ALa terre crue est l’un des principaux matériaux de construction utilisés depuis les temps les plus reculés. C’est un matériau abondant, qui nécessite très peu d'énergie pour sa fabrication et qui ne génère pas de déchets. Construire aujourd’hui avec des matériaux à base de terre crue nécessite de ces derniers des performances mécaniques remarquables. Pour atteindre ces performances, le traitement des sols aux liants est l’une des techniques utilisées pour améliorer la résistance mécanique et la durabilité de ces matériaux. On s’intéresse dans cette thèse à l’étude de la terre crue traitée aux liants pour deux applications différentes : un remblai expérimental pour une application en travaux publics (conception innovante de digue par l’utilisation de matériaux obtenus via un traitement à la chaux) et un béton de terre dénommé « Cématerre » pour une application en bâtiment (éléments structuraux et cloisons présentant de bonnes performances hygro-thermiques). Dans les deux cas, le but est de caractériser, et éventuellement d’améliorer, la résistance mécanique, la rigidité, les caractéristiques hydriques et hydrauliques, ainsi que les propriétés hygro-thermiques. Concernant le béton de terre « Cématerre », les études préliminaires menées selon un protocole expérimental établi conformément au cahier des charges du CSTB, ont permis sa qualification, matérialisée par l’obtention d’une ATEx A. La phase suivante a consisté à améliorer sa formulation avec comme objectif l’amélioration de la résistance mécanique du matériau. Les plans d’expériences utilisés ont permis d’établir des modèles de formulations ciblant les résistances mécaniques recherchées. L’étude du comportement hygro-thermique du béton de terre est abordé en analysant les transferts couplés de chaleur et d’humidité. Pour cela un certain nombre de paramètres hygro-thermiques du matériau Cématerre ont été déterminés au laboratoire. La mesure de ces paramètres a permis la réalisation de simulations hygro-thermiques dynamiques qui ont mis en évidence l’intérêt de ce matériau par rapport au béton « classique ». Concernant le limon traité à la chaux et compacté, les résultats ont montré que le module en petites déformations E augmente avec la contrainte de confinement et l’âge du matériau et décroit légèrement avec le niveau de déformation dans le domaine des contraintes testées. Une loi de type E = ßo1m décrit la variation du module, β et m étant des paramètres fonctions de l’âge et du niveau du déviateur. Par ailleurs, les coefficients de perméabilité saturée et non saturée n’évoluent pas avec le temps de cure. Le fluage volumique ne semble pas non plus être influencé par le temps de cure, autrement dit, l’augmentation de la rigidité du matériau liée au développement des réactions pouzollaniques n’a pas empêché le matériau de fluer autant à 28 jours qu’après un an de temps de cure. / AEarthen construction is one of the most common construction technique used since the earliest times. The raw material is abundant, requires very little energy to manufacture, and does not generate waste. Building today with raw materials made from the earth requires outstanding mechanical performance from such non-fired materials. To achieve this performance, the treatment of the soil with binders is one of the techniques used to improve the strength and durability of these materials. The aim of the present PhD dissertation is to study the treated soils with binders for two different applications: an experimental compacted embankment for application in public works ( a dam innovative design, through the use of materials obtained by treatment with lime ) and earthen concrete called " Cematerre " for application in building ( walls and structural elements with good hygrothermal performance). In both cases, the goal is to characterize and possibly improve the mechanical strength, stiffness, hydric and hydraulic characteristics and the hygrothermal properties. For the earthen concrete " Cematerre ", the preliminary studies according to an experimental protocol under CSTB specifications have led to the so-called “ATEx A” official qualification. The next phase was to improve the formulation with the aim of improving the mechanical strength of the material. The design of experiments has been used to establish models formulations targeting the sought strength. The study of hygrothermal behavior of earthen concrete is addressed by analyzing the coupled transfer phenomenon of heat and moisture. Hygrothermal parameters were determined in the laboratory. The measurement of these parameters has allowed the realization of dynamic thermal simulations that have highlighted the benefit of this material when compared with standard concrete. For silt treated with lime and compacted, the results showed that the small strain modulus E increases with the confining stress and the curing time and decreases slightly with the strain level in the range of stress tested. A power law E = ßo1m describes the variation of the modulus, β and m are functions of the curing time and the strain level. Moreover, the coefficients of saturated and unsaturated permeability do not change with the curing time. The volumetric creep does not appear to be influenced by the curing time, i.e. , the increase in stiffness due to the development of pozzolanic reactions did not prevent the material from creeping as much after 28 days as after a year of curing time.

