Dans cette thèse, nous proposons une modélisation unifiée du couplage hydromécanique des massifs rocheux fracturés en se basant sur la caractérisation de réseaux de fractures discrètes (DFN). En particulier, nous proposons une extension de la méthode dite de ressorts de corps rigides (RBSM). Les principales contributions de ce travail portent sur les points suivants:(1) Un modèle de comportement mésoscopique, basé sur la méthode RBSM, est développé pour décrire la fissuration de la roche. Ce modèle permet de prendre en compte la distribution de fractures préexistantes, l'initiation, la propagation et la coalescence de nouvelles fissures. La roche intacte est représentée par un certain nombre de blocs rigides, répartis aléatoirement et reliés par des ressorts. La déformation macroscopique du massif est due à la déformation locale des interfaces entre blocs.(2) Nous avons ensuite proposé un modèle à double porosité pour modéliser le transfert hydraulique dans le massif à partir de la distribution de fractures discrètes. En combinaison avec le modèle RBSM, la variation de la perméabilité lors de la fissuration du massif est étudiée.(3) La formulation d’inégalité variationnelle pour le problème d’écoulement avec surface libre est étendue aux réseaux de fractures en 2D et 3D. Cette formulation permet d’aborder les problèmes de surfaces libres dans les massifs fracturés même des topologies et des frontières complexes.(4) Le comportement hydromécanique des massifs avec une grande densité de fractures est étudié. Un modèle de comportement est proposé pour décrire les relations non linéaires entre la contrainte normale et la déformation normale, entre le glissement tangentiel et la dilatation normale. / In this thesis, we have proposed a unified approach, based on the improved rigid body spring method (RBSM), for modeling the hydromechanical coupling in both intact and fractured rocks. The main contributions of the thesis are summarized as follows.(1) A mesoscopic model, based on the improved RBSM, is developed to account for the initial distribution of preexisting fractures, the whole process of initiation, propagation and coalescence of new cracks. The macroscopic deformation is due to the local deformation of interfaces between blocks.(2) A dual porosity model for seepage flow in rock mass is proposed, based on the discrete fracture network model and the permeability variation during rock fracturing is investigated.(3) The Variational Inequality (VI) formulation for seepage problem with free surface is extended to fracture networks both in 2D and 3D conditions. This formulation is in particular suitable to solve free surface problems in fracture networks even with very complex topology and boundaries.(4) By introducing a non-linear constitutive model for fractures, a hydromechanical coupling model is established for fracture networks. The governing mechanisms of hydromechanical coupling under different stress conditions are detected.

L’endommagement induit par micro-fissuration et la déformation plastique sont deux principaux mécanismes de dissipation des matériaux rocheux. Ils sont liés à la modification de micro-structure et influencés par les compositions minéralogiques. Dans cette étude, nous présentons quelques nouvelles contributions à la modélisation micro-mécanique de l’endommagement et du comportement plastique. La première partie est consacrée à la détermination du comportement élastique-plastique d’une classe de matériaux quasi-ductiles, composés d’une matrice plastique dépendant de la contrainte moyenne dans laquelle sont distribués des inclusions et des pores. Nous proposons un nouveau modèle micro-mécanique basé sur une approche variationnelle incrémentale. Comme différence majeure par rapport à la plupart des modèles en champs moyens, le champ local de déformation plastique non-uniforme est pris en compte. Par ailleurs, une loi d’écoulement plastique non-associée est utilisée pour la matrice solide afin de mieux décrire la transition de la compressibilité à la dilatance volumique de ces matériaux. Le modèle variationnel incrémental est formulé à l’aide de la théorie de bi-potentiel. La performance du modèle est vérifiée à travers des comparaisons avec des solutions numériques de références issues des calculs directs par éléments finis. Le modèle proposé est ensuite utilisé à des matériaux argileux et poreux pour illustrer son efficacité. Dans la deuxième partie, nous abordons la modélisation micro-mécanique de l’endommagement induit des matériaux fragiles caractérisés par une matrice solide élastique contenant une distribution aléatoire de micro-fissures. L’accent est mis sur des micro-fissures avec frottement fermées sous contraintes de compression. Le modèle est formulé à l’aide d’une technique d’homogénéisation linéaire et en proposant une loi de glissement frottant à l’échelle locale. Le modèle proposé est d’abord validé par rapport à des essais en laboratoire en supposant une distribution diffuse de micro-fissures. Ensuite, nous proposons une extension du modèle en considérant la transition de l’endommagement diffus à la fissuration localisée. Celle-ci est décrite comme une