiation des transferts sont bien connues à l’échelle de la parcelle agricole, les dynamiques d’écoulements qui se produisent sur les versants restent mal connues, et ce particulièrement dans les petits hydrosystèmes du nord-ouest de la France, où la mosaïque paysagère et notamment la présence plus ou moins importante de réseaux linéaires (haies, routes, fossés, etc. ) contraint la dynamique purement topographique des écoulements. Afin de mesurer ces impacts, qui restent aujourd’hui peu aisés à estimer, deux approches complémentaires ont été mises en place dans le cadre de cette thèse. Tout d’abord, un travail de quantification des transferts hydro-sédimentaires a été réalisé au cours de différents épisodes pluvieux sur un petit bassin versant normand (17,6 km², BV de Lingèvres, Calvados). Il permet de mettre en évidence l'importance des flux sédimentaires qui peuvent transiter en période de ruissellement et la complexité des dynamiques spatio-Temporelles induite par la structure paysagère. En parallèle de cette approche "de terrain", un modèle sous Système Multi-Agents (SMA) a été conçu. En s'appuyant sur les capacités des SMA à faire émerger la dynamique globale d'un système à partir des interactions à un niveau local, il est possible de reconstruire le parcours des écoulements de surface et 'obtenir des indices d'analyses spatiales capables de mesurer les effets de la structure paysagère. Le modèle, nécessitant que peu de données en entrée, a été appliqué sur différents bassins aux caractéristiques paysagères distincts et offre des résultats intéressants pour mieux appréhender les conséquences des paysages sur les écoulements de surface
Many socio-economic and environmental issues associated with hydro-sedimentary transfers are organized within hydrosystems from agricultural fields up to rivers streams (soil loss, soil infertility, diffuse pollution, turbid flood. . . ). If transfers initiation conditions are well known at the agricultural field levels, the flow dynamic that occur on the slope remains poorly understood. It is especially true in small hydrosystems in north-western France, where the abundance of linear networks (hedges, roads, ditches, etc. ) that could interfere with the topographic flow dynamics are present in the landscape. To measure these impacts, which remain difficult to estimate, two complementary approaches have been developed within this thesis. First, a quantification of the hydro-sedimentary transfers was achieved during different rainfall events on a small Normandy catchment (17. 6 km², BV Lingèvres, Calvados). This work allowed us to highlight the importance of sedimentary flows that can pass though during runoff episode and the complexity of spatio-temporal dynamics induced by the landscape structure. In parallel to this "field" approach, a computer model in multi-agent systems (SMA) was designed. By relying on SMA capabilities to bring out the overall dynamics of a system based on interactions at a local level, it is possible to reconstruct the path of runoff and get clues on spatial analysis in order to measure the effect of the landscape structure. The SMA model requires little input data and was applied to various catchment with different landscape features. This model produces interesting results that allow us to better understand the consequences of the landscapes on runoff

L'étude des mécanismes de transfert et évaluation des capacités d'oxygénation et de traitement des dispositifs de traitement par cultures fixées sur matériaux granulaires fins alimentés en discontinu. – Développement d'un modèle de biodégradation" est l'objet du travail mené visant une meilleure compréhension des mécanismes majeurs s'établissant au sein des lits d'infiltration percolation et permettant au moyen de certains choix opérationnels, une pérennisation de la filière. Tout d'abord, dans une première partie, nous exposons l'état d'avancement de la recherche dans ce domaine. Après des généralités sur les filières de traitement des eaux usées, il est fait cas de l'infiltration percolation sur sable; de ses spécificités, des contraintes qu'elle impose et des attentes au niveau de la recherche. La problématique du choix de type de sable qui constitue le matériau de garnissage ou support de la biomasse en relation avec les capacités d'oxygénation du milieu poreux et les risques de colmatage demeure un souci permanent. L'intérêt de la seconde partie essentiellement expérimentale porte sur la caractérisation physique et hydrodynamique des sables roulés et concassés constituant les massifs filtrants en milieux non colonisés. L'hydrodynamique des massifs filtrants a permis une analyse comparative des distributions de temps de séjour du fluide percolateur en milieu vierge et en régime continu puis discontinu. Indépendamment des supports étudiés, les temps de résidence du traceur sont d'autant plus élevés que l'alimentation se fait à fréquences espacées et à volume par bâchée considérable. En revanche, pour chacune des fréquences d'alimentation testées, la récupération du traceur s'est effectuée plus rapidement au sein de la colonne constitué des sables alluvionnaires. Le second volet de l'étude hydrodynamique est effectué en milieu colonisé. L'efficacité du traitement biologique du carbone est supérieure pour un sable d'origine alluvionnaire comparativement à un sable concassé ;la tendance s'inversant significativement lorsqu'il s'agit de l'abattement de l'azote. Cet efficacité est directement corrélée à l'oxygénation du massif filtrant autrement dit au renouvellement de la phase gazeuse du milieu poreux. Exploitant une technologie de fluorescence nous permettant de détecter aussi bien l'oxygène gazeux que dissous, nous parvenons à déterminer les différents ordres de grandeur des phénomènes de convection et de diffusion ainsi que leur importance relative dans la ré-oxygénation d'un massif filtrant. Le développement d'un modèle numérique simulant l'infiltration et le traitement des eaux usées à travers un milieu poreux colonisé constitue l'épilogue de ce travail. Deux approches de résolution sont utilisées : une approche globale qui résout simultanément à l'aide d'un unique schéma les parties transport et chimie de chaque équation et une approche par séparation d'opérateurs qui résout séparément et successivement les parties convection, dispersion et cinétique
Aim of this work is to enhance understanding of the main phenomena occurring during infiltration of wastewater within vertical flow sand filter. We also introduce some operating possibilities which may improve efficiency and keep seepage beds in good working order. In the first part we document state of art in this research topic. Following some general remarks about different wastewater treatment techniques, more precise description of seepage beds is made with particular interest on its constraints and needs of further research. A central issue is the choice of porous media. It should be adapted to allow good oxygen feeding for bacteria growing on it and avoid biological clogging. Second part, mainly experimental, is focused on physical and hydraulic characterization of un-colonized crushed and stream sand. We carried out a residence time distribution (RTD) comparison of these two sands under steady and unsteady flow. Apart from characteristics of porous media and with a constant daily loading rate, decreased frequencies involve longer residence times. On the other hand, output recovery of the mass of injected tracer always occurs faster with stream sand. Continuation of hydrodynamic study is made with colonised porous media. Efficiency of biological removing of carbonaceous pollution is higher within stream sand. Opposite trend is observed with nitrogenous pollution. Removing of both nitrogenous and carbonaceous pollutions is linked to oxygenation. In other words it is linked to renewal of gaseous phase in porous medium. We highlight convection and diffusion of oxygen in porous media by using a fluorescence technology, which allows us to detect both gaseous and dissolved oxygen. We compare participation of convection and diffusion phenomena to renewal of oxygen. Achievement of this work consists on the development of a numerical code which simulates flow and pollution degradation through a colonized porous medium. Two different numerical methods have been used. In the first model, also called global approach, chemical and transport parts of each equation are solved by a single numerical scheme. A second model introduces a splitting operator method which solves separately and successively convective, dispersive and kinetic parts of each equation