Le comportement hydro-mécanique des roches argileuses indurées étudiées par l'ANDRA, pour la faisabilité de l'enfouissement des déchets radioactifs, est identifié expérimentalement à différentes échelles complémentaires dans le but de fournir des éléments pour l'élaboration future de modèles micromécaniques. La localisation spatiale et temporelle des déformations et de l'endommagement est analysée par des mesures de champs (corrélation d'images numériques) et par l'enregistrement d'émissions acoustiques. Les évolutions de la roche au cours des succions sont revisitées de par les apports des observations de la microstructure et des mesures locales de déformations associées aux évolutions de masse. Aux faibles humidités, la perte d'eau induit de la contraction avec refermeture des fissures existantes. Pour les fortes humidités, du gonflement est associé à de la prise d'eau. L'ouverture des fissures existantes et la création d'un nouveau réseau de fissures (de taille millimétrique et d'ouverture de la dizaine de micromètres) contribuent au gonflement apparent observé. Les caractéristiques mécaniques apparaissent dépendantes de la microstructure initiale de la roche (argilosité) et de la microstructure induite par les transferts hydriques (fissuration hydrique). Les états secs présentent des déformations réparties de façon homogène à l'échelle macroscopique et en lien avec la nature hétérogène des phases minérales à l'échelle locale. A cette échelle, la déformabilité est maximale pour les zones à prédominance argileuse. Pour les états humides, aussi bien globalement que localement, la distribution des déformations est hétérogène, dictée à la fois par la microstructure composite de la roche et par la présence du réseau de fissures hydriques.

Ce travail est consacré à la modélisation du comportement hydro-mécanique de milieux poreux linéaires et non linéaires par approche micromécanique. Les modèles développés sont illustrés par une application en géomécanique avec la simulation du comportement d'argiles compactées.<br />La modélisation proposée s'appuie sur une approche itérative d'homogénéisation couplée aux schémas prédictifs linéaires des modules effectifs. Le comportement d'un milieu linéaire est tout d'abord obtenu par homogénéisations successives de milieux poreux intermédiaires formés par ajouts progressifs de faibles porosités. A convergence, le processus itératif conduit à un même comportement équivalent du milieu poreux quelque soit la méthode d'homogénéisation utilisée à chaque étape et quelque soit le taux de porosité du milieu. Ce résultat permet d'unifier les prédictions des schémas linéaires explicites de la littérature qui concordent habituellement seulement pour des faibles porosités. <br />Cette approche itérative d'homogénéisation est ensuite étendue à la prédiction du comportement non linéaire de milieux poreux en procédant à des linéarisations sécantes du comportement des squelettes. Les schémas prédictifs linéaires sont exploités pour homogénéiser le milieu poreux ainsi linéarisé par itérations successives. Le couplage du processus itératif conduit, comme en linéaire, à la construction d'une même réponse non linéaire homogénéisée quelque soit le taux de porosité et le schéma prédictif utilisé. Les performances du processus itératif d'homogénéisation sont illustrées à travers différents tests en élasticité linéaire, non linéaire et élastoplasticité. Des validations par confrontation à des modèles de la littérature sont menées. L'approche micromécanique itérative est également exploitée pour construire des surfaces d'écoulement plastique de milieux poreux.<br /> Enfin, la modélisation est appliquée à la simulation de comportement de milieux argileux compactés qui avaient fait l'objet d'une étude expérimentale détaillée aux deux échelles. Sous chargement de compaction oedométrique, les argiles présentent un comportement élastoplastique et lors de la décharge, le comportement observé est élastique. Des identifications des propriétés élastiques et élastoplastiques des squelettes sont tout d'abord effectuées par homogénéisation inverse. Puis, le comportement macroscopique des argiles est simulé par les approches itératives d'homogénéisation. Un enrichissement des modèles par l'actualisation de la porosité au cours du chargement permet de reproduire de fa»con satisfaisante le comportement expérimental.

