Ce travail est consacré à l'élaboration par voie humide (pontage, solvothermale et colloïdale) de photocatalyseur TiO2 supporté sur trois types de minéraux argileux d'origine marocaine: la stévensite, la beidellite et la palygorskite, à leurs caractérisations et finalement à l'évaluation de leurs activités photocatalytiques vis-à-vis de l'élimination en milieu aqueux du colorant anionique l'Orange G (OG) très utilisé en industrie textile. La stévensite et la beidellite sont toutes les deux des smectites de types magnésien trioctaédrique et aluminifère dioctaédrique respectivement. En revanche, la palygorskite est un minéral fibreux riche en Al doté d'un caractère dioctaédrique très marqué. Les matériaux photocatalyseurs supportés développés par le pontage de la stévensite ou de la beidellite ne révèlent pas de formation de piliers interlamellaires de TiO2, mais plutôt l'obtention dans les deux cas de matrice de TiO2 amorphe dans laquelle sont éparpillées quelques rares particules indemnes de phyllosilicates. De même, ceux à base de stévensite élaborés par la méthode solvothermale révèlent des particules du phyllosilicate désintégrées au sein d'une matrice de TiO2 toutefois cristallisée sous forme d'anatase. Néanmoins, la fonctionnalisation selon la voie colloïdale a permis d'immobiliser avec succès des nanoparticules d'anatase (10 nm) sur aussi bien des feuillets plus ou moins exfoliés de stévensite ou de beidellite que sur des fibres de palygorskite. L'anatase attachée aux particules de ces minéraux argileux demeure extraordinairement stable jusqu'à 900 °C alors que celle formée en absence de ces phyllosilicates se convertit complètement en rutile vers 650 °C. Cette stabilité remarquable de l'anatase supportée est due à l'empêchement de la croissance, par coalescence à haute température, de la taille de ses particules au-delà de la taille critique (30 nm) requise pour sa conversion en rutile relativement moins photoactive. Les essais de photocatalyse révèlent que l'activité catalytique des différents matériaux élaborés croit selon la méthode de fonctionnalisation: pontage - méthode solvothermale - voie colloïdale et aussi selon la nature du minéral argileux : stévensite - beidellite - palygorskite. En outre, les matériaux photocatalyseurs supportés, à base de beidellite ou de palygorskite, développés par la voie colloïdale, manifestent une activité deux fois supérieure à celle de la poudre commerciale TiO2 Degussa P25. Leurs particules floculent aisément, ce qui facilite leur élimination du milieu aqueux sans recourir à la microfilitration requise dans le cas de la Degussa P25. / This work was devoted to the elaboration by wet route (pillaring, solvothermal and colloidal) of TiO2 supported photocatalysts on three kinds of clay minerals (stevensite, beidellite and palygorskite) from Morocco, to their characterizations and finally to the evaluation of their photocatalytic activities towards the removal from aqueous media of anionic Orange G dye, widely used in textile industry. Stevensite and beidellite were magnesian trioctahedral and aluminiferous dioctahedral smectites respectively. Nevertheless, palygorskite was a fibrous Al-rich clay mineral with a predominant dioctahedral character. The photocatalyst materials elaborated by the pillaring of stevensite or beidellite did not reveal the formation of TiO2 interlayer pillars, but the observation of an amorphous matrix of Ti-rich phase within which were distributed some rare unaltered particles of phyllosilicates. Those based on stevensite elaborated according to solvothermal method also showed dissolved phyllosilicates particles, but within crystalline TiO2 anatase matrix. Nevertheless, the functionalized materials developed according to colloidal route exhibited successful immobilization of anatase nanoparticles (10 nm) onto as well as more or less exfoliated layers of stevensite or beidellite than on palygorskite fibers. Anatase remained remarkably stable up to 900 °C when attached to particles of clay minerals in comparison with that developed in their absence which underwent a complete transformation into rutile at around 650°C. This remarkable stability at high temperature of anatase supported on clay minerals particles was due to the hindrance of particles growth by sintering whose the sizes remained below the nucleus critical sizes (30 nm) required for its transition into less photoactive rutile. The photocatalysis tests revealed that the catalytic activity of different elaborated materials increased according to the synthesis route: pillaring process - solvothermal method - colloidal route and according to the nature of clay mineral: stevensite - beidellite - palygorskite. In addition, the supported photocatalysts based on beidellite or palygorskite prepared by colloidal route were found to be twice more active than the commercial TiO2 powder Degussa P25. Furthermore, their particles easily floculated so that they are readily removable from treated solutions without resorting to expensive microfiltration required upon the use of Degussa P25.