Face au séisme majeur qui la menace, Beyrouth offre un tissu urbain hautement vulnérable. Ce risque devrait conduire les assureurs à évaluer au plus juste la vulnérabilité du bâti. Le modèle de simulation est un outil assurantiel conçu pour estimer l’endommagement potentiel, indicateur des vulnérabilités analytiques et synthétiques de la ville. L’originalité de notre modèle, adapté au contexte local du risque, est d’intégrer la réponse spectrale à l’évaluation de l’intensité. Cette conception exigeait le recours à un logiciel de propagation des ondes et la démarche induite supposait connues des données géotechniques et constructives, qui furent collectées sur le terrain. L’application des résultats à l’assurance révèle la quasi-inassurabilité de certaines bâtisses hautement vulnérables. Les cartes de risque d’endommagement obtenues sont utiles pour cibler la réhabilitation du bâti, préalable à la mise en cohérence de la gestion assurantielle
Beirut’s highly vulnerable urban fabric is threatened by a big earthquake. Faced with such a situation, insurers need to assess precisely the vulnerability of insured properties. A loss estimation model evaluates insured properties damage, which is an indicator of analytical and synthetical vulnerabilities of the city. The most original feature of our model that is adapted to the specifics of the Beirut’s context is to use the spectral acceleration converted into intensity. For that purpose, a computer program for earthquake response analysis of horizontally layered sites is utilized. One preliminary step to conduct this analysis was the gathering of geotechnical and building data. Results of our loss model show that some highly vulnerable buildings are almost uninsurable. Damage risk maps are intended to be a useful resource to fix the building that need seismic rehabilitation in priority as reducing vulnerability is required to rationalize the insurance risk management

La poussière minérale atmosphérique résultant de l’érosion éolienne des sols affecte le système terrestre. La distribution en taille (PSD) de cette poussière joue un rôle clé dans le bilan radiatif et la chimie atmosphérique, la formation des nuages et la productivité des écosystèmes terrestres et marins. Néanmoins les modèles climatiques peinent à reproduire précisément la PSD de la poussière émise. Ceci vient de la représentation imparfaite des mécanismes d’émission de poussières et des vitesses de vent de surface associées. C’est particulièrement vrai en présence d’éléments de rugosité de surface comme la végétation en régions semi-arides. Cette thèse vise à améliorer la compréhension de l’émission de poussière en environnements semi-arides, caractérisé par des surfaces hétérogènes liées à la végétation saisonnière éparse. A cette fin, une combinaison d’expériences numériques et de terrain a été employée, en partant d’un sol nu érodable à des surfaces couvertes de végétation éparse.Une revue des schémas existants a montré des ambiguïtés dans la paramétrisation des processus influençant l’émission de poussières. Une analyse de sensibilité utilisant un modèle 1D de dispersion de poussière a démontré l’importance (i) de la PSD de la poussière à la surface et de la paramétrisation de la cohésion interparticules qui affectent la PSD de la poussière émise, et (ii) des processus de dépôt qui influencent la PSD du flux net de poussière dans la couche de surface atmosphérique. A partir de cette analyse, un nouveau schéma d’émission a été incorporé à un modèle 3D d’érosion, couplé à un modèle turbulent Large Eddy Simulation (LES), et évalué d’abord sur une surface nue sur la base de l’expérimentation WIND-O-V 2017 en Tunisie. Le modèle a ainsi été capable de reproduire la dissimilarité entre les transports turbulents de poussière et de quantité de mouvement dans la couche de surface, observée durant l’expérience. Cela signifie que poussière et quantité de mouvement ne sont pas toujours transportées par les mêmes tourbillons. Le modèle a démontré que la cause principale de cette dissimilarité est l’intermittence de l’émission de poussières, qui varie avec l’intensité du vent et le fetch.L’impact de la végétation éparse sur le flux net de poussière émis a ensuite été étudié sur la base de l’expérimentation WIND-O-V 2018, conduite sur le même site que celle de 2017. Les mesures ont été utilisées pour évaluer le modèle 3D d’érosion incluant les caractéristiques de la végétation. La comparaison entre les expérimentations 2017 et 2018 a confirmé que la végétation éparse réduit l’émission en augmentant la vitesse de frottement seuil de l’érosion, qui dépend des caractéristiques de la végétation et de la direction du vent. Au cours de l’expérimentation 2018, nous avons observé que la PSD du flux net de poussière émis variait, contrairement à 2017, avec un appauvrissement progressif en grosses particules (1.50 µm). Il s’est avéré que cet appauvrissement n’était pas lié à la présence de végétation, mais à l'épuisement du sol en grosses particules en raison de périodes d’émission plus longues sans modification de la surface, comparé à 2017. Cette absence d’influence de la végétation a été validée par la similarité entre la PSD du flux de poussière au début de l’expérimentation 2018, quand la végétation était à sa hauteur maximum, et celle de 2017 sans végétation. Et elle a été confirmée par nos simulations qui montrent (i) une re-déposition négligeable des grosses particules sur la végétation durant les émissions, et (ii) un effet négligeable de la turbulence induite par la végétation sur la PSD du flux net de poussière émis.Notre modèle 3D d’érosion apparaît comme un outil prometteur pour caractériser les émissions de poussière sur des surfaces hétérogènes représentatives des régions semi-arides et pour établir des schémas d’émission de poussières pour les modèles climatiques en fonction des propriétés de rugosité de la surface
Atmospheric mineral dust resulting from aeolian soil erosion affects the Earth system. Their size-distribution (PSD) plays a key role on atmospheric radiation balance, cloud formation, atmospheric chemistry, and the productivity of terrestrial and marine ecosystems. However, climate models still fail to reproduce accurately the suspended dust PSD. This is explained by the poor representation of the dust emission mechanisms and the associated surface wind speed in these large-scale models. This is particularly true in the presence of surface roughnesses such as vegetation in semiarid regions. This thesis aims at improving the understanding of dust emission in semi-arid environments, characterized by heterogeneous surfaces with sparse seasonal vegetation. To this end, a combination of numerical and field experiments was employed, with investigations progressing from a bare erodible soil to surfaces with sparse vegetation.A review of the existing dust emission schemes showed ambiguities in the parametrization of the processes influencing the emitted dust. A sensitivity analysis, using a 1D dust dispersal model, demonstrated (i) the importance of surface dust PSD and inter-particle cohesive bond parametrization on the emitted dust PSD, and (ii) the importance of the deposition process on the net dust flux PSD. Based on this analysis, a new emission scheme was incorporated into a 3D erosion model, coupled with a Large Eddy Simulation (LES) airflow model, and evaluated first on a bare surface against the WIND-O-V’s 2017 field experiment in Tunisia. The model was able to reproduce the near-surface turbulent transport dissimilarity between dust and momentum observed during the experiment. This means that momentum and dust are not always transported by the same turbulent eddies. The model demonstrated that the main cause of this dissimilarity is the dust emission intermittency, which varies as a function of wind intensity and fetch.The role of sparse vegetation on the net emitted dust flux was then explored using the WIND-O-V’s 2018 experiment, conducted at the same site as the 2017 experiment. The resulting field measurements were used to evaluate the 3D erosion model, including vegetation characteristics. A comparison between the 2017 and 2018 experiments confirmed that sparse vegetation reduces dust emission by increasing the erosion threshold friction velocity, which depends on vegetation characteristics and wind direction relative to the vegetation arrangement. During the 2018 experiment, the net emitted dust flux PSD varied continuously, unlike the 2017 experiment, with a progressive impoverishment in coarse particles (1.50 μm). This impoverishment was found independent of the vegetation, and resulted from the depletion of coarse particles at the surface due to longer emission periods in 2018 without surface tillage or precipitation. This non-influence of vegetation on the dust flux PSD was validated by the similarity of the dust flux PSD at the beginning of the 2018 experiment, when the vegetation was at its maximum height, with the one of the 2017 experiment without vegetation. It was further confirmed by the simulations that demonstrated (i) negligible re-deposition of coarse particles on to vegetation during emission events, and (ii) negligible effect of the turbulence induced by the vegetation on the PSD of the net emitted dust flux.Our 3D erosion model appears as a promising tool for characterizing dust emissions over heterogeneous surfaces typical of semi-arid regions and for deriving dust emission schemes for climate models as a function of surface roughness properties