La présente étude vise à comprendre le comportement chimico-hydro-mécanique des argiles raides à travers deux formations géologiques, l'argile de Boom et les argiles yprésiennes, qui sont censées être des formations hôtes potentielles pour le stockage de déchets radioactifs en Belgique. Le comportement volumique a été étudié tant à l'état intact qu'à l'état reconstitué, et sous différentes conditions : K0 et isotrope, sous des boucles de chargement - déchargement. Les résultats obtenus montrent que le comportement volumique de ces argiles est gouverné par la compétition entre l'effet physico-chimique et l'effet mécanique, caractérisée par une contrainte seuil qui correspond à la contrainte de gonflement en termes de changements de structure. Une loi de comportement volumique a été ainsi développée afin de décrire cet aspect. La perméabilité a été déterminée, comparée avec les résultats dans la littérature et corrélée avec les paramètres comme l'indice des vides. La variation de la perméabilité avec la profondeur ont mis en évidence le rôle déterminant des macro-pores dans le transfert des fluides. Le comportement volumique et la perméabilité des argiles de Boom et yprésiennes intactes sont aussi influencés par la variation de la composition chimique de l'eau de pore, qui modifie la double couche diffuse et favorise l'agrégation des particules argileuses. Les caractéristiques élastiques, la surface de charge et l'enveloppe de rupture ont été identifiées pour le comportement déviatorique des argiles de Boom et yprésiennes. Un modèle élasto-plastique conceptuel a été développé permettant de tenir compte des effets du gonflement et de la compétition entre l'effet mécanique et l'effet physico-chimique

La présente étude vise à comprendre le comportement chimico-hydro-mécanique des argiles raides à travers deux formations géologiques, l'argile de Boom et les argiles yprésiennes, qui sont censées être des formations hôtes potentielles pour le stockage de déchets radioactifs en Belgique. Le comportement volumique a été étudié tant à l'état intact qu'à l'état reconstitué, et sous différentes conditions : K0 et isotrope, sous des boucles de chargement - déchargement. Les résultats obtenus montrent que le comportement volumique de ces argiles est gouverné par la compétition entre l'effet physico-chimique et l'effet mécanique, caractérisée par une contrainte seuil qui correspond à la contrainte de gonflement en termes de changements de structure. Une loi de comportement volumique a été ainsi développée afin de décrire cet aspect. La perméabilité a été déterminée, comparée avec les résultats dans la littérature et corrélée avec les paramètres comme l'indice des vides. La variation de la perméabilité avec la profondeur ont mis en évidence le rôle déterminant des macro-pores dans le transfert des fluides. Le comportement volumique et la perméabilité des argiles de Boom et yprésiennes intactes sont aussi influencés par la variation de la composition chimique de l'eau de pore, qui modifie la double couche diffuse et favorise l'agrégation des particules argileuses. Les caractéristiques élastiques, la surface de charge et l'enveloppe de rupture ont été identifiées pour le comportement déviatorique des argiles de Boom et yprésiennes. Un modèle élasto-plastique conceptuel a été développé permettant de tenir compte des effets du gonflement et de la compétition entre l'effet mécanique et l'effet physico-chimique / The present research aims to understand the chemo-hydro-mechanical behavior of stiff clays through two geological formations, the Boom Clay and the ypresian clays which are considered as possible host formations for the radioactive wastes disposal in Belgium. The volume change behavior was studied in both intact and reconstituted states, and under different conditions: under K0 and isotropic loading, under loading/unloading loops. The results show that the volume change behavior is governed by the competition between the physico-chemical effect and the mechanical effect, characterized by a threshold stress which corresponds to the swelling stress in terms of structure changes. A constitutive law was developed to capture this aspect. The