Ce travail aborde les dynamiques géomorphologiques des bas-plateaux calcaires du Bassin parisien. Ces dynamiques géomorphologiques sont généralement étudiées à partir d'observations de surface avec l'étude des formes et des formations et la cartographie géomorphologique. Cependant, avec la disparition des sites d'extractions et des carrières, les affleurements se font rares, ce qui ne facilite pas l'interprétation des morphologies et des processus associés. Les chercheurs sont alors obligés de recourir à des procédés de reconnaissances lourds et coûteux comme l'instrumentation de géophysiques ou de profiter des sondages archéologiques. L'intérêt de cette contribution est de montrer l'apport de l'étude des carrières souterraines dans la compréhension des dynamiques géomorphologiques, hydrogéologiques et hydrologiques des bas plateaux tertiaires du Bassin parisien. La bibliographie fait souvent référence à des processus occultes, sous couverture, comme la crypto-corrosion, le soutirage ou l'hydrocompaction, difficilement observables en surface qui laissent souvent trop de place à l'interprétation. Le secteur de Reims, Laon, Soissons et Villers-Cotterêts est particulièrement intéressant car il regroupe plus de 400 carrières souterraines dans les calcaires lutétiens. Les héritages historiques y sont importants avec un patrimoine monumental très dense construit grâce aux géomatériaux calcaires locaux fournis par les carrières souterraines. / This work tackles the geomorphological dynamics of calcareous low-plateaus, in the Paris basin. These dynamics are usually studied from observations of surface, the study of shapes and superficial formations and geomorphological mapping. However, with the disappearance of sites and quarries, outcrops are scarce, which does not facilitate the interpretation of morphologies and associated processes. Researchers are forced to resort to methods of reconnaissance heavy and expensive, as instrumental geophysical or benefit of archaeological surveys. The value of this work is to show the contribution of the study of underground quarries in the understanding of geomorphological, hydrogeological and hydrological tertiary lowlands of the basin of Paris. The literature often refers to the process of hidden under cover as the crypto-corrosion, racking or hydrocompaction, easily observable on the surface or often leaving too much room for interpretation of fault outcrops. The area of Reims, Laon, Soissons and Villers-Cotterets is particularly interesting because it includes more than 400 underground quarries in the lutetian limestone. Historical legacies are important monuments with very dense built through geomaterials local limestone quarries provided by underground quarries.

Le risque d’instabilités d’ouvrages souterrains (naturels ou anthropiques) concerne plus de 10 000 communes en France. Les accidents ayant pour cause l’effondrement soudain de carrières souterraines sont parmi les plus destructeurs, aussi bien humainement que matériellement. L’évolution des possibles instabilités, dès lors que les enjeux sont importants, implique d’enrichir les connaissances actuelles afin de prévoir leur ampleur et leur impact en surface. Des travaux précédents ont démontré l’importance du couplage hydro-mécanique dans le diagnostic de stabilité. La complexité du phénomène d’interaction eau-craie est due à de nombreux facteurs environnementaux et la sensibilité à chacun de ces facteurs dépend entièrement de la craie considérée. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’influence de l’eau et de l’interaction eau-roche sur le comportement mécanique de trois craies dans le cadre d’une approche multi-échelles et multi-physiques. L’étude des caractéristiques physiques et mécaniques de trois craies du Bassin Parisien, ainsi que leur rapport avec l’eau, a été réalisée. Les résultats obtenus à l’aide d’essais hydromécaniques à court terme restent cohérents avec la littérature. Le « vieillissement » de la craie dans le cadre des carrières souterraines soumises à des fluctuations du niveau de la nappe a été prouvé et caractérisé. Il se traduit selon la craie, soit par un changement de la forme et la taille des cristaux dans la microstructure impliquant une amélioration des propriétés mécaniques en bord de pilier au détriment du cœur, soit par la présence de traces de dissolution dont la fréquence augmente dès que l’on s’éloigne du cœur, soit par une augmentation du nombre de microfissures en cœur amenant une diminution de ses propriétés. L’étude du comportement différé de chaque