Les déchets radioactifs sont stockés dans des milieux poreux multi-phasiques. Un nouveau modèle d'endommagement, formulé en variable indépendantes (contrainte nette, succion et contrainte thermique) est proposé pour ces géomatériaux. La variable d'endommagement est un tenseur d'ordre deux, dont les valeurs principales croissent avec la tension. Les relations contrainte/déformation sont dérivées de l'énergie libre, dont l'expression est postulée. Les rigidités dégradées sont calculées en appliquant le principe de l'Energie Elastique Equivalente pour chaque variable d'état. La fissuration est prise en compte dans les transferts d'humidité, au moyen de longueurs internes. Le modèle d'endommagement a été intégré dans le code d'Eléments Finis Θ-Stock. Le modèle mécanique a été validé en comparant des résultats numériques à des résultats expérimentaux et théoriques. Les tendances données par le modèle dans les études paramétriques sur des configurations réalistes complexes sont bonnes.

Le réseau de digues français s'étend sur 9000 km et protège moult enjeux humains et socio-économiques. Les surverses se produisent lorsque le niveau d'eau dépasse la crête de la digue et sont responsables de nombreuses ruptures d'ouvrages. La prévision des caractéristiques des brèches (vitesse de développement, taille finale et hydrogramme) reste délicate, d'autant que les effets de la dynamique de la rivière n'ont jamais été étudiés.Cette étude expérimentale est basée sur cinq essais réalisés en canal sur des modèles physiques de digue cohésifs. Les phases classiques du développement de brèches ainsi que le mécanisme de headcutting ont été observés. L'érosion s'est manifestée à trois échelles spatiales (grain, mm et cm) et la durée des essais a varié entre 1h30 et 10 jours selon les sols. Nous avons constaté que le développement d'une brèche et de la fosse d'érosion devient asymétrique en présence d'une vitesse longitudinale amont. Des essais géotechniques originaux menés à l'IRPHE ont permis de relever des différences importantes sur le mode et la cinétique d'érosion entre les sols testés, toujours en bon accord avec les observations menées sur les modèles de digues.Des essais en brèche de largeur fixe nous ont mis à jour l'émergence d'une hydraulique particulière dans la brèche lorsque le vitesse longitudinale incidente augmente (ressauts, recirculations) qui a un impact sur l'hydrogramme de brèche.Enfin, des simulations menées sous RUBAR20 ont permis de retrouver de nombreuses observations expérimentales tant sur le fonctionnement hydraulique des brèches que sur la sensibilité de la cinétique d'érosion à la contrainte critique d'érosion et à l'érodibilité
France's embankment network stretches over 9000~km, protecting people and infrastructures. Overtopping occurs when water level rises above the embankment's crest, often leading to breach development. Reliable forecasting of breaches' characteristics (widening rate, final geometry and breach hydrograph) remains a challenging task. Furthermore, the effects of river dynamics have never been studied.This work is based on a campain of five overtopping tests performed on scaled homogeneous cohesive model embankments, carried out in an eight meters recirculated flume. The classical steps of dike breaching were observed, as wall as headcutting. Depending on soil type and water content, erosion occured at three distinct scales (sand grain, mm, cm) while the experiments' durations ranged from 1h30 to 250~h. Evidence was brought that river dynamics can result in a completely asymmetric development of both the breach and scour pit. Simple geotechnical tests showed notable differences on erosion modes and rates among tested soils, consistently with the flume experiments.The study of fixed-width breaches showed that distinguish hydraulic phenomena such as hydraulic jumps and recirculations arise when lateral flow speed increases on the river side, which comes with an important drop in breach flow.In addition, bidimensional numerical simulations offered a practical and satisfying way of modelling breach hydraulics. In particular, the strong surface deformation and important velocity gradients in the vicinity of the breach were well-rendered. Elements relative to breach formation sensitivity to erosion parameters (threshold stress and erodibility coefficient) are also provided

La modélisation des rejets de dragage par clapage de type 100% sable ou sablo vaseux avec ou sans courant ambiant est effectuée selon deux approches différentes. L'approche bi phasique permet de décrire les caractéristiques propres de chaque phase du mélange, en résolvant les équations de l'hydrodynamique sédimentaire pour le fluide et les sédiments. Cette approche prend en considération les interactions fluide/sédiments et décrit rigoureusement l'évolution du rejet dans la colonne d'eau. L'approche bi espèce considère le mélange comme une entité globale et permet de déterminer non plus l'évolution moyenne de chaque phase mais l'évolution moyenne du mélange en tant que tel. Le modèle bi espèce est un dérivé moyenné du modèle bi phasique ; chaque partie du mélange étant exprimée par rapport à leur masse relative, les caractéristiques de l'écoulement sont étudiées selon une moyenne massique. Cette approche permet d'observer l'évolution globale du rejet au cours du clapage
Ln this report, we present the modelisation of dredged material dumped into sea based on two different approaches. The two-phase flow approach describes the characteristic of each phase of the mixture, with the resolution of sedimentary hydrodynamics equations for the fluid phase (the water) and for the solid phase (the sediments), in order to follow the evolution of the dumping. This point of view takes in account the fluid/sediment's interactions and describes rigorously the dumping motion in the column ofwater. The bispecies approach considers the mixture globally and describes the motion for the global mixture. The bispecies model is an average by-product of the two-phase flow model. And the motion is related to a "mass average". This approach predicts an averaged evolution of the dumping into sea. We study here the mixtures of 100% sand or sand/ clay with or withoutcurrent

Le travail de thèse concerne la protection des ressources en eau souterraines contre les pollutions de types accidentel et agricole. Il comporte trois parties: La première partie présente une analyse bibliographique des mécanismes de transfert de polluants dans la zone non saturée. Elle expose les techniques de résolution numérique des équations régissant ces transferts (approche mécaniste). Des approches de type "traitement de données" sont également présentées. L'accent est mis sur les réseaux de neurones, qui sont de plus en plus utilisés dans le domaine de l'environnement. La deuxième partie traite de la migration des polluants non-miscibles (de type hydrocarbures ou solvants chlorés) dans la zone non saturée provenant d'une source de pollution accidentelle liée à un accident routier. Après une analyse bibliographique sur l'accident de référence, sur les polluants les plus transportés sur les routes et sur les logiciels disponibles, on présente la zone d'étude et les essais effectués au laboratoire pour déterminer le coefficient de perméabilité à saturation et les paramètres de Van Genuchten de la couche de couverture. On donne ensuite les résultats de l'étude paramétrique sur un exemple de référence à l'aide du code NAPL-Simulator (Guarnaccia et al. , 1997)
Cette étude permet de dégager les paramètres prépondérants. Ces paramètres sont ensuite considérés pour la construction d'une base de données qui sert à la calibration d'un modèle basé sur les "réseaux de neurones ". Ce modèle est utilisé dans le cas de l'étude de l'impact de l'aménagement de la RN2 entre Avesnes sur Helpes et Maubeuge sur les champs captants du synclinal de Bachant. La troisième partie traite de la migration d'une pollution diffuse d'origine agricole (nitrates) dans la zone non saturée. On présente la zone d'étude et les résultats des suivis in situ, en ce qui concerne d'une part les apports d'engrais en surface (historiques culturaux) et d'autre part les mesures de profils en nitrates effectués pour certains sondages. On présente ensuite la construction de la base de données. Les variables d'entrée retenues sont les historiques culturaux en surface (apports d'azote), l'épaisseur de la couche de couverture limoneuse en dessous de la zone racinaire, la profondeur de la nappe et le temps. Finalement, on présente le modèle de réseaux de neurones artificiels et son application à la construction de cartes de contamination en nitrates de la partie supérieure de la nappe