permeability was determined, compared with the results in literature and correlated with the parameters as void ratio. The permeability variation with depth shows the important role of macro-pores in fluids' transfer. The volume change behavior and permeability of intact Boom Clay and ypresian clays are also influenced by pore water chemical composition changes which modify the diffuse double layer and give rise to the aggregation of clay particles. The elastic parameters, yield curve and failure envelope of Boom Clay and ypresian clays were identified. A conceptual elasto-plastic model was developed, accounting for the swelling effects and the competition between the physico-chemical effect and the mechanical effect

Dans les concepts actuels de stockage des déchets radioactifs en formations géologiques, le conteneur métallique emballant les colis se retrouvera en contact d'un milieu argileux totalement ou partiellement saturé. Après consommation totale de l'oxygène piégée, la corrosion du conteneur entame une phase anoxique en produisant de l'hydrogène. Dans la logique d'une évaluation des performances du stockage, deux problématiques essentielles sont abordées par la présente étude: la prédiction de la cinétique de corrosion anoxique à long terme en fonction de l'état hydrique de l'argile de voisinage et l'évaluation du risque d'endommagement hydro-mécanique de l'argile lié à la production d'hydrogène. Les mécanismes qui contrôlent la cinétique de la corrosion se limitent à la croissance de la couche d'oxyde et au transport à travers la porosité de ce film. Une description macroscopique de ces mécanismes couplée avec une loi d'interface a permis de proposer un modèle mécanistique de la corrosion anoxique dans un milieu poreux non saturé. Cette démarche est validée à partir des essais réalisés dans des argiles saturées sur une durée décennale. La validation est ensuite étendue vers les argiles partiellement saturées à partir des essais réalisés en laboratoire. Ces derniers ont confirmé la croissance de la vitesse de corrosion anoxique avec l'humidité relative comme dans le cas de la corrosion aérée ou atmosphérique. Concernant la problématique gaz, des simulations de l'essai oedométrique et triaxial MEGAS sont menées moyennant des choix ciblés sur les paramètres de transport dans l'argile. Une évaluation de l'impact de la corrosion est ensuite appliquée à un concept de stockage géologique. La maîtrise du terme source gaz a permis de minimiser le risque de surpressions gazeuses, de désaturation locale et des déformations mécaniques à long terme.

Ce mémoire présente l'étude expérimentale et la modélisation à l'échelle microscopique du comportement hydromécanique des argilites, roche hôte potentielle pour le stockage souterrain des déchets radioactifs. Le champ de déformation est mesuré par microscopie électronique à balayage environnementale et corrélation d'images numériques. En premier lieu, on étudie le cas du chargement hydrique pur. Le champ de déformation obtenu est très hétérogène, et montre une anisotropie. La non-linéarité de déformation pour HR élevée est le résultat combiné d'une fissuration et d'un gonflement non-linéaire de la phase argileuse dû à des mécanismes différents selon humidité relative (HR). On constate une déformation irréversible lors d'un cycle hydrique, ainsi qu'un réseau de microfissures localisées dans la phase argileuse ou aux interfaces grain-matrice. Ensuite, on étudie le cas du chargement combiné hydrique et mécanique dans le MEBE. Trois types de bandes de déformation apparaissent au cours du chargement mécanique : horizontales (compaction), verticales (fissuration), et inclinées (cisaillement). Les bandes de cisaillement apparaissent plus tôt à HR plus élevée. Finalement, le matériau sous chargement hydrique est modélisé comme un composite constitué par de inclusions non gonflantes au sein d'une matrice gonflante. On calcule d'abord le champ de contrainte interne dû aux interactions inclusion-matrice ainsi qu'au gradient d'humidité, et ensuite la déformation globale. On en dérive un modèle micromécanique du type du problème d'Eshelby. De plus, des modélisations 2D aux éléments finis sont effectuées.