Dans la perspective de prédire les transformations chimico-minéralogiques possibles d'une bentonite placée en conditions de stockage profond de déchets radioactifs, plusieurs séries d'expériences ont été réalisées utilisant la bentonite MX80 en présence d'une solution chlorurée sodi-calcique, en absence ou en présence de fer (magnétite + hématite ou fer métal + magnétite), à 80 et 300 °C et pour des durées de 1 jour à 9 mois. Les produits de réactions ont fait l'objet de caractérisations multi-échelles et multi-techniques : diffraction des rayons X, microscope électronique à balayage et en transmission (imagerie haute résolution, EDS et EELS), microsonde électronique, spectroscopie Mössbauer et analyse ICP AES et ICP MS des solutions. Le code de calcul EQ3/6 a été utilisé pour simuler les expériences réalisées. Une nouvelle méthode ponctuelle de détermination de la valence du fer dans les argiles au MET par spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) a été développée.

Deux approches ont été utilisées pour étudier le comportement des sols compressibles lors de l'élargissement d'un remblai : étude sur modèles réduits centrifugés et analyse numérique en éléments finis. Pour l'étude en centrifugeuse, la construction des remblais pendant la rotation du modèle a été effectuée grâce à une trémie développée pour cette recherche. Sept conteneurs d'argile Speswhite reconstituée ont été préparés et équipés de capteurs de tassements de surface, de pressions interstitielles et de déplacements horizontaux. Sept essais ont été réalisés, les premiers pour mettre au point les procédures d'essai et les quatre derniers pour comparer deux variantes d'élargissement d'un remblai. L'analyse des résultats des mesures et des observations faites sur les modèles a montré l'importance des conditions de préparation des massifs d'argile et d'un suivi détaillé de toute l'histoire des sols depuis leur mise en place dans le conteneur jusqu'à la fin de l'essai. Le comportement des argiles pendant la centrifugation dépend d'une combinaison de consolidation et de fluage qui dépend de leur état de surconsolidation initiale et complique l'interprétation des mesures effectuées sur le modèle. La modélisation numérique a été effectuée au moyen de CESAR-LCPC. Elle a porté sur les modèles testés en centrifugeuse et sur le comportement d'un remblai autoroutier élargi vingt-cinq ans après sa construction. Le calcul en éléments finis, de type élastoplastique couplé, nécessitait des données géotechniques qui n'étaient pas toutes disponibles et les comparaisons effectuées avec les mesures sont restées pour cette raison incomplètes, bien que les phénomènes soient reproduits qualitativement de façon acceptable. Ces recherches montrent qu'il est indispensable de mieux définir les propriétés mécaniques des sols pour déboucher sur des résultats d'application pratique.

Cette thèse examine la réponse de différents types de lois de comportement en chargement et en déchargement et modélise numériquement les problèmes du creusement dans un massif du sol. Deux méthodes de modélisation d'excavation par éléments finis, l'une proposée par Ghaboussi et Pecknold (1984) et Brown et Booker (1985) et l'autre par Borja et al. (1989) ont été programmées dans le code CESAR-LCPC. Ces deux méthodes ont été ensuite comparées pour la simulation par étapes de l'excavation de massifs de sol élastique et élastoplastique. Nous avons également développé la notion de chargement-déchargement-rechargement multiaxial basée sur le signe du travail incrémental. L'application de ce principe (qui englobe le cas unidirectionnel) à une excavation pour différents types de lois de comportement, nous permet de connaître l'étendue des zones en chargement et/ou en déchargement autour de l'ouvrage. Un modèle élastique non-linéaire (Wong et Duncan), un modèle élastoplastique parfait à critère de Mohr-Coulomb et un modèle élastoplastique avec écrouissage (Nova) ont été étudiés plus en détail dans cette étude. Ces modèles ont été d'abord appliqués à la simulation d'essais triaxiaux, puis à un problème d'excavation. Ce travail s'achève par la modélisation d'un ouvrage réel : une excavation réalisée devant un rideau de palplanche butonné dans un milieu sableux (Université de Karlsruhe). Dans cette partie, nous avons comparé avec les observations sur site, les résultats des modélisations en éléments finis avec le modèle élastoplastique à critère de Mohr-Coulomb et avec le modèle de Nova.