Le phénomène de suffusion correspond à la migration des particules fines érodées dans un milieu poreux sous l'action d’un flux hydraulique. Ce mécanisme pourrait être la cause principale des ruptures des remblais et des barrages en terre. De nombreuses études expérimentales ont été menées pour comprendre la suffusion et mettre en évidence les phénomènes couplés associés. Au niveau numérique, on trouve beaucoup de modèles analytiques et numériques mais rares sont ceux qui prennent en compte l’arrachement des particules, leur transport et leur dépôt éventuel (par un processus de colmatage ou pour des vitesses d’écoulement suffisamment faibles).En se basant sur une loi d’écoulement de type Darcy, sur la loi d’érosion de Papamichos et al (2001) modifiée par Bendahmane (2005)et sur une loi d’évolution de la viscosité de fluide (relation d’Einstein), nous développons une nouvelle approche hydromécanique de la suffusion. La résolution numérique du problème est réalisée par la méthode des éléments finis. Deux aspects sont présentés: le cadre général du modèle proposé (réalisé en 2D) avec une étude paramétrique et la validation du modèle avec une modélisation 3D réalisée avec le modèle géométrique de l’essai (Cross Erosion Test) (CET), ce qui permet de décrire à la fois les phénomènes d’érosion, de transport et de dépôt des particules érodées dans un milieu poreux saturé.Pour cela, nous avons choisi un outil de modélisation approprié à la représentation de phénomènes couplés tels que ceux mobilisés par l’érosion interne. Le logiciel Comsol-Multiphysics 3.4b, basé sur la méthode des éléments finis, a été retenu car il permet d’implanter relativement facilement de nouvelles équations constitutives des phénomènes. Dans un deuxième temps, le modèle a été validé sur des expériences de référence reflétant les phénomènes étudiés. Nous avons utilisé les résultats expérimentaux de Nguyen (2013) qui a mis au point un nouveau dispositif expérimental au laboratoire 3SR appelé " l'Essai d’Érosion Transverse " ou Cross Érosion Test. Deux types de sol ont été considérés : un sol gravelo-sableux(noté S3) et un sol limoneux de l’Isère (noté S4 et S4-a).Afin de discuter des aspects transitoire et dynamique du phénomène de suffusion, les vitesses d’écoulement, les gradients hydrauliques, la distribution de la porosité et de la perméabilité, la distribution de la concentration des particules érodées en suspension, et enfin la masse érodée sortantes ont mesurés au cours du temps et comparés aux résultats du modèle physique
The phenomenon of Suffusion corresponds to the migration of fine eroded particles in a porous medium under the action of an internal water flow. This mechanism could be the main origin of damage in embankments and earth dams. Many experimental studies have been done to analyse the suffusion but actually understanding this phenomenon appears as a major scientific challenge. On the other hand, numerically, only a few studies were found which associate the mechanisms of detachment, transport and deposition of eroded particles.Based on the Darcy’s law model, the erosion model of Papamichos et al (2001) modified by Bendahmane (2005) and the fluid viscosity evolution law (Einstein relation), we developed a new hydro-mechanical approach of suffusion. The numerical solution of the problem is carried out by using a finite element method. Two aspects are presented: first, the general framework of the proposed model (implemented in 2D) with a parametric study and then the validation of the numerical model realized with a 3D study of the geometric model of the experimental study of Cross Erosion Test (CET). This model describes the three phenomena of suffusion: erosion, transport and deposition of eroded particles in a saturated soil.Furthermore, the numerical modeling of coupled phenomena of internal erosion is performed using the commercial software "Comsol Multiphysics-3.4b". However, to validate the model, experimental results on two types of soil: sandy gravel soil (S3) and the silt of Isère (S4 and S4-a) are used. These results are found in the PhD thesis of Nguyen(2013) who has developed a new apparatus called Cross Erosion Test (CET).Moreover, to discuss the transient and dynamic aspects of the phenomenon, the evaluation of the mass conservation with different figures of flow velocity, hydraulic gradient, hydraulic head, porosity and permeability distribution, concentration distribution, and of outgoing eroded particles, are measured over time and compared with experimental results

Une des méthodes les plus populaires et largement utilisée pour l’amélioration des sols compressibles est la technique d'inclusions rigides verticales qui constitue une alternative intéressante aux techniques plus traditionnelles telles que le pré-chargement, la mise en place de drains verticaux, le remplacement du sol en place, etc.Le Projet National ASIRI (Amélioration du Sol par Inclusions Rigides) a permis d’apporter des réponses sur le comportement de cette technique de renforcement et d’établir des recommandations de dimensionnement et de réalisation. Celui-ci comprend un volet expérimental (expérimentations en vraie grandeur, modèles physiques réduits à 1g, études en chambre d’étalonnage) et un volet numérique. Cependant, les recommandations publiées par ASIRI sont limitées aux cas de chargement monotone. Pourtant, différents cas de structures sous chargement cyclique sont couramment rencontrés dans la pratique: chargement des vagues sur les structures offshore, force du vent, charge sismique, la charge de trafic, remplissage et vidange de réservoirs, chargement et déchargement des zones de stockage… Cela nécessite alors de comprendre le comportement sous chargement cyclique et/ou dynamique de ces ouvrages.Ce travail de thèse constitue une contribution à la compréhension du comportement de ce type d’ouvrage, et s’intéresse plus particulièrement à la modélisation des mécanismes qui se développent dans le matelas de transfert de charge lors d’un chargement cyclique vertical quasi-statique. Il se fait suivant deux approches complémentaires : Expérimentale : par des essais sur un nouveau modèle physique réduit tridimensionnel à 1g et à l’échelle 1/10ème, Numérique : par la modélisation numérique tridimensionnelle en milieu continu utilisant le logiciel FLAC3D.Dans un premier temps, le travail expérimental réalisé nous a permis d’étudier le comportement de cette technique de renforcement sous chargement monotone et cyclique mettant en œuvre la méthode de corrélations d’images. La modélisation physique réalisée nous a permis d’étudier l’influence de l’épaisseur de la plateforme de transfert de charge granulaire et des conditions aux limites (cas remblai/cas dallage).Dans un deuxième temps, les résultats expérimentaux nous ont servi comme une base de données pour la validation d’un modèle numérique en milieu continu. La première étape de la modélisation numérique consiste à valider un modèle numérique à la même échelle réduite du modèle physique. La validation de l’approche de modélisation numérique à échelle réduite nous a permis, dans une deuxième étape, de réaliser une étude paramétrique afin de déterminer l’influence des différents paramètres sur le comportement du système
One of the most popular and widely used methods for soft soil improvement is the reinforcement using vertical rigid inclusions. It constitutes an interesting alternative to the other traditional techniques such as preloading, vertical drains, replacing soil etc...The national French project ASIRI (Amélioration du Sol par Inclusions Rigides) allowed to provide answers about the behavior of this technique and to establish recommendations for design and construction. It included an experimental part (full-scale, 1g physical model experiments and calibration chamber studies) and a numerical part. However, the recommendations established by ASIRI are limited to the case of monotonic loading. Yet, various cases of structures under cyclic loading are commonly encountered in practice: waves loading on offshore structures, wind strength, seismic load, traffic load, filling and emptying of tanks, loading and unloading of storage areas... This then requires the understanding of the behavior of this technique under cyclic and/or dynamic loading.The work done in this thesis constitutes a contribution to understanding the behavior of this type of structures, and is particularly interested in modeling the mechanisms that develop in the load transfer mattress under a quasi-static vertical cyclic loading . Two complementary approaches have been followed: Experimental: by performing experimental tests using a new 1g tridimensional physical model with a scale factor of 1/10, Numerical: by performing numerical tridimensional simulations in a continuous media using the software FLAC3D.At first, the experimental work has allowed us to study the behavior of this reinforcement technique under monotonic and cyclic loading implementing the digital image correlation method. A parametric study performed with the physical modeling allowed us to study the influence of the granular load transfer platform (LTP) and the boundary conditions (presence of a rigid slab at the surface of the LTP).Secondly, the experimental results have served as a database for the validation of a numerical model in continuous medium. The first step of the numerical modeling is to validate a numerical model at the same reduced scale of the physical model. The validation of the numerical modeling approach at the reduced scale allowed us in a second step to perform a parametric study in order to determine the influence of different parameters on the behavior of the system

