La présence de cavités souterraines génère un risque pour les populations et a un impact sur le futur usage des terrains sous-cavés. En combinant observations in situ et analyse des matériaux en laboratoire, cette étude propose de cerner les processus responsables de la dégradation des vides souterrains, sur l’exemple des carrières souterraines de craie autour de Lille.De nombreux désordres (remontées de voûte, ruptures de piliers, effondrements des blocs rocheux) ont été observés lors de la visite de 10 carrières. L’analyse structurale de la craie montre la présence de nombreuses fracturations notamment les diaclases qui se présentent parfois sous forme des couloirs fracturés. L’état de la stabilité des carrières observé sur le terrain a été confirmé par le traitement des données des cannes de convergences entre le ciel et le mur de plusieurs carrières souterraines. Les résultats de ces analyses ont montré que la vitesse des déformations des épontes est d’une manière générale très faible. Le recensement des incidents sur une vingtaine d’années a montré une corrélation entre les épisodes de fortes pluies et les désordres en surface. Les processus d'altération de la craie in situ et les interactions avec l'eau se traduisent par la formation de patines différentes en surface de la craie. Les observations microscopiques ont révélé des modifications des caractéristiques de la surface de la craie, notamment des phénomènes de précipitation de calcite, le dépôt d’oxy-hydroxydes de fer et la modification de la porosité. / The presence of underground cavities creates a potential hazard for population and has a direct impact on land values. Combining observations and analyses of materials in laboratory, the present research work focuses on the phenomena of underground cavity degradation on site and in laboratory, on the example of the Lille Metropole chalk underground quarries. Many disorders (collapse by roof rupture, breakdown of pillars, collapse of the rock blocks) were observed during 10 site visits. The structural analysis of the chalk shows the presence of many fractures, especially joints which sometimes concentrate along corridors. The steady state of quarries observed in the field has been confirmed by treatment of convergence canes data between the roof and floor of several underground quarries. Results show that deformation rate is generally very low. Identifying significant data on incidents over a twenty-year period shows a correlation between main rainfall patterns and surface disorders. On-site alteration processes of chalk and interactions with water show the formation of different patinas on chalk surface. In laboratory, microscopic observations reveal modifications in characteristics of the surface of chalk, mainly calcite precipitation, deposition of iron oxides and hydroxides and porosity modifications.

Le stockage de l’énergie constitue un enjeu majeur pour garantir la sécurité des réseaux électriques et favoriser le développement des énergies renouvelables. Véritable alternative aux stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), le stockage d’énergie par air comprimé (CAES pour Compressed Air Energy Storage) fait partie des technologies les plus intéressantes. Dans les systèmes classiques utilisés actuellement, l’énergie de compression est perdue et l'air est préchauffé lors de la détente. Il en résulte une émission de CO2 et un rendement faible de l’ordre de 50%. Le système AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) vise à pallier ces deux inconvénients en stockant la chaleur de compression dans un régénérateur thermique et en la restituant avant la détente dans la turbine. Compte tenu des fortes sollicitations thermiques, mécaniques et cycliques que subit cet ouvrage, la conception d'un revêtement capable d'assurer la stabilité, l'isolation et l'étanchéité constitue un enjeu principal du système. Ce point crucial constitue l'axe principal autour duquel s'articule cette thèse. Une campagne d'essais en laboratoire a été mise en oeuvre pour étudier les comportements thermique, hydraulique et mécanique de tous les matériaux impliqués dans un régénérateur souterrain creusé dans une roche cristalline. Pour l'air humide, dont le comportement thermodynamique est mal connu dans la gamme des fortes températures et des pressions envisagées, un nouveau modèle théorique a été développé. De la même façon, un modèle thermo-hydro-mécanique a été développé pour un milieu poreux déformable saturé traversé par un fluide compressible. L'intégration de ce modèle dans un logiciel de calcul de structures par éléments finis a permis d’examiner plusieurs configurations de revêtement et d'étudier l’effet des mécanismes de couplage sur le champ de température et sur la stabilité mécanique. Afin de valider les développements effectués et les solutions de revêtement proposées, un prototype d’un régénérateur à échelle réduite combinant pression et température a été construit dans le laboratoire LITEN du CEA à Grenoble. Les résultats des expériences et des modélisations effectuées ont mis en évidence l'importance du phénomène de convection dans les briques isolantes du revêtement et la nécessité d'assurer l'étanchéité du système avant l'isolation thermique. / Energy storage is a major challenge to ensure the safety of electrical networks and to promote the development of renewable energies. Veritable alternative to Pumped Storage Hydropower (PSH), the energy storage using compressed air (for CAES Compressed Air Energy Storage) is one of the most interesting technologies. In conventional systems currently in use, the compression energy is lost and the air is preheated during the expansion phase. This results in emission of CO2 and a low efficiency of about 50%. The AA-CAES (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage) aims to overcome these two drawbacks by storing the heat of compression in a thermal regenerator and restoring it before expansion in the turbine. Given the high thermal, mechanical and cyclic loading subject to the regenerator, the design of a lining capable of ensuring stability, insulation and sealing is a main issue of the system. This crucial point is the main axis around which this research is articulated. A laboratory testing campaign has been conducted to study the thermal, mechanical and hydraulic behavior of all materials involved in the underground regenerator excavated in a crystalline rock. For the humid air, whose thermodynamic behavior is not well studied within the range of the high foreseen temperatures and pressures, a new theoretical model was developed. In the same way, a thermo-hydro-mechanical model was developed for a deformable porous medium saturated with a compressible fluid. The implementation of this last model into a finite element numerical code was used to examine several lining configurations and to study the effect of coupling mechanisms on the temperature field and the mechanical stability. To validate the developments made and the proposed lining solutions, a prototype of a small scale regenerator combining temperature and pressure was built in the LITEN laboratory of CEA in Grenoble. The results of the conducted experiments and modeling revealed the importance of the convection phenomenon in the insulating bricks of the lining and the need to seal the system before thermal insulation.

Dans ce travail, les risques naturels considérés concernent des mouvements de terrains qui résultent de deux phénomènes principaux : retrait et gonflement des sols argileux et l'affaissement à grand rayon lié à la présence des cavités souterraines. Ceux-ci provoquent des tassements différentiels du sol qui génèrent des désordres sur les constructions environnantes : dégâts et fissuration des murs porteurs en maçonnerie, particulièrement aux angles du bâti. Ces dégradations structurales induisent des conséquences économiques importantes dans le cas des maisons individuelles ; elles résultent d'un manque de résistance des maçonneries, du peu de raideur de leur système de fondation et du peu d'efficacité de leur système de contreventement. Cette recherche a pour objectif d'analyser la vulnérabilité du bâti et de proposer des méthodes de renforcement pour les constructions existantes ainsi que des recommandations de dimensionnement pour les constructions. Ces questions nécessitent une connaissance approfondie du phénomène des mouvements des terrains et des modalités de transfert de ces actions à une structure. Pour y répondre, quatre étapes principales ont été effectuées : une étude bibliographique, une analyse de l'interaction sol-structure, un développement d'une justification d'endommagement et d'une méthode de renforcement ou de dimensionnement ainsi qu'une analyse probabiliste des risques. L'étude bibliographique avec des analyses fonctionnelles et statistiques, d'abord, propose un profil de la maison sensible à l'aléa naturel et des cas typiques des désordres sur la construction. Le développement des modélisations par éléments finis ensuite permet d'étudier les phénomènes d'interaction sol-structure. L'analyse de l'interaction sol - structure, au moyen de modélisations par éléments finis, permet d'obtenir des sollicitations dans la maçonnerie. D'abord, des modèles analytique et numérique simplifiés ont été développés pour modéliser des structures simples telles une semelle filante, un système de semelles d'une fondation filante ou un mur en maçonnerie sur un sol élastique de type Winkler ou Boussinesq. Ensuite, des modélisations de structures plus complexes avec tous les éléments du bâti ont été effectuées en développant un code aux éléments finis particulier qui a permis de calculer des bâtiments en maçonnerie sur un sol de type Pasternak. En vue de développer une justification d'endommagement ainsi qu'une méthode de renforcement et de dimensionnement adaptée pour risque «mouvement de terrains », les travaux de recherche focalisent sur la distribution des sollicitations obtenues par des modélisations et analysent les domaines de validité de la démarche proposée par les Eurocodes EC6 et EC8 pour les murs de contreventement en maçonnerie confinée (chainée) ou armée. L'analyse probabiliste des risques, couplant les modèles aux éléments finis développés avec la méthode des simulations de Monte-Carlo, a permis d'étudier la vulnérabilité des maisons individuelles selon les caractéristiques structurales représentatives du bâti existant, dans les régions les plus touchées par les mouvements de terrains. Les résultats de cette analyse ont été unifiés, au sein d'une méthodologie globale de l'évaluation de la vulnérabilité de structures, à l'usage, d'une part, des pouvoirs publics dans l'établissement de cartographies SIG des risques, et d'autre part de la capacité des procédés de renforcement à l'usage des industries / In the present work, the considered natural hazards concern to ground movements resulting from two main phenomena : shrinkage and swelling of clay soils and ground subsidence due to the presence of underground cavities. These phenomena cause differential ground settlements which generate disorders on the structures erected in their neighborhood : damage and cracking of masonry load-bearing walls, especially at the building corners. These structural degradations cause important economic consequences and losses in the case of dwelling houses. These damages result from a lack of masonry resistance or a small stiffness of the foundation system as well as a limited effectiveness of bracing system.This research aims to analyze the vulnerability of buildings and to propose a reinforcement method for the existing constructions as well as design recommendations for structures. These topics require a thorough understanding of the ground movements phenomenon and their transfer as actions on a structure. For this purpose, four main steps were performed : a literature review, an analysis of soil-structure interaction, a development of a damage justification and a method for reinforcement or design, as well as a probabilistic analysis of risk.The literature review with functional and statistical analysis, as a first step, provides a profile of the house susceptible to natural hazard effects and typical cases of building disturbances. The development of finite element method is therefore considered in order to study soil-structure interaction.The analysis of the soil-structure interaction using finite element modeling provides stresses in the masonry. First, simplified analytical and numerical models have been developed for simple structures such as a strip footing, a system of strips foundation or a masonry wall lying on elastic soil (Winkler or Boussinesq). Afterwards, modeling of more complex structures with the whole building elements was made by developing a particular finite element code that allowed the calculation of masonry buildings on a Pasternak soil. To develop a damage justification as well as the reinforcement and design building methods suitable for risk of “ground movements”, this work focuses on the stresses distribution obtained by numerical models and analyzes the validity domain of the approach proposed by Eurocodes EC6 and EC8 for confined masonry or reinforced masonry. By coupling the developed finite element models with the Monte-Carlo method, the probabilistic analysis of risk allows to study the vulnerability of dwelling houses having representative structural characteristics of existing buildings, erected in areas that are the most affected by ground movements. The results of this analysis have been unified into a global methodology for assessing the vulnerability of structures. This methodology is used, in one hand, for the development of GIS mapping of risks and, in other hand, for the reinforcement processes

Cette recherche doctorale porte sur la modélisation 3D de la dynamique des teneurs en eau dans le sol et le soussol lorsque les écoulements sont à saturation variable. La modélisation est basée sur une version généralisée de la loi de Darcy-Buckingham et de l’équation de Richards multidimensionnelle. Les recherches présentées dans cette thèse concernent différents volets, présentés ci-dessous, dont le fil conducteur est l’analyse de phénomènes d’écoulements en milieux poreux, contenant de fortes hétérogénéités et/ou perturbés par des fluctuations temporelles. Dans le cadre d’un partenariat de recherche entre l’IMFT et l'IRSN sur la problématique du stockage souterrain de déchets radioactifs, nous avons modélisé en 3D la dynamique du front de désaturation d’une couche argileuse autour d’une galerie souterraine ventilée, à l’aide du code volumes finis BIGFLOW 3D. Ce travail a permis de mettre au point une approche d’immersion pour la modélisation des écoulements en milieux