Cette thèse étudie les écoulements hydrauliques autour des tunnels creusés en terrains aquifères et analyse les déformations induites par la consolidation du massif en présence de sols compressibles. Le mémoire comporte plusieurs synthèses bibliographiques portant sur les problèmes liés aux écoulements hydrauliques vers un ouvrage souterrain, sur les méthodes de calculs existantes pour l'étude de ces écoulements, sur la réponse hydromécanique des massifs de sols au creusement de tunnel (observations de chantiers), sur les techniques proposées pour simuler la construction d'un tunnel par la méthode des éléments finis et sur les approches de calculs développées pour le traitement de la consolidation d'un massif en présence d'une nappe à surface libre. Plusieurs études numériques ont été réalisées à l'aide du progiciel CESAR-LCPC. La méthode des éléments finis a été utilisée pour analyser les écoulements autour de tunnels en conditions bidimensionnelles et tridimensionnelles, en régimes permanent et transitoire. Différentes configurations sont étudiées, considérant un massif indéformable, pour étudier le rôle de l’anisotropie de perméabilité des massifs, leur stratification, et le rôle du revêtement de la paroi du tunnel et de différentes dispositions proposées pour atténuer l'effet des écoulements au front en cours de construction. La réponse d'un massif de sols compressibles au creusement d'un tunnel a été analysée par des calculs hydromécaniques couplés et un modèle de comportement élastoplastique adapté aux sols anisotropes MELANIE. Les résultats de calcul sont comparés à ceux obtenus par des analyses drainée et non drainée. L'approche non drainée a, d'autre part, été adoptée pour étudier la réponse des massifs relativement raides à la méthode de creusement par prédécoupage et pour analyser le comportement de la prévoûte au cours des différentes phases de la construction. La thèse présente, de plus, une contribution au développement du code de calcul CESAR-LCPC. La programmation du modèle MELANIE dans CESAR-LCPC a été adaptée pour traiter la variation de la contrainte de préconsolidation et des modules d'élasticité avec la profondeur, et pour actualiser le coefficient de perméabilité du sol en fonction de la variation de l'indice des vides. Une approche est, par ailleurs, proposée pour le traitement de la consolidation en présence d'un niveau piézométrique variable en utilisant les généralisations de Richards (1931) et de Bishop (I960) pour le traitement de l'écoulement et du couplage au-dessus de la surface libre. Cette approche a été programmée dans un nouveau module s'intégrant dans le code CESAR-LCPC et a été appliquée à l'étude de la consolidation d'un massif sous le chargement d'une fondation et suite à la réalisation d'un tunnel. Ce travail s'achève par la modélisation d'un ouvrage instrumenté : le tunnel de Grimsby, creusé dans un massif argileux compressible. Les calculs ont été réalisés avec différentes lois de comportement (MELANIE, élasticité isotrope et anisotrope et élastoplasticité isotrope), et avec différentes hypothèses pour le traitement du couplage au-dessus du niveau piézométrique ; les résultats ont été comparés aux tassements de surface mesurés sur une période de onze ans après la construction.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse porte sur l'étude de la conductivité électrique et de la permittivité diélectrique du sol dans le domaine des fréquences moyennes (100 kHz-10 MHz), l'objectif étant de développer une nouvelle méthode de cartographie simultanée de ces paramètres électriques. La conductivité électrique et la permittivité diélectrique étant sensibles aux paramètres d'état du sol, et notamment à sa teneur en eau, le couplage des informations apportées par ces deux paramètres doit permettre d'estimer la valeur de la teneur en eau en chaque point de mesure. Des mesures en laboratoire ont été réalisées afin de connaître l'évolution de ces deux paramètres en fonction de la fréquence. La permittivité diélectrique et la conductivité électrique d'échantillons de sable, de mélanges artificiels de sable et d'argiles (kaolinite et bentonite) en proportions variées et de sol limoneux ont été mesurées pour différentes teneurs en eau. Nous avons étudié l'effet de la teneur en argile, de la minéralogie des argiles impliquées ainsi que de la salinité de l'électrolyte. Dans le cas d'échantillons propres (sans argile), les lois de comportement existantes prédisent correctement la réponse à haute fréquence des matériaux étudiés en fonction de la teneur en eau. Des effets de polarisation d'interface s'ajoutent à la polarisation dipolaire des molécules d'eau pour des fréquences inférieures à 2 MHz. Ces effets sont d'autant plus importants que la teneur en argile augmente. Ils sont liés aux propriétés surfaciques de l'argile présente (capacité d'échange cationique, surface spécifique). Pour comprendre ces relations, des modèles complexes doivent être élaborés et testés. Nous avons privilégié une première approche qui consiste à établir une relation empirique afin de retrouver la valeur de la permittivité diélectrique liée à la polarisation dipolaire (permittivité HF due à la rotation des molécules d'eau). En parallèle a été développé un prototype d'appareil électromagnétique de mesure in situ, de type Slingram, composé de deux bobines perpendiculaires (PERP), qui fonctionne à 1,56 MHz. Après avoir étalonné l'appareil et testé sa réponse à des objets de propriétés connues, plusieurs sites d'expérimentation ont été choisis : des alluvions sableuses à l'INRA d'Orléans (Centre), des luvisols limoneux de l'INRA d'Estrée-Mons (Picardie) et des calcaires fracturés du site de Grand (Vosges). Ils présentent tous des natures de sols différents ; et des contrastes de teneurs en eau, naturels ou artificiels y ont été mesurés. Si, dans le cas des alluvions sableuses, les permittivités diélectriques sont du même ordre de grandeur que les permittivités HF et permettent de retrouver la teneur en eau du sol à partir des modèles théoriques existant, il n'en est pas de même pour des sols plus riches en argile. Les relations empiriques établies à l'aide des expérimentations en laboratoire permettent alors une première estimation de la teneur en eau, conforme aux teneurs en eau massiques des échantillons prélevés.

Ce travail s’inscrit dans une problématique locale de teneur élevée en arsenic naturel dans le but d’améliorer la surveillance et la gestion de la qualité de la ressource en eau dans l’arrière-pays niçois. L’existence de grandes disparités géographiques des teneurs en arsenic font de la géologie la cause principale de cette contamination. L’intérêt de ce travail est d’appréhender les interactions solide/solution entre l’arsenic total dissous et les particules solides (matières en suspensions, sédiment de lit de rivière, solides naturels). Pour décrypter le comportement géochimique de l’arsenic, les trois objectifs principaux sont : de déterminer son état de conservativité dans le milieu naturel ; puis d’étudier les phénomènes d’adsorption en laboratoire sur des solides naturels (illite, oxydes de fer) ou de référence (kaolinite) ; puis enfin d’apporter une application directe au piégeage de l’arsenic par la création d’un pilote de traitement destiné à dépolluer une source d’eau destiné à la consommation humaine. La concentration en particule est le facteur influençant la conservativité de l’arsenic dans le système de confluence Tinée/Var selon les données des compartiments dissous et particulaire. La fraction colloïdale semble avoir une implication de premier ordre lors de la période de crue étudiée. Le piégeage de l’arsenic est favorisé par les oxyhydroxydes de fer, les argiles puis en moindre quantité par les solides acido-solubles. / This work aimed to solve a local problem of high water contamination with natural arsenic. In order to monitor and manage the water resource quality in French Riviera region. The different geographical repartition of arsenic content makes the consequences of this contamination to the geology. The interest of this work is to understand the interaction at solid/liquid interfaces between total dissolved arsenic and the solid particles (suspended particles matter, bed sediments and natural solids). To elucidate the geochemical behavior of arsenic, the three main objectives are: to determine the conservative states in the natural environment, then to study the adsorption phenomena under laboratory conditions onto the natural solids (illite and iron oxides) or reference materials (kaolinite); thirdly to apply the outcome of this work to establish a processing pilot for arsenic removal to decontaminate drinking water. The particle content is the main factor which influences the conservativity of arsenic in the confluence Tinée/Var. Colloids seems to have the main role in the arsenic removal in the studied flood period. Arsenic removal is favored by iron oxides, and clays, but less efficiently by acid-soluble compounds. The study of sorption mechanisms onto clays showed that adsorption of arsenic is strongly dependent on pH, quantity of aluminol reactive sites, influence of competitive anions such as carbonates and phosphates. Finally, the association of zeolites (high specific surface area) with coating of amorphous iron oxides (high affinity for arsenic) makes this adsorbent the most efficient, hence was studied and used in this work for arsenic adsorption.