Le but principal de cette thèse était de réaliser une simulation du climat du XXIème siècle, en tenant compte non seulement des émissions de gaz à effet de serre et d'aérosols produites par l'activité humaine, mais aussi des changements de végétation résultant du développement démographique et économique et des rétroactions climatiques. Pour réaliser cette simulation, il a été décidé d'utiliser le modèle d'impact intégré IMAGE2. 2 (développé au RIVM, en Hollande) qui simule l'évolution de la concentration des gaz à effet de serre et de la végétation, et de le coupler au modèle climatique de circulation générale ARPEGE/OPA, disponible au CNRM. Avant de réaliser la simulation couplée proprement dite, des expériences de sensibilité de chacun des deux modèles au forçage produit par l'autre ont été réalisées. Finalement, la simulation couplée a montré qu'à l'échelle du siècle les interactions entre le climat et la végétation sont relativement peu importantes
The main objective of this work has been to run a climate simulation of the 21st century that includes not only greenhouse gases and aerosols emitted by human activity but also land-use and land-cover changes. To achieve this goal, the integrated impact model IMAGE2. 2 (developed at RIVM, The Netherlands) was used, which simulates the evolution of greenhouse gases concentrations as well as land-cover changes. This model has been coupled to the general circulation model ARPEGE/OPA provided by the CNRM. Before coupling the models, sensitivity experiments with each model have been performed to test their respective sensitivity to the forcing of the other. Ultimately, a simulation with the two models coupled together has shown that interactions between climate and vegetation are not of primary importance for century scale studies

Les travaux de recherche menés dans le cadre de cette thèse comportent une analyse approfondie de différentes interactions du système sol-micropieux-structure sous chargements sismiques. On s'intéresse en particulier à l'influence de la non-linéarité de sol et au glissement à l'interface sol-micropieu sur la réponse sismique du système. L'étude est réalisée en utilisant une modélisation tridimensionnelle par différences finies intégrant en un seul calcul les différentes composantes du système. Les effets des principaux paramètres sont analysés, comme la rigidité de sol et sa variation avec la profondeur, la résistance de l'interface sol- micropieux, le nombre de micropieux et leur espacement, la distribution de la charge latérale entre les micropieux du groupe, les propriétés de la superstructure, le contenu fréquentiel du chargement sismique et son amplitude. La performance de micropieux inclinés, encastrés ou articulés a été largement examinée pour des chargements harmoniques et des chargements sismiques pour bien juger l'utilité de ce type de configurations en zone sismique. Le mémoire est présenté en quatre chapitres. Le premier chapitre est dédié à la présentation de la technique des micropieux et aux travaux de recherche consacrés à l'interaction sol-pieux-structure. Le second présente une analyse de l'interaction sol-micropieux-structure sous chargements sismiques dans le domaine élastique du problème. Le troisième chapitre traite l'influence des non-linéarités de sol et de l'interface sol-micropieu sur la réponse sismique du système. Le dernier chapitre analyse la performance de micropieux verticaux et inclinés utilisés comme un système des fondations neuves sous une pile de pont.

Un contacteur est un dispositif électromécanique destiné à établir ou couper un courantélectrique dans un circuit par la fermeture ou l’ouverture de contacts. Lors de chaquemanœuvre, un arc électrique est créé entre les «pastilles» des contacts, conduisant parl’énorme densité de puissance mise en jeu à atteindre et dépasser localement la températurede fusion du matériau. De ce fait, l’action répétée des arcs durant la vie de l’appareil (jusqu’àplusieurs centaines de milliers de cycles ouverture/fermeture) mène progressivement à la«ruine» des pastilles des contacts et au dysfonctionnement du contacteur. Le travail de thèsevise à proposer des outils de modélisation de l’endommagement des pastilles de contact sousl’effet des arcs, dans l’objectif à plus long terme de prédire la durée de vie du contacteurselon ses conditions d’utilisation. Le matériau considéré est un pseudo-alliage en argent etoxyde d’étain. Dans un premier temps, plusieurs campagnes expérimentales ont été menéespour réunir toutes les données d’entrée indispensables aux modélisations : déterminationdes propriétés thermomécaniques du matériau, caractérisation des endommagements – ensurface et en profondeur – produits par un arc unique et par une accumulation d’arcs,estimation de la densité de puissance apportée par un arc au matériau de contact. Denombreuses techniques ont ainsi été mises en œuvre : essais de traction monotone et dechargement cyclique, indentation (microdureté), profilométrie 3D, microscopies optiqueet électronique à balayage, analyses EDS et EBSD, imagerie par caméras thermique etultrarapide. Puis deux types de modèles ont été successivement développés. Le premierutilise le code de calcul par éléments finis Zset. Développé en géométrie axisymétrique, ilvise à décrire au sein du matériau l’évolution des températures, contraintes et déformationsrésultant d’un arc (supposé fixe), puis l’amorçage de fissures au terme de quelques centainesd’impacts au même point. Une variante 3D a ensuite été abordée pour approcher le casd’arcs mobiles. Le second modèle, de nature phénoménologique, repose sur des descriptionssimplifiées de la topographie et de la teneur en argent au voisinage de la surface, ainsique sur des règles d’occurrence et de distribution spatiale, issues autant que possible desobservations expérimentales. Il est destiné à simuler dans un temps de calcul raisonnableles dommages résultant du cumul d’un très grand nombre d’arcs sur toute la surface despastilles
A contactor is an electromechanical device designed to establish or disconnect anelectrical current in a circuit by closing or opening contacts. During each operation, anelectric arc is created, due to the enormous power density involved to reach and locallyexceed the melting temperature of the material. As a result, the repeated action of thearcs during the life of the device (up to several hundred thousand closing/opening cycles)gradually leads to the ruin of the contact pads and the malfunction of the contactor. Thethesis work aims to propose tools for modelling the damage of contact pads under the effectof repeated impacts, with the longer-term objective of predicting the life of the contactoraccording to its operating conditions. The material considered is a pseudo-alloy made ofsilver and tin oxide SnO 2 . As a first step, several experimental campaigns were carried outto collect all the input data required for modelling : determination of the thermomechanicalproperties of the material, characterization of damage – surface and bulk – produced by asingle arc and by an accumulation of arcs, estimation of the power density provided by anarc to the contact material. Many experimental techniques have been used : monotonoustensile tests and cyclic loading, indentation (microhardness), 3D profilometry, opticalmicroscopy and scanning electron microscopy, EDS and EBSD analysis, thermal imagingcamera, high speed camera. Then two types of models were successively developed. Thefirst one uses the Zset finite element code. Developped in an axisymmetric geometry, itaims to describe within the material the evolution of temperatures, stresses and strainsresulting from an arc (assumed fixed), then the initiation of cracks after a few hundredof impacts at the same point. A 3D variant was then discussed to approach the case ofmoving arcs. The second model, of a phenomenological nature, is based on simplifieddescriptions of topography and tensile strength in silver in the vicinity of the surface, aswell as on rules of occurrence and spatial distribution, taken as much as possible fromexperimental observations. It is intended to simulate in a manageable calculation time thedamage resulting from the accumulation of a very large number of arcs over the entiresurface of the pellets

Le Liban se caractérise par ses hautes montagnes fortement urbanisées. Traversé par plusieurs failles principales et secondaires, ce pays présente de forts risques sismiques. Il a déjà subi plusieurs tremblements de terre destructeurs. Dans le futur, on craint un tremblement de terre majeur. Face à une telle situation, il est nécessaire de mener des travaux de recherche pour analyser ce risque. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre. Le travail est réalisé à l’aide d’une modélisation numérique avancée fondée sur la méthode des éléments distincts. Les études ont été effectuées à l’aide du code de calcul (UDEC). Les analyses sont établies sur des cas réels identifiés à partir de plusieurs visites de terrain. Un travail important a été aussi consacré à la collecte des informations relatives aux propriétés mécaniques des matériaux. La première partie de la thèse est consacrée à une synthèse bibliographique en rappelant les paramètres qui caractérisent la géométrie des discontinuités des massifs rocheux et leur comportement mécanique en compression et en cisaillement. Des méthodes d’analyse de la stabilité des milieux rocheux fissurés et quelques exemples réels publiés dans la littérature sont exposés. La seconde partie comporte des analyses sismiques menées sur un massif du site de Jezzine au Liban Sud. Les modélisations traitent différentes configurations : massif sans fractures, massif avec fractures horizontales et massif avec un réseau de fractures horizontales et verticales. On présente également les résultats obtenus avec un renforcement du massif par ancrage. La dernière partie présente une étude de l’influence de la présence de l’eau sur le comportement sismique des massifs rocheux
Lebanon is characterized by high-urbanized mountains, which could be subjected to severe earthquakes, because of the presence of a major fault and some secondary faults. Lebanon was previously subjected to several destructive earthquakes, particularly in 551, 1202, 1759 and 1837 and more recently in the years 1956 and 2008. Experts predict a major seismic event in the future. Prevention constitutes an efficient way to minimize the earthquake consequences (casualties and property damage). This thesis aims to develop a methodological approach for the seismic stability of fractured rocks and to apply this methodology to the analysis of real case in Lebanon. The work is based on an advanced numerical modeling using the UDEC software to analyze the behavior of massive fractured rocks under seismic loading, taking into account the presence of water in the fractures. Due to lack of field data, significant work has also been devoted to the collection of data collection related to mechanical properties of the materials and joints. The first part of the thesis presents a literature review of the characterization of the rock discontinuities and methods used for the analysis of the stability of fractured rock masses. The second part presents seismic analysis of a real case in South Lebanon (Jezzine). Numerical calculations were carried on different configurations: rock mass without fractures, rock mass with horizontal fractures and rock mass with both horizontal and vertical fractures. Analysis was also conducted on the use of anchors for the rock mass stabilization. The last part presents a study of the influence of the presence of water on the seismic behavior of fractured rock masses

La these aborde le probleme de l'automatisation de la cartographie des sols d'une petite region naturelle. Cela suppose la realisation prealable d'une carte pedologique interessant un perimetre limite mais sense etre representatif de cette petite region: le secteur de reference. L'accent est plus particulierement mis sur la prediction des unites de sol au moyen de lois de distribution, degagees lors de l'etude du secteur de reference. Ces lois sont supposees stables sur l'ensemble de la petite region naturelle. A partir de la carte des sols d'un secteur de reference dans la moyenne vallee de l'herault (france), il est entrepris l'extraction automatique de deux types de lois: les lois fondees sur les relations sols-paysages, les lois fondees sur les relations de voisinage. Ces lois sont ensuite integrees a un outil informatique simulant la demarche cartographique et capable de produire, a l'exterieur du secteur de reference, de nouvelles cartes de sol. La confrontation, sur 3 secteurs de validation, de ces cartes avec celles produites par une prospection manuelle, fournit des resultats qui permettent de discuter l'hypothese de stabilite des lois emises en debut de travail et les perspectives d'automatisation future des cartes de sols selon la methode proposee

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes de relargage et de rétention des polluants (Pb, Zn) lors de l'altération des scories métallurgiques de type lead blast fumace (première fusion du plomb). Dans un premier temps, une caractérisation détaillée de ce matériau partiellement vitrifié a établi : (1) que la matrice vitreuse, auparavant supposée homogène et majoritaire, est caractérisée par un début de cristallisation fractionnée massive de nano-oxydes de fer substitués en zinc (magnétite, wüstite ou franklinite) et (2), que Pb est uniquement contenu dans des phases bien individualisées. En régime dynamique dans des conditions de lixiviation très éloignées de l'équilibre (au contact d'une eau pure) la phase vitreuse et les billes de plomb métal sont les deux principales phases à s'altérer. A l'inverse, les oxydes de fer cristallisés sont relativement stables. La dissolution sélective de la phase vitreuse entraîne la libération des éléments modificateurs du réseau vitreux (Ca Na, Mg, Mn. . . ) et la formation d'une pellicule d'altération aux propriétés non protectrices. Elle est peu dense et constituée des éléments les moins mobiles (Si, Al et Fe). Cependant, l'altération de la phase vitreuse est parfois totalement inhibée alors que l'écart à l'équilibre est maintenu très grand lors des essais. Grâce à ces résultats, un modèle d'altération des scories et de transfert des polluants a été proposé. Dans ce modèle, l'altération de l'assemblage de phases est dépendant de facteurs cinétiques et de la dissolution sélective de la phase vitreuse. Ce modèle a été simulé à l'aide des codes de calculs géochimiques CHESS et de réaction-transport HYTEC.