conséquence de la coalescence de micro-fissures. Après la localisation, la dissipation est entièrement pilotée par la fissure localisée. Un modèle de glissement avec frottement est alors développé pour la fissure localisée d’une manière consistante avec le modèle d’endommagement diffus. Le modèle complet décrivant la transition de l’endommagement diffus à la fissuration localisée est validé par rapport à des données expérimentales. / Damage due to micro-cracking and plastic deformation are two main dissipation processes in most rock-like materials. They are related to the evolution of micro-structure and influenced by mineralogical compositions. In this study, we present some new contributions on the micro-mechanical modeling of damage and plastic behavior of rock-like materials based on linear and non-linear homogenization techniques. The first part is devoted to the estimation of macroscopic plastic behavior of a class of quasi-ductile materials, composed of a pressure-dependent plastic solid matrix in which various inclusions and (or) pores are embedded. We propose a new incremental variational model. Unlike most mean-field methods previously developed, the non-uniform local strain field in the solid matrix is taken into account. Moreover, in order to take into account the transition from volumetric compressibility to dilatancy of those materials, a non-associated plastic flow rule is adopted. The incremental variational model is formulated by using a bi-potential theory for the determination of the incremental potential of plastic matrix. The accuracy of the proposed model is assessed by a series of comparisons with reference solutions obtained from full-field finite element simulations. The proposed model is then applied to several rock-like materials with rigid inclusions or pores. In the second part, we focus on the modeling of induced damage in brittle materials which are represented by an elastic solid matrix weakened by randomly distributed microcracks. The emphasis is put on the case of closed cracks under a large range of compressive stress. The damage evolution is due to the initiation and propagation of micro-cracks while the plastic deformation is directly related to the frictional sliding along micro-cracks. The two dissipation processes are physically coupled. A specific friction model is formulated. The efficiency of the proposed model is verified against experimental data on typical granites. Furthermore, the model is extended to study the transition from diffuse damage to localized cracking. The localized cracking is considered as a consequence of coalescence of diffuse micro-cracks. After the onset of a localized crack, the energy dissipation of material is entirely driven by the frictional sliding and propagation of the localized crack. And a specific frictional damage model is developed for the localized crack in consistence with the diffuse damage model. The proposed model is also verified against laboratory tests.

Στην διατριβή αυτή έχουμε ως σκοπό την μελέτη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων του κατώτερου μαργαϊκού ορίζοντα του Νομού Αχαϊας καθως και την παράθεση των συσχετίσεων που υπάρχουν μεταξύ αυτών. / In this paper we intent to study the physical and mechanical characteristics of the lower marl horizontal of the county of Achaia. In addition we have the quotation of any connection which possibly arise among them.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε αποτίμηση των δυναμικών παραμέτρων βραχωδών υλικών μαργαϊκού ασβεστόλιθου από την περιοχή Κύμης Ευβοίας. Οι εργαστηριακές δοκιμές έγιναν στα πλαίσια μελέτης καταπτώσεων βράχων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εκτέλεση των δοκιμών βραχομηχανικής για να επιτύχουμε: 1. την απόκτηση της βασικής πληροφόρησης σχετικά με τη μηχανική συμπεριφορά του ακέραιου πετρώματος. 2. τη γεωτεχνική ταξινόμηση και το χαρακτηρισμό του βραχώδους υλικού με βάση τους διάφορους δείκτες ταξινόμησης. 3. την εκτίμηση των παραμέτρων εκείνων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα στο σχεδιασμό των διάφορων τεχνικών έργων στο πέτρωμα. / --

La conception et l’exploitation du stockage des déchets radioactifs en milieu géologique nécessitent absolument que le comportement à long terme de la roche hôte soit caractérisé. Cette caractérisation doit tenir compte de l’hétérogénéité multi-échelle de la roche, qui affecte de façon significative ses propriétés et son comportement sous diverses sollicitations. Parmi les mécanismes de déformation observés expérimentalement la microfissuration joue un rôle important. Nous proposons dans cette thèse une approche micromécanique 3D pour l’endommagement anisotrope de l’argilite du Callovo-oxfordien sous sollicitations mécaniques. L’accent est mis sur l’endommagement différé par propagation subcritique des microfissures. La microstructure complexe du matériau hétérogène est repartie sur plusieurs échelles d’espace. Le comportement macroscopique est construit pour notre approche par homogénéisation non linéaire avec plusieurs étapes de changement d’échelle. Premièrement l’étude de l’endommagement différé est réalisée pour les états des microfissures ouvertes et des microfissures fermées lisses dans la matrice argileuse. Puis nous réalisons une étude complète du comportement mécanique à court terme et à long terme pour le cas des microfissures susceptibles de se propager avec frottement par glissement sur les lèvres des microfissures fermées. Les critères et les lois d’évolutions, pour l’endommagement et pour les déformations anélastiques, sont déterminés dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Après analyse de leurs capacités prédictives, les modèles développés sont validés par comparaisons avec les données expérimentales. / To guarantee the performance and safety of a deep underground reposal for nuclear wastes, the long-term behavior of the rock host must be characterized. Generally the heterogeneity of the rock highly affects his properties. Therefore the long-term analysis of the rock behavior under different coupled loading conditions must be made for a heterogeneous material. From the experimental observations, microcracks growth plays an important role on the rock deformation. The objective of this thesis is to study, in the field of micromechanics, the induced anisotropic damage behavior of the Callovo-oxfordian claystone. We put for this study an emphasis on the delayed induced damage by subcritical crack growth. To take in to account the complex microstructure of the heterogeneous rock, the macroscopic nonlinear mechanic behavior is derived by nonlinear homogenization with multiple steps of separated scales. Firstly a model is built for the delayed anisotropic damage for the case of open microcrack and frictionless microcrack. Then a full study is performed for the instantaneous damage and delayed damage in the case of close microcracks with sliding friction. We take advantage of the frame of thermodynamics of irreversible process, for the writing of criterion and evolution law of the damage variables and the inelastic strain. Following the capacity analysis of all our built-model, a first validation is made by comparison with experimental data.

Dans le cadre de la micromécanique des milieux poreux ductiles, l’Analyse Limite a été appliquée avec succès par Gurson (1977) à l’étude de la résistance des métaux dont la matrice obéit au modèle de Von Mises. Bien que de grand intérêt, les extensions récentes de cette approche, par divers auteurs, aux matériaux poreux ductiles à matrice plastiquement compressible (polymères, bétons et roches) ne permet pas de traiter le cas de nombreux géomatériaux pour lesquels la règle d’écoulement plastique de la matrice présente un caractère non associé. L’objectif principal de cette thèse est de combler cette lacune en proposant un cadre d’étude des milieux poreux ductiles à lois non associées. A cette fin, on s’appuie sur l’Analyse Limite étendue, basée sur la théorie du bipotentiel, une fonction de deux variables duales (contrainte et vitesse de déformation plastique), séparément convexe et représentant physiquement la dissipation. A titre de contribution préliminaire, nous proposons d’abord une méthode variationnelle en contraintes (approche statique) des milieux poreux avec règle d’écoulement associé. Puis nous développons, pour les milieux poreux ductiles à matrice non associée, une méthodologie variationnelle générale, basée sur le choix judicieux de deux champs d'essai, ceux de contrainte et de vitesse. Celle-ci débouche sur la formulation d’une bifonctionnelle macroscopique dont dérive le critère et la règle d’écoulement macroscopiques recherchés… L’ensemble des résultats obtenus a été validé par confrontation à des résultats de nombreuses simulations numériques (par Eléments finis) réalisées lors de cette thèse. / In the framework of the micromechanics of ductile porous media, Limit Analysis theory was successfully applied by Gurson (1977) to the study of metals for which the matrix obeys von Mises criterion. Despite their great interest, the recent extensions by several authors of this approach to ductile porous materials with plastically compressible matrix (polymers, concretes and rocks) do not allow to investigate the mechanical behavior of geomaterials having matrix obeying to a non associated plastic flow rule.The main objective of this thesis is to fill this gap by providing a new framework for the study of ductile porous media with non-associated laws. This is done by means of the extended limit analysis based on the theory of bipotential, a dual function of two variables ( stress and plastic strain rate ), separately convex and representing the mechanical dissipation. As a preliminary contribution, we first proposed a stress variational method ( static approach ) of porous media with an associated flow rule. Then, we develop, for ductile porous media with a non-associated matrix, a general variational method based on an appropriate choice of two trial fields, namely the stress and velocity ones. This leads to the formulation of a macroscopic bifunctional from which the macroscopic criterion and the flow rule are derived. The results are validated by comparison with numerical data obtained from Finite Elements computations carried out during this thesis.