Excavations in soft clays come with a number of specific challenges. The use of lime-cement columns in the passive zone of such works represents a promising solution to some of these problems, such as basal heave stability or excessive deformations. Nevertheless, lime-cement columns in the passive zone of excavations in soft clays are not yet widely used and studied. Knowledge about this improvement method is still limited, particularly when it comes to numerical modelling. They have mostly been studied numerically using simple geometries or constitutive models that do not allow to represent the key features of the material, that could influence the behaviour of the structure. Thus, there is a need for more investigations regarding precise modelling tools for this type of problems. In this study, an advanced constitutive model named the Concrete model was employed to capture the mechanical behaviour of the lime-cement improved soil material. A boundary value problem representing an excavation in soft clay supported by sheet pile walls and lime-cement columns was studied using a three dimensional finite element model that included the Concrete model for lime-cement column panels. The results show that the Concrete model is able to capture the behaviour of lime-cement improved clay very well. Key features such as strain hardening and strain softening are well represented. The results of the boundary value problem were compared to field measurements and it was showed that the Concrete model employed in a three dimensional finite element representation of the problem is able to give realistic results. / Schakter i lös lera medför ett antal specifika utmaningar. Användningen av kalk-cementpelare i den passiva zonen i sådana fallen är en lovande lösning på några av dessa problem, t.ex. jordhävning eller stora deformationer. Kalk-cement pelare i den passiva zonen av schakter i lös lera har dock ännu inte använts och studerats i någon större utsträckning i Sverige. Kunskapen om denna metod är fortfarande begränsad, särskilt när det gäller numerisk modellering. Denna förstärkningsmetod har studerats numeriskt med hjälp av enkla geometrier eller konstitutiva modeller som inte gör det möjligt att representera materialets viktigaste egenskaper som kan påverka konstruktionens beteende. Det finns därför ett behov av mer forskning för en precis modellering för denna typ av problem. I den här studien användes en avancerad konstitutiv modell (Concrete model) för att simulera det mekaniska beteendet hos det kalkcementstabiliserade jordmaterialet. Ett gränsvärdesproblem som representerar en schakt i lös lera som stöds av spontväggar och kalkcementpelare studerades med hjälp av en tredimensionell finita elementmodell. Resultaten visar att den advancerade konstitutiva modellen kan simulera beteendet hos kalkcementstabiliserad lera mycket väl. Viktiga egenskaper som t.ex. töjningshärdning och töjningsuppmjukning är väl representerade. Resultaten av gränsvärdesproblemet modellering jämfördes med fältmätningar och det visades att konstitutiva modellen som används kan ge realistiska resultat. / Les excavations dans les argiles molles présentent de nombreuses difficultés. L’utilisation de colonnes en chaux-ciment dans la zone passive de ces structures représente une solution prometteuse à certains de ces défis, tels que le soulèvement de la base ou les déformations excessives. Néanmoins, l’utilisation et l’étude des colonnes en chaux-ciment dans la zone passive des excavations dans les argiles molles ne sont pas généralisées et les connaissances à ce sujet sont encore limitées, notamment en ce qui concerne la modélisation numérique. La plupart des études numériques se basent sur des géométries simples ou des modèles constitutifs ne permettant pas de représenter certaines particularités du comportement du matériau, qui pourraient influencer le comportement de la structure. Il est donc nécessaire d’approfondir les recherches sur les outils de modélisation pour ce type de problème. Dans cette étude, un modèle constitutif avancé (Concrete model) a été utilisé pour reproduire le comportement mécanique de l’argile stabilisée à la chaux et au ciment. Un problème de valeurs aux limites représentant une excavation dans de l’argile molle soutenue par des murs de palplanches et des colonnes en chaux-ciment a été étudié à l’aide d’un modèle d’éléments finis tridimensionnel. Les résultats montrent que le modèle employé permet de reproduire le comportement de l’argile stabilisée à la chaux-ciment de manière très satisfaisante. Les particularités du comportement du matériau, telles que l’écrouissage et l’adoucissement, sont bien représentées. Les résultats du problème de valeurs aux limites ont été comparés aux mesures sur le terrain et il semble que ce modèle constitutif, employé dans une représentation tridimensionnelle par éléments finis du problème, soit capable de donner des résultats réalistes.

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