Les mécanismes d'érosion sont la principale cause de rupture des ouvrages hydrauliques en remblai, c'est pourquoi il est capital de pouvoir quantifier la résistance des sols à l'érosion. Divers appareillages permettent d'en obtenir une estimation, notamment le Jet Erosion Test (JET) dont le modèle d'interprétation est empirique. L'objectif de ce travail est de statuer sur la pertinence ce modèle d'interprétation. Pour cela, nous avons développé un modèle numérique 2D de type Navier-Stokes turbulent avec déplacement d'interface et remaillage, permettant de modéliser l'érosion d'un sol cohésif par un écoulement turbulent. En injectant dans notre modèle les paramètres d'érosion trouvés à la suite d'essais de JET, on retrouve numériquement l'évolution de la profondeur d'affouillement obtenue expérimentalement. Nous avons appliqué cette méthode à trois différents essais de JET, les résultats obtenus sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. En plus d'une importante étude paramétrique, ces résultats ont permis d'apporter d'importants éléments de validation au modèle d'interprétation du JET. Pour étendre le champ d'applicabilité du modèle, nous avons également appliqué cette méthode de modélisation à la configuration de l'érosion de conduit. Trois essais de Hole Erosion Test (HET) ont été modélisés et nous avons également obtenus des résultats en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une analyse de la loi d'érosion et des paramètres d'érosion obtenus à la suite d'essais de JET et de HET a ensuite été initiée. Les bases d'une étude portant sur l'influence de l'angle d'incidence de l'écoulement, sur l'efficacité de l'érosion, ont été posées
Erosion mechanisms are the main cause of hydraulic failure in embankments. Therefore, the resistance of soils to erosion must be quantified. To this hand, several devices are used such as the Jet Erosion Test (JET), whose model of interpretation is strongly empirical. The aim of this study is to determine the relevance of the interpretation model of the JET. For this purpose, a 2D Navier-Stokes numerical model of erosion of cohesive soils by a turbulent flow has been proposed. We first developed and implemented an interface movement model, whose input parameters are the erosion parameters found experimentally by JET test. Then, the scour depth evolutions obtained numerically for three JET test cases are compared to experimental data. Good agreement is obtained. A parametric study has also been conducted to validate the accuracy of the numerical results. These results contribute to the validation of the JET interpretation model. To extend its domain of application, we applied the numerical model to concentrated leak erosion during Hole Erosion Tests (HET). Three HET were modeled and, here again, our numerical results are in satisfactory agreement with the experimental results from the tests. An analysis of the erosion law and erosion parameters obtained with JET and HET was finally initiated. The potential influence of the flow incidence angle on the erosion efficiency was underlined

Les phénomènes d’instabilité générés par les séismes dans les pentes représentent un risque naturel majeur à l’échelle mondiale. Ce risque a, de plus, tendance à croître du fait d’une urbanisation croissante dans des zones à fort aléa, comme en témoignent de nombreux évènements catastrophique à travers le passé. Pour garantir la sécurité des personnes et des biens face à ce type d’aléa, il faut améliorer les prédictions des déplacements générés par les séismes dans les pentes.Les premiers travaux scientifiques visant à corréler les caractéristiques des instabilités dans les pentes aux paramètres sismiques sont de nature empirique et remontent aux années 1980. Ces méthodes ne permettent pas d’expliquer tous les mouvements de terrain observés à travers le monde, notamment lorsque les effets de site modifient sensiblement la distribution des mouvements dans les pentes et génèrent des déplacements plus grands ou plus petits que ceux prédits par les lois empiriques qui négligent les effets de site.La première partie de cette thèse présente une nouvelle base de données mondiale de 277 glissements de terrain d’origine sismique ou non. L’analyse statistique conduite sur les données de cette base a montré que la forme géométrique moyenne des glissements de terrain reste stable lorsque le volume des instabilités augmente.La deuxième partie de la thèse est dédiée à l’analyse de la stabilité du glissement de terrain de Diezma (Espagne) au moyen de trois méthodes : la Méthode de NEWMARK (1965) basée sur le principe de l’équilibre limite en 2D qui suppose des conditions elasto-parfaitement-plastiques ; l’analyse par différences finies dans le domaine temporel avec le code FLAC en 2D et en 3D qui suppose des conditions visco-elasto-parfaitement-plastiques ; et l’analyse par recombinaison modale dans le domaine fréquentiel avec le code CESAR-LCPC en 2D et en 3D qui suppose des conditions visco-élastiques.Situé dans une région sismiquement active, le glissement de terrain de Diezma est susceptible d’être affecté par des séismes. Une analyse des déplacements induits dans ce versant par onze signaux sismiques différents a été menée dans l’objectif d’établir des corrélations entre les paramètres macro-sismiques des scenarios sismiques appliqués et les déformations calculées par les trois méthodes.Les résultats montrent des différences marquées à la fois qualitatives et quantitatives. Les conclusions principales sont : (a) Les déplacements obtenus par les trois méthodes ont des ordres de grandeur différents et peuvent donc conduire à une surestimation ou à une sous-estimation des déplacements ; (b) Les deux méthodes numériques montrent que les déplacements sont fortement conditionnés par la géométrie des modèles ; seule la méthode par différences finies fait apparaître une réponse en termes de déplacements qui dépend du scénario sismique considéré; (c) Les résultats des simulations2D et 3D ne sont pas comparables ; des analyses complémentaires doivent encore être menées pour guider l’utilisateur dans le choix de la méthode la plus appropriée; (d) La Méthode de NEWMARK (1965), dont l’utilisation reste très répandue de nos jours, est tout à fait appropriée à l’étude de cas simples mais elle peut se révéler inexacte lorsque la structure géologique / topographique du versant conduit à un fort effet de site car ce dernier n’est pas pris en compte par cette méthode
Seismically induced slope deformation is a worldwide common phenomenon that poses an increasing and considerable threat to fast expanding urbanization, and a great number of catastrophic events throughout the past attest thereof. For this reason, displacement predictions allowing for proper slope surveillance became a major concern.Early attempts to relate slope failures to seismic parameters are of empirical nature and date back to the 1980s. Although having proven stable, these relations are frequently disturbed by site effects causing outliers in terms of smaller or greater displacements than expected.The first part of this thesis presents a newly build chronological database of 277 globally distributed seismically and non-seismically induced landslides. A comprehensive statistical analysis was conducted on the data of this database with the main result that – statistically seen – the average geometrical shapes of landslides differ only proportionally.The second part of the thesis is dedicated to a comparative slope stability analysis of the Diezma Landslide (Spain) by means of three methods: the limit-equilibrium based NEWMARK-Method (1965) in 2D under elasto-perfectly-plastic conditions; finite-difference analysis in the time domain with the code FLAC in 2D and 3D under visco-elasto-perfectly-plastic conditions; and modal recombination analysis in the frequency domain with the finite-element code CESAR-LCPC in 2D and 3D under visco-elastic conditions.Located in a seismically active region, the Diezma Landslide is likely to be affected by earthquakes and was therefore considered as a suitable model case. A broad analysis of expected displacements was conducted using eleven strong-motion seismic scenarios. Moreover, the thesis searches for potential relations between macro-seismic parameters of the applied earthquake scenarios and the predicted deformations obtained from the three methods.It appeared that – due to the functionality of the methods – results differ quantitatively as well as qualitatively, and so does their suitability. Major findings are: (a) Results from the three methods are of different orders of magnitude and, thus, can easily lead to over- or under-estimations of displacements; (b) Both numerical methods reveal a strong influence of the model-geometry on the predicted displacements, whereas a scenario-dependent slope behavior manifested itself only within the finite difference analysis; (c) The switch from 2D to 3D does not necessarily result in a similar performance in each dimension and results must be critically judged before further use; (d) The NEWMARK-Method (1965) has proven itself once more to be appropriate for first slope assessments but not for sophisticated evaluations of ground response to seismic shaking