Ce travail de thèse porte sur l'analyse des glissements de terrain, qui constituent un risque naturel majeur responsable de pertes humaines élevées ainsi que de grands dommages aux structures, des infrastructures et de l'environnement naturel. Cette question revêt une importance particulière, en raison du changement climatique, qui augmente le risque de fortes pluies ainsi que la sécheresse, et par conséquent le risque d'instabilité des pentes due à l'environnement. Généralement, l'analyse de la stabilité des talus est réalisée en utilisant l’approche de l'équilibre limite. Comme cette théorie ne tient pas compte du processus de mobilisation du frottement, elle pourrait conduire à une surestimation du facteur de sécurité. Une analyse fiable de la stabilité des talus, en particulier dans les sols hétérogènes soumis à l'action de l'eau, nécessite l'utilisation de méthodes numériques avancées. Deux méthodes ont été utilisées dans cette recherche: la méthode de couplage hydromécanique et la méthode dynamique non linéaire. / This research concerns analysis of landslides, which constitute a major natural risk responsible for high human losses as well as large damages to structures, infrastructure and natural environment. This issue becomes particularly important, because of the climate change, which increases the risk of heavy rains as well as severe drought and consequently the risk of slope instability due to the environment change. Generally, analysis of slope stability is conducted using the limit equilibrium theory. As this theory does not take into consideration the process of mobilization of the friction, it could lead to an overestimation of the safety factor. A reliable analysis of the slope stability, in particular in heterogeneous soils submitted to the water action, requires the use of advanced numerical methods. Two methods were used in this research: the coupled hydro-mechanical method and the nonlinear dynamic method.

Der Feinkornanteil von Sanden ist einer der Einflussparameter für die Verflüssigungsneigung, welche hier anhand von Kennlinien im Rahmen des critical-state Konzeptes quantifiziert wird. Das durchgeführte Versuchsprogramm umfasste hauptsächlich statische undrainierte triaxiale Kompressionsversuche, ergänzt durch drainierte statische Triaxialversuche. Diese wurden an Hostun Sand, reinem Schluff, und Mischungen aus beiden jeweils in einem Dichtebereich von etwa 28% bis 90% relativer Lagerungsdichte durchgeführt. Die Lage und Funktion des critical-state locus (CSL) unterschiedet sich maßgeblich in den Bereichen ober- und unterhalb eines Grenzfeinkorngehaltes. Jeweils für den Bereich unterhalb und oberhalb des Grenzfeinkorngehaltes wurde eine normalisierte CSL (äquivalente CSL) ermittelt, die es erlaubt, die Verflüssigungsneigung für verschiedene Feinkorngehalte im Gültigkeitsbereich der äquivalenten CSL zu ermitteln.