craie a été faite à l’aide d’essais de fluage uniaxial à hygrométrie contrôlée avec ennoyage. Il a été établi entre autre que le fluage dépend de la minéralogie/microstructure et du couple déviateur-hygrométrie mais pas de l’histoire du chargement. Les mécanismes supposés être à l’origine des déformations différées sont d’ordre physico-mécanique et impliquent la rupture et le rétablissement de liaisons électro-statiques. L’interprétation de tous les essais réalisés a permis de quantifier l’importance des contributions relatives des différents paramètres sur le comportement différé. Le but à long terme reste d’alimenter à la fois l’expertise et les modèles de calculs de sorte à pouvoir prédire notamment l’impact d’une variation du niveau des nappes sur la stabilité à long terme des carrières de craie. Un modèle rhéologique a en ce sens été développé au sein de l’INERIS (Souley et al. 2016) / The risk of instability of underground structures (natural or anthropogenic) involves over 10 000 towns in France. The accidents due to the sudden collapse of underground quarries are among the most destructive, both humanly and materially. The evolution of possible instabilities, since the issues are significant, implies to enrich current knowledge to predict their extent and their impact on the surface. Previous work has demonstrated the importance of the hydro-mechanical coupling in the diagnosis of stability. The complexity of the chalk-water interaction phenomenon is due to many environmental factors and sensitivity to each factor depends entirely on the chalk considered. The main objective of this thesis is to study the influence of water and water-rock interaction on the mechanical behaviour of three chalks as part of a multi-scale and multi-physics approach. The study of physical and mechanical characteristics of chalks from three underground quarries situated in the Parisian Basin, and their interaction with water was carried out. The results obtained through short-term hydro-mechanical tests remain consistent with the literature. The "ageing" of chalk from the underground quarries subjected to fluctuations in the water table has been proven and characterized. It is expressed, based on the chalk considered, by a change in the shape and size of crystals in the microstructure involving improved mechanical properties at the edge of the pillar to the detriment of the heart, or by the presence of traces of dissolution whose frequency increases as one moves from the heart, or by increasing the number of microcracks in the heart causing a decrease in the properties of the chalk. The study of the long-term behaviour of each chalk was developed through uniaxial creep tests with controlled humidity and waterlogging. It was established among other things that creep depends on the mineralogy / microstructure and the deviatoric stress-humidity couple but not on the loading history. The mechanisms believed to be the origin of creep deformations are of a physico-mechanical nature and involve the breaking and the restoring of electrostatic bonds between grains. The interpretation of all the tests carried out allowed to quantify the importance of the relative contributions of various parameters on the long-term behaviour. The long-term goal remains to power both the expertise and the model calculations so that one can predict the impact of a particular variation of the groundwater level on the long-term stability of chalk underground quarries. A rheological model has been developed in this direction within the INERIS (Souley et al. 2016)

Au cours du temps, les cavités souterraines sont soumises à un vieillissement et plusieurs types de dégradation peuvent apparaitre. Les anciennes exploitations souterraines, parfois constituées d’un ou plusieurs niveaux, n’ont, sans doute, pas été conçues pour être stables à long terme. Elles ont été réalisées à une époque où n'existaient pas d'enjeux en surface, de zones de travaux, ce qui permettait d’éviter de se préoccuper des mouvements de sol induits. Elles ont pu quelquefois être totalement ou partiellement remblayées, mais pas de manière systématique. L’effondrement d'une cavité souterraine engendre la déconsolidation des niveaux supérieurs des terrains de recouvrement. Ces mécanismes peuvent provoquer en surface deux types de désordres : un affaissement ou un fontis. L'affaissement et le fontis peuvent provoquer des graves dommages aux structures et aux infrastructures en surface mais aussi mettre en péril la sécurité des populations. Les travaux de cette thèse s’articulent