The two chevron notched specimen geometries for rock Mode I fracture toughness measurement, CB and SR, recommended by the ISRM have several disadvantages, such as very low loads required to initiate failure, complicated loading fixtures, difficult to be developed for rock mixed mode fracture testing, relatively large amounts of intact rock core needed for the test and complex specimen preparation for the SR geometry. The cracked chevron notched Brazilian disc (CCNBD) and the cracked straight through Brazilian disc (CSTBD) specimen geometries overcome these problems and they are believed to be ideal geometries for rock fracture investigations. The general case for the cracked Brazilian disc fracture problem is when the specimen is loaded diametrically with the crack inclined at an angle to the loading direction. Different combinations of Mode I and Mode II fracture intensities can be obtained simply by changing this angle and the loading fixture still remains as simple as for a normal Brazilian test. A special superimposition technique is developed to theoretically solve the stress intensity factor (SW) values for the CSTBD fracture problem with the help of dislocation and complex stress function methods. This evaluation can generate accurate SIF results for the problem with any crack length a(a/R) = 0.05-0.95, while the mixed mode SIF solution for a>0.60 has not been reached by previous researchers. The relative theoretical SW solution for the corresponding CCNBD fracture problem (single or mixed fracture modes) is obtained by using Bluhm's slice model proposed for general crack problems. Numerical calibrations for Mode I fracture problems of the CSTBD and the CCNBD specimens have been conducted by using 194 different specimen geometries and the results prove the correctness of the theoretical evaluations. The valid CCNBD geometrical range for a valid rock Mode I fracture toughness test is numerically investigated and then experimentally validated based on 40 different CCNBD geometries by using 42 different rocks. Experimental studies on the minimum specimen size requirement for a valid CCNBD rock Mode I fracture toughness test are also carried out and the approximate critical criteria is given. The great advantages of using the CCNBD specimens for rock fracture toughness measurement have been investigated and the documentation for recommending the CCNBD specimen geometry to the ISRM as the third suggested method for rock Mode I fracture toughness test is presented. The rock Mode I fracture toughness values are then related to rock conventional properties for the purpose of prediction. Rock cutting mechanics is analyzed by probabilistic fracture mechanics and Weibull's distribution model is found to better express the characteristics of rock cutting performance parameters. Some initial predictions for these parameters based on this mode are then presented.

Le stockage des déchets radioactifs dans des formations géologiques profondes nécessite d'excaver de la roche en grande profondeur pour accueillir les différentes installations. L'argilite du Callovo-Oxfordian a été choisie comme une potentielle formation hôte grâce à sa capacité de rétention et ses propriétés hydromécaniques. L'objectif de la thèse est d'étudier numériquement la fissuration induite lors du creusement des galeries souterraines à -490 m de profondeur. Un modèle Éléments Finis 3D (méthode E-FEM) est développé pour représenter la fissuration. Plusieurs critères sont proposés pour caractériser les fissures avec une ouverture en mode I ou un glissement en mode II. L'influence de l'anisotropie des propriétés de l'argilite et du champ de contrainte in situ sur les réseaux de fractures et la convergence des galeries est principalement étudiée. L'origine géologique de l'argilite, la complexité de sa microstructure et les grandes dimensions des galeries amènent à des incertitudes sur les propriétés hydromécaniques de ce matériau. La prise en compte des variabilités spatiales des paramètres mécaniques de la roche se fait au travers de champs aléatoires corrélés. Des Méthodes Éléments Finis probabilistes avec des formulations de Galerkin (méthodes d’intégration stochastique indirecte) sont ensuite développées avec une approche non intrusive pour propager ces incertitudes pour des systèmes linéaires et non linéaires (avec et sans fissuration). Ces méthodes sont ensuite appliquées à des problèmes d’excavation pour propager les incertitudes paramétriques associées au comportement de l'argilite. Les résultats sont comparés par rapport à ceux obtenus par des méthodes d’intégration stochastique directe (famille des méthodes dites de Monte-Carlo). / A 3D numerical modelling using the Enhanced Finite Element Method (E-FEM) is developped to address induced fracture networks around drifts after an excavation in Callovo-Oxfordian claystone (COx). A transversely isotropic behaviour is considered for the host rock and two failure criteria are proposed and implemented to characterize shear and tensile fractures: an anisotropic/isotropic Mohr Coulomb criterion with sliding (mode II) and an anisotropic principal strain criterion with mode I opening. Numerical simulations of underground excavations are presented and the results are discussed compared to in situ observations. The influence of the anisotropy of rock properties and in situ stress field on the induced fractures and the convergence of drifts are also studied. The geological origin of the COx as well as the large size of drifts lead to a large uncertainty related to hydro-mechanical properties of this material. Stochastic problems for linear and non linear systems are more and more of interest because it is an important issue to quantify uncertainties when parameters (loading, material properties) are modelled by correlated random fields. Despite a slow convergence, Monte Carlo methods are the most often used to solve these problems thanks to its easy implementation (non intrusive computation). Probabilistic Finite Element methods like Galerkin formulations which produce a coupled system are often viewed as intrusive. Here, we want to show that is possible to compute them in a non intrusive way and with the same accuracy as Monte Carlo methods which are considered as a reference. These methods are applied to take into account and to propagate parametric uncertainties related to claystone's behavior. 3D Numerical results are presented and discussed concerning the induced fracture networks around drifts and the anisotropic convergence of walls.