Ως θέμα της πραγματεύεται την Εργαστηριακή διερεύνηση των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων των μαλακών βράχων και των αμμωδών εδαφών με εξέταση χαρακτηριστικών παραδειγμάτων αργιλομαργαϊκής σύστασης πετρωμάτων καθώς και τις τεχνικογεωλογικές συνθήκες κατά τη διάνοιξη της οδικής σήραγγας του Πλατάνου. Πραγματοποιήθηκε δειγματοληψία από το μέτωπο εκσκαφής της σήραγγας του Πλατάνου και χρησιμοποιήσαμε 3 δείγματα για τις εργαστηριακές δοκιμές. / -

Στην παρούσα διατριβή, η οποία πραγματεύεται τις θεμελιώσεις κατασκευών, πρωτίστως αναφέρονται οι προδιαγραφές που οφείλονται να τηρούνται ως προς την ασφάλεια και τη λειτουργικότητα της ανωδομής. Γίνεται αναφορά στη σπουδαιότητα της γεωτεχνικής έρευνας και στους τρόπους και τις μεθόδους με τις οποίες αυτή διεξάγεται. Στη συνέχεια ορίζονται τα κριτήρια σχεδιασμού μιας θεμελίωσης, δηλαδή το πρόβλημα αστοχίας και το πρόβλημα λειτουργικότητας. Παρατίθενται τρόποι υπολογισμού της φέρουσας ικανότητας για διάφορες εδαφικές συνθήκες για αβαθείς θεμελιώσεις, καθώς και ο υπολογισμός συντελεστών ασφαλείας με κλασικές μεθόδους καθώς και κατά τον Ευροκώδικα EC-7. Σχετικά με τις καθιζήσεις, αναφέρονται οι κατηγορίες τους και γίνεται υπολογισμός ανά περίπτωση και τύπο εδάφους, ενώ σημειώνονται και τα αποτελέσματα τους στις κατασκευές. Επίσης, συνοψίζονται τα επιτρεπόμενα όρια των καθιζήσεων. Ακολουθούν μεθοδολογίες για το σχεδιασμό των τριών τύπων αβαθών θεμελιώσεων, δηλαδή για μεμονωμένα θεμέλια, πεδιλοδοκούς και γενική κοιτόστρωση με γνώμονα να πληρούνται τα κριτήρια σχεδιασμού. Έπειτα περιγράφονται οι βαθιές θεμελιώσεις, καθώς και οι τρόποι υπολογισμού της φέρουσας ικανότητας τους και των καθιζήσεων που προκαλούν. Γίνονται εφαρμογές διάφορων μορφών θεμελιώσεων, για μια διώροφη οικοδομή, σε δύο διαφορετικές και χαρακτηριστικές περιοχές της πόλης των Πατρών με δεδομένα από δειγματοληπτικές γεωτρήσεις. Η πρώτη περιοχή αφορά το ανατολικό τμήμα της πόλης (περιοχή στρατοπέδου ΚΕΤΧ) όπου επιφανειακά συναντάται στρώμα σκληρής πολύ αμμώδους αργίλου και σχεδιάζεται επιφανειακή θεμελίωση με εναλλακτικούς τρόπους. Η δεύτερη περιοχή αφορά την παράκτια ζώνη της πόλης, όπου συναντάται επιφανειακό στρώμα μαλακών εδαφών σημαντικού πάχους και γίνεται διαστασιολόγηση για βαθειά θεμελίωση έγχυτων πασάλων τριβής. / At first, in this thesis, which deals with foundations in constructions, there is a mention for specifications required to ensure both safety and functionality of the structure. Also, there is a reference in geotechnical investigation and methods importance. Additionally, designing criteria for foundations are defined as both “failure matter” and “ functionality (settlements) matter”. Formulas and methods of calculating bearing capacity of shallow foundations for different territory types are listed. There are also methods for calculating factors of safety (classical methods, Eurocode EC-7). There is a reference in settlement categories and the way of calculating settlement value regarding their type and the soil environment. Allowable limits of settlements are summarized, as well. Thereafter, there are analyzed the ways of designing all shallow foundation types, which are individual footings, spread footings and raft foundation, so as designing criteria are met. Deep foundations are described, as well as methods of calculating their bearing capacity and settlement value. Finally, different foundation applications are presented as possible solutions, for a two storey building structure, in two different and characteristic areas in Patras. Data have been exported from sample drillings. The first area, is located in Eastern Patras, (camp of KETEX), where there is a surface soil layer of hard, very sandy clay. There, it is designed shallow foundation in variable and alternative ways. The second area, is located in the coastal zone of Patras, where there is a surface quit thick layer of soft deposits. There, the building construction is being based by designing concrete injector piles.