L'objectif de ce travail est de definir un modele du systeme pneumatique-sol et ses moyens de caracterisations associes en vue d'etre integres dans la modelisation de la mobilite des vehicules complets sur terrains peu porteurs. Il s'agit de modeliser le pneumatique, en tant que composant du vehicule, influant sur le comportement du contact au travers de son chargement, de ses dimensions, et de sa raideur, et la reponse du sol aux sollicitations qui depend de sa resistance au chargement vertical, et au cisaillement par le couple moteur transmis a la roue. La contribution de ce memoire consiste a proposer un modele simplifie du comportement des pneumatiques a partir d'un nombre de parametres limites. Ce modele est suffisamment riche pour decrire macroscopiquement le pneumatique et permet d'envisager a terme un couplage avec un modele de sol deformable. Une evaluation par analyse numerique des moyens experimentaux disponibles de caracterisation des sols in-situ permet d'orienter le choix des essais au bevametre aux depens des essais au penetrometre. Une methode d'interpretation des essais au bevametre est developpee et complete la methode de bekker pour les fortes penetrations, dans l'argile et dans le sable. En vue de la modelisation couplant les modeles de roue et de sol, l'influence de la deformation du pneumatique (deflexion et longueur de contact) est evaluee par une methode analytique de calcul de l'enfoncement theorique de la roue, de la resistance a l'avancement engendree par la deformation du sol, et de l'effort de traction potentiel. Cette presentation permet de fournir des ordres de grandeur pour le controle des resultats qui seront obtenus lors des simulations numeriques futures

Les objectifs principaux de la géomodélisation sont la représentation et la compréhension du sous-sol. Les structures géologiques ont un rôle important pour comprendre et prédire son comportement physique. Nous avons défini un modèle géologique comme étant composé d'un ensemble de structures et de leurs connexions. Les maillages sont des supports numériques servant à résoudre les équations modélisant la physique du sous-sol. Il est donc important de construire un maillage représentant un modèle géologique afin de prendre en compte l'impact de ces structures dans les phénomènes du sous-sol. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes de maillage volumique pour les modèles géologiques. Nous proposons une méthode de génération de maillages non structurés volumiques permettant de construire deux types de maillages : un maillage tétraédrique et un maillage hex-dominant (c'est-à-dire composé de tétraèdres, prismes à base triangulaire, pyramides à base quadrilatérale et hexaèdres). Cette méthode génère dans un premier temps un maillage tétraédrique qui peut respecter différents types de données : (1) un modèle géologique défini par frontières afin de capturer les structures dans le maillage volumique, (2) des trajectoires de puits représentées par un ensemble de segments, (3) une propriété de taille d'éléments afin de contrôler la longueur des arêtes des éléments et (4) un champ de directions pour contrôler des alignements de sommets/éléments dans le maillage afin de favoriser certaines caractéristiques comme des éléments possédant des angles droits. Dans un deuxième temps, ce maillage tétraédrique peut être transformé en un maillage multi-éléments. La méthode reconnaît des relations combinatoires entre tétraèdres permettant l'identification de nouveaux éléments comme les prismes, les pyramides et les hexaèdres. Cette méthode est ensuite utilisée pour générer des maillages aux caractéristiques spécifiques correspondant à une application donnée afin de limiter les erreurs lors du calcul numérique. Plusieurs domaines d'applications sont considérés tels que les simulations géomécaniques, d'écoulements et de propagation d'ondes sismiques
The geomodeling main goals are to represent and understand the subsurface. The geological structures have an important role for understanding and predicting its physical behavior. We defined a geological model as a set of structures and their connections. The meshes are numerical supports to solve the equations modeling the subsurface physics. So it is important to build a mesh representing a geological model to take into account the impact of these structures on the subsurface phenomena. The objective of this thesis is to develop volumetric meshing methods for geological models. We propose a volumetric unstructured meshing method to build two mesh types: an adaptive tetrahedral mesh and an hex-dominant mesh (i.e. made of tetrahedra, triangular prisms, quadrilateral pyramids and hexahedra). This method generates first a tetrahedral mesh that can respect different types of data: (1) a geological model defined by its boundaries to capture the structures in the volumetric mesh, (2) well paths represented as a set of segments, (3) a mesh size property to control the mesh element edge length and (4) a direction field to control vertex/element alignments inside the mesh to increase some features such as elements with right angles. Then, this tetrahedral mesh can be transformed in a mixed-element mesh. The method recognizes combinatorial relationships between tetrahedra to identify new elements such as prisms, pyramids and hexahedra. This method is then used to generate meshes whose features correspond to a given application in order to reduce errors during numerical computation. Several application domains are considered such as geomechanical, ow and wave propagation simulations

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.

L'objectif technique majeur de cette thèse se rapporte au développement d'un outilde simulation numérique fiable et robuste adapté à la maîtrise et la connaissance dufonctionnement mécanique des ouvrages géotechniques. Cet outil de simulation doitnotamment permettre une maîtrise des scénarii les plus pénalisants pour leur tenue,notamment sous l'aléa sismique.La qualité des résultats d'un tel outil dans le cadre de la méthode des éléments finisest fonction du modèle de comportement utilisé, de la qualité de l'intégration dumodèle et de sa résolution numérique. Dans le cadre de ce travail, le modèleélastoplastique de comportement cyclique des sols de l'ECP (dit de Hujeux) a étéintroduit dans Code_Aster selon un schéma d'intégration implicite, permettant ainsiune représentation fine et précise des phénomènes mis en jeu durant l'aléasismique. Ce modèle possède également l'avantage d'être adapté au comportementde différents types de sols dans le cadre des milieux poreux sous l'hypothèse despetites déformations. Après validation sur des chemins de chargement variés, lemodèle est à présent utilisé pour la simulation de la construction par couches, de lamise en eau et de la tenue sismique de barrages en terre.Le caractère non standard et adoucissant de ce modèle conduit à mettre en oeuvredes techniques de régularisation pour résoudre le problème de dépendancepathologique des résultats aux maillages lors de l'apparition de modes de ruinelocalisée. Le modèle de second gradient de dilatation est utilisé en complément aumodèle de comportement de Hujeux pour contrôler la largeur des bandes delocalisation apparaissant sur les structures étudiées. La prise en compte d'unecinématique enrichie permet de rendre objectives aux maillages les réponses desstructures durant leur phase d'adoucissement mais n'instaure pas l'unicité dessolutions aux problèmes posés suite aux instabilités. Dans le cadre d'essaisbiaxiaux drainés sur des matériaux dilatants exprimés au sein des milieux dusecond gradient de dilatation, il est apparu une dépendance de la largeur desbandes de cisaillement à l'état de contraintes initial en plus des propriétés desmatériaux.A partir d'un exemple analytique d'une bande de matériau cisaillée, cettedépendance a pu être exprimée, comparée et maîtrisée en fonction des paramètresde régularisation par rapport aux résultats des simulations numériques. L'extensionde cette approche à un cas de stabilité de pente sous chargement d'une fondationsuperficielle a ensuite été entrepris. La dépendance des largeurs de bandes à l'étatde contraintes initial est apparue comme un élément clé de la maîtrise du couplageentre le modèle de second gradient de dilatation et les modèles de type Cam-Clay