autour de l’étude du foisonnement, du fontis et de sa propagation dans les terrains de recouvrement.Les objectifs de cette thèse sont doubles : tout d’abord il s’agit d’étudier le foisonnement de la roche lors d’un effondrement de toit de carrières souterraines ; ensuite il s’agit de modéliser la propagation du fontis dans les terrains de recouvrement et ainsi hiérarchiser les paramètres associés à ce phénomène.La première partie de cette thèse repose sur une étude bibliographique qui récapitule les méthodes d’exploitation, méthodes d’analyse de stabilité de carrières souterraines, méthodes de prévision de la hauteur d’effondrement et estimation de foisonnement. A l’issue de cette synthèse bibliographique l’étude s’est focalisée sur les carrières souterraines à faible profondeur exploitées par chambres et piliers. Ainsi, la modélisation numérique par la méthode des éléments discrets (MED) a été choisie pour analyser l’instabilité des toits de carrières souterraines.La seconde partie s’intéresse au développement d’un modèle numérique qui a pour objectifs : d’une part, le développement d’un Programme de Discrétisation des Massifs Rocheux (PDMR) qui constitue le préprocesseur du logiciel STTAR3D et le développement d’un code permettant le calcul du coefficient de foisonnement des débris de l’effondrement. D’autre part, l’implémentation des lois de comportement sur STTAR3D.La troisième partie consiste à déterminer, d’une part les caractéristiques physico-mécaniques d’échantillons prélevés dans la carrière de la Brasserie (Paris-France), qui a été choisie pour une tester le modèle développé et d’autre part, les deux paramètres de la loi de comportement utilisée pour modéliser les contacts à savoir  et µ.Enfin, la dernière partie de ce travail est constituée des simulations numériques pour lesquelles les paramètres de la loi de comportement mesuré expérimentalement ont été introduits dans STTAR3D. Dans la première étude numérique menée, on s’intéresse à l’effet de la hauteur de chute, du rayon de l’ouverture initiale du fontis et du degré de fracturation sur le foisonnement des décombres, ainsi qu’à l’effet de la variation du foisonnement sur la hauteur de l’effondrement et sur l’affaissement. Dans un second temps, on réalise un modèle de la carrière de la Brasserie dont on calcule le comportement par simulation numérique afin d’obtenir l’affaissement en surface et la hauteur de l’effondrement qui sont comparés aux observations in-situ / Over time, the underground cavities are subjected to aging and several types of degradation can occur. The old underground cavities have probably not been designed to be stable over the long term. They have sometimes been totally or partially backfilled, but not in a systematic way. The collapse of a mine causes deconsolidation of the upper levels of the overburden. These mechanisms can cause two types of disorders on the surface: subsidence or sinkhole. Subsidence and sinkhole can cause severe damage to structures and infrastructures in surface, but also jeopardize the safety of the population.The work of this thesis revolves around the study of rock's bulking, sinkhole and its spread in the overburden. The aims of this thesis are twofold: firstly, to study the bulking of rock during the roofs mine collapse; Secondly, modeling the spread of the sinkhole in the overburden and thus to prioritize the parameters associated with this phenomenon.The first part of this thesis is a bibliographical study which summarizes the methods of exploitation, methods of analysis of stability of underground quarries, methods of prediction of the height of collapse and estimation of the bulking factor. At the end of this bibliographic synthesis, the study focused on shallow underground quarries operated by rooms and pillars. Thus, numerical modeling using the discrete element method (MED) was chosen to analyze the instability of roofs of underground quarries.The second part focuses on the development of a numerical model with the following objectives: on the one hand, the development of a Rock Mass Discretization Program (RMDP) which constitutes the preprocessor of the STTAR3D software and the development of a Code allowing calculation of the bulking factor of the rubble of collapse. On the other hand, implementation of the behavior laws on STTAR3D.The third part consists of determining, on the one hand, the physicals and mechanicals characteristics of samples taken from the quarry of the Brasserie (Paris-France), which was chosen to test the model developed. On the other hand, determining of parameters of the behavior law used for modeling the contacts, namely “” and “μ”.Finally, the last part of this work is made of numerical simulations for which the parameters of the behavior law measured experimentally have been introduced in STTAR3D. In the first numerical study, we investigate the effect of fall height, the radius of the initial opening of the sinkhole and the fracturing degree on the bulking of the rubble, as well as the effect of variation of the bulking on the collapse height and on the subsidence. In a second step, a model of the Brasserie’s mine is realized, the behavior of which is studied by numerical simulation in order to obtain the subsidence on the surface and the collapse height, which are compared with the in-situ observations

Ce mémoire traite de la contribution des méthodes géophysiques à la détection et à la cartographie des cavités souterraines de la Médina de Béni-Mellal. Il s'inscrit dans un projet de réhabilitation de la Médina, à l'initiative de l'Agence Urbaine de Béni-Mellal et des autorités municipale, régionale et nationale. La méthodologie mise en œuvre est celle proposée dans le Guide technique élaboré par le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées de Nantes (2004). Le premier chapitre pose le problème des cavités, dites "Khefs", en relation avec l'histoire et la géographie de la médina. Le second chapitre traite des phases d'étude préliminaires à l'application de la géophysique. Une étude critique des documents et rapports antérieurs et des visites d'affleurements géologiques et de cavités, ont modifié profondément les hypothèses sur l'origine et la nature des cavités. Contrairement à ce qui a souvent été dit et écrit, il n'y a aucune cavité d'origine naturelle liée à la karstification. Il s'agit de cavités creusées par l'homme dans des matériaux détritiques et lacustres pour en extraire les matériaux de construction de la médina elle-même, sous la forme d'exploitation classique de type "chambres et piliers". La dégradation des cavités est également liée à l'activité anthropique. Le troisième chapitre traite du choix des méthodes géophysiques mises en œuvre et présente les résultats de trois d'entre elles. La sismique réfraction n'est pas recommandée. La tomographie électrique et l'électromagnétisme en champ proche sont en revanche recommandés. Sept exemples de profils de tomographie 2D sont présentés, qui montrent clairement la présence d'anomalies résistantes attendues : leur toit est situé entre 0,50 m et 1, 50 m de profondeur ; leur extension latérale est inférieure à 5m. Cinq profils et 2 cartes électromagnétiques démontrent la capacité à cartographier les variations de la géologie superficielle et la sensibilité aux contacts verticaux entre les vides et les matériaux détritiques en place. Le quatrième chapitre présente les résultats obtenus avec le radar géologique sur une zone expérimentale de la médina. Des exemples spécifiques sont extraits des 270 profiles qui ont été enregistrés, avec une antenne de 400 MHz pour la totalité et une antenne de 200 MHz pour quelques uns. Les résultats ont été contrôlés par 17 forages. La confirmation est satisfaisante : 7 forages ont rencontré les vides tel que prévu, 2 les ont rencontrés à une profondeur supérieure à la profondeur d'investigation, 5 ont mis en évidence un réflecteur géologique comme prévu, 2 n'ont rencontré aucun réflecteur comme prévu et enfin pour 1 seul d'entre eux, le forage destructif n'a pas permis d'identifier le réflecteur attendu. Un début d'étude sur les traces et sur les spectres, en particulier les spectres glissants, semble ouvrir des voies prometteuses pour une interprétation des radargrammes, avec un nombre limité de forages ultérieurs. Le cinquième chapitre présente une synthèse des résultats et répond notamment aux questions posées par les directeurs du projet. Une carte de toutes les cavités détectées par l'ensemble des techniques est présentée. Il y en a près de 200. Aucune zone de la Médina n'est épargnée. En revanche, cette présence n'interdit pratiquement aucun projet d'aménagement ou d'urbanisme. A chaque usage d'un lieu, un traitement spécifique est proposé, dont le coût devrait rester faible par comparaison avec celui de la construction elle-même. Des propositions sont également faites concernant les réseaux, en bon accord avec des solutions de principe proposées précédemment par des bureaux d'étude compétents. En bref, les cavités passent du statut de danger inéluctable et imprévisible, à celui d'éléments apprivoisés de la vie de la médina.