Le renforcement des fondations par soil mixing consiste à créer dans le sol des colonnes à module mixte obtenues en mélangeant le sol sur place avec un liant hydraulique. Ces colonnes, qui possèdent des caractéristiques mécaniques entre celles du béton et celles du sol, permettent d’améliorer la portance du sol d’assise et réduire les tassements excessifs des structures surjacentes. Ce travail de recherche consiste en une étude du comportement des fondations superficielles renforcées par des colonnes de soil mixing. Il vise à mettre en exergue les améliorations que cette technique apporte en termes d’augmentation de la capacité portante et de réduction des tassements. Dans une première étape, un matériau de soil mixing est formulé à partir d’un sable d’Hostun et d’un ciment CEM III. Une étude préalable a été réalisée pour déterminer les caractéristiques mécaniques de ce matériau de soil mixing, du sable d’Hostun, ainsi que les propriétés d’interface sable d’Hostun - soil mixing. Dans une seconde étape, une cuve expérimentale a été conçue pour permettre la réalisation de la procédure expérimentale du renforcement du sable par des colonnes de soil mixing. Plusieurs configurations du modèle physique ont été testées: Il s’agit d’essais de chargement sur fondations superficielles reposant sur un massif renforcé ou non. La taille de la semelle, le nombre des colonnes de renforcement, leurs âges, la densité de sol ainsi que le type de renforcement (renforcement type fondation mixte ou inclusion rigide) sont des paramètres dont l’effet a été étudié. Les essais de caractérisation, la conception du modèle expérimentale ainsi que les essais de chargement réalisés ont permis de mieux comprendre le comportement du sol renforcé. La connaissance des paramètres géomecaniques du sol et du matériau de soil mixing a permis de comprendre l’évolution de la capacité portante des semelles en présence des colonnes de renforcement. La présence d’un horizon porteur dans lequel les colonnes sont encastrées fait augmenter significativement la capacité portante de la semelle. Dans le cas du renforcement type inclusions rigides, l’augmentation de l’épaisseur du matelas granulaire réduit la capacité portante de la semelle renforcée. Cependant, elle fait augmenter la contribution des colonnes de renforcement dans la reprise des efforts appliqués sur la semelle. Une confrontation a été réalisée entre les résultats expérimentaux des essais de chargement et les résultats provenant d’un modèle éléments finis mis en œuvre avec le logiciel Abaqus. Les paramètres utilisés proviennent de nos essais de caractérisation réalisés dans le cadre de cette étude. Le modèle a présenté des résultats satisfaisant et a réussi de reproduire le comportement physique des semelles renforcées. Le modèle n’a non seulement réussi à reproduire les essais de chargement à l’échelle d’une colonne, mais aussi à l’échelle des semelles renforcées par une seule colonne et par quatre colonnes. / The reinforcement of shallow foundations by soil mixing consists on mixing the soil beneath with a hydraulic binder in order to obtain columns with mixed modulus. These columns, which have mechanical properties bounded between those of concrete and those of soil, can improve the soil bearing capacity and reduce excessive settlements as well. This research work is a phenomenological and quantitative study of the behavior of shallow foundations reinforced by soil mixing columns. It leads to analyze and highlight improvements that this technology brings in terms of bearing capacity increase and settlement reduction. In a first step, a soil mixing material is formulated from Hostun sand and cement CEM III. A preliminary study is conducted to determine the mechanical characteristics of the soil mixing material, Hostun sand and sand – soil mixing interface. In a second step, an experimental tank is designed to allow the installation of 1 m3 of hostun sand under different density. The experimental procedure allows also the installation of soil mixing columns that reinforce the soil. Finally a device is installed in order to carry on loading tests. Different configurations of the physical model were tested. Loading tests are carried on soil mixing columns and on unreinforced and reinforced shallow foundations. Size of the foundation, number of reinforcing columns, their age, soil density and type of reinforcement (rigid inclusion or mixed foundation) are parameters we change during this study. The characterization tests, the design of the experimental model, and the loading tests helped us to better understand the behavior of the reinforced soil. The knowledge of geomechanical parameters of soil and soil mixing material allowed us to understand the evolution of the bearing capacity of the reinforced foundations. The presence of a carrier horizon, in which the tip columns is embedded, leads to significantly increase the bearing capacity of the foundation. In the rigid inclusions reinforcement case, the increasing of granular mattress thickness reduces the bearing capacity of the reinforced foundation. However, it increases the part of the loading transmitted to soil mixing columns. A comparison was made between the experimental results of loading tests and the results of a finite element model implemented with Abaqus software. Model parameters are taken from our material characterization study. It is proven that the model developed is able to reproduce not only loading tests at column scale, but alsot at reinforced foundations scale.