composites. Un autre volet de cette thèse concerne une étude analytique et numérique des profils verticaux de succion et de teneur en eau lors d’une infiltration verticale, non-saturante, dans un sol hétérogène finement stratifié. Des solutions analytiques exactes et approchées sont obtenues en régime permanent, à l’aide de transformations de variables, et sont comparées avec des solutions numériques pour différents degrés d’hétérogénéité. De même, les phénomènes de « barrière capillaire » sont étudiés d’une part analytiquement et d’autre part, par expérimentations numériques transitoires d’infiltration sur des systèmes bicouches, en présence d’une nappe plus ou moins profonde. D’autre part, les écoulements nonsaturés sont étudiés, cette fois, en présence d’un forçage transitoire fortement oscillatoire, dans une colonne de sable fin homogène, sous l’effet de fluctuations périodiques du niveau de la surface libre. Une méthode multi-front mise au point lors d’une thèse précédente à l’IMFT est validée numériquement en montrant que cette méthode simule efficacement la dynamique oscillatoire des flux et des profils de pression avec un nombre limité de « fronts ». De plus, nous avons analysé la phénoménologie capillaire/gravitaire des écoulements oscillatoires dans la colonne grâce à un suivi dynamique du plan de flux nul. Enfin, nous présentons, comme extension aux travaux précédents, une étude préliminaire des phénomènes 3D d’infiltration et de redistribution d’eau, notamment lorsque l’hétérogénéité du sol est de type aléatoire. Les premiers essais d’infiltration permettent de tester, en réplique unique, des méthodes de prises de moyennes spatiales des champs de succion et teneur en eau et évaluer la taille minimum du domaine de calcul 3D permettant d’obtenir des profils verticaux moyens représentatifs de l’infiltration dans une réplique unique du sol aléatoire. / This doctoral research, defended at the Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse, is devoted to modeling water pressure and water content in soils and in subsurface geologic formations, in the case of variably saturated flow. One of the main scientific objectives of this work is to analyze the response of unsaturated flow systems, and particularly capillary and gravitational effects, in the presence of material heterogeneities, discontinuities, and/or space-time fluctuations. Modeling is based on a generalized version of Darcy- Buckingham’s law, and of Richards’ flow equation. Overall, the topics developed in this PhD thesis focus on several related aspects of variably saturated water flow in the subsurface. These aspects all occur at once in most applications (drying/wetting,heterogeneity, temporal forcing), but they are "decoupled" here for convenience. A preliminary research (collaborative project IMFT / IRSN) was developed to study the 2D/3D drying process at the porous wall of a deep cylindrical excavation in response to hydrometeorological signals. This project has motivated the design and testing of a novel approach to include cavities in the modeling domain. A detailed study of steady state infiltration was developed for the case of finely stratified soils, with parameters that vary continuously and cyclically with depth. Exact and approximate analytical solutions are calculated based on variable transformation methods and on perturbation type approximations, and they are tested numerically using a finite volume code (BIGFLOW 3D). The sensitivity of suction fluctuations vs. stratification wavelength is investigated, as well as the effect of the degree of heterogeneity, and of water table depth. Capillary barrier effects are studied for the case of unsaturated infiltration in multilayer soil systems characterized by a discontinuity of soil properties at interfaces. Numerical experiments are developed for transient infiltration towards a water table through a two-layer system, the goal being to analyze possible capillary barrier effects under various scenarios. On the other hand, we study numerically the case of a partially saturated / unsaturated soil column submitted to highly variable oscillatory pressure at the bottom of the column: this leads to vertical flow oscillations in the unsaturated zone above the water table influenced by tides (coastal beach sand). We analyze the dynamics of this oscillatory flow, where capillary and gravitational effects compete; for this purpose we use a novel method that tracks the positions of the zero flux plane in the unsaturated column. Finally, we also present, as an extension to the previous studies, a preliminary investigation of multidimensional infiltration/redistribution phenomena, particularly for the case of fully 3D random-type soil heterogeneity. The first numerical experiments of 3D infiltration are undertaken based on the single realization approach to soil heterogeneity, and assuming a uniform distribution of wetting at soil surface.