Dans le cadre de la déposition géologique profonde des déchets radioactifs, l'argile de Boom est choisie comme une des formations hôtes potentielles dans le programme belge. Par sa formation géologique, cette argile est considérée comme un matériau isotrope transversal. En effet, l'anisotropie de ses propriétés hydraulique et thermique a été mise en évidence dans plusieurs études. Il apparait maintenant nécessaire de mener une étude complète sur son comportement anisotrope. Sur le plan expérimental, l'anisotropie des propriétés thermo-hydro-mécaniques de l'argile de Boom a été mise en évidence à l'aide des mesures de la conductivité thermique, de la conductivité hydraulique, et du module de cisaillement. Grâce à ces mesures sur des carottes fraichement forées, l'endommagement dû à l'excavation de la galerie a été identifié (dans la zone près de la galerie « Connecting » à Mol, Belgique) et modélisé par un modèle empirique dont la variable d'endommagement est basée sur le volume des macro-pores. Ensuite, l'anisotropie du comportement en condition K0 a été étudiée en analysant le comportement de trois types d'éprouvettes différents (0°, 45° et 90° au plan du litage) pendant et après la re-saturation dans des cellules oedométriques et triaxiales à plusieurs états de contraintes différents. Enfin, le comportement anisotrope en condition triaxiale a été étudié en réalisant des essais triaxiaux sur trois types d'éprouvettes. Au cours de ces essais, les mesures des vitesses d'ondes Vs et Vp ont été également effectuées à l'aide des éléments piézoélectriques encastrés dans deux embases supérieure et inférieure d'une cellule triaxiale. Ces résultats ont permis de déterminer les paramètres de l'élasticité anisotrope. Sur le plan de modélisation, un modèle anisotrope avec huit paramètres anisotropes (cinq paramètres élastiques et trois paramètres plastiques) a été développé, en utilisant la théorie de Bohler (Boehler et Sawczuk, 1977). Ce modèle est basé sur un modèle élasto-plastique isotrope à deux surfaces de charge validé précédemment pour l'argile de Boom (Hong, 2013). La validation de ce modèle anisotrope a été réalisée grâce aux résultats expérimentaux des essais oedométriques et triaxiaux obtenus dans cette étude / In the program of deep geological radioactive waste disposal in Belgium, Boom Clay has been chosen as one of the potential host rocks. Due to the geological stratification, this stiff clay has been regarded as a transverse isotropic material. The anisotropy of its hydraulic and thermal properties was shown in several studies. It seems necessary now to conduct a more in-depth study on the anisotropic behaviour of Boom Clay. In terms of experimental works, the anisotropy of the thermo-hydro-mechanical properties of Boom Clay was evidenced using measurements of thermal conductivity, hydraulic conductivity and small-strain shear modulus. Through these measurements on freshly cored Boom Clay samples, the damage due to excavation of the gallery was identified (in the zone near the Connecting gallery at Mol, Belgium) and modelled using an empirical model in which the damage variable is based on the volume of macro-pores. Afterwards, the anisotropy behaviour under K0 condition was studied by analysing the behaviour of three types of specimens (0°, 45°, and 90° to the bedding plane) during and after the re-saturation in the triaxial and oedometer cells under different stress states. Finally, the anisotropic behaviour under triaxial condition was investigated through several triaxial tests on three types of specimens. During these tests, the velocity measurements of seismic waves Vs et Vp were performed thanks to the bender elements installed in the upper and bottom bases of a triaxial cell. These results were used to determine the parameters of anisotropic elasticity. In terms of modelling works, an anisotropic model with eight anisotropic parameters (fives elastic parameters and three plastic parameters) was developed using the theory of Boehler (Boehler et Sawczuk, 1977). This model is based on an elasto-plastic isotropic model with two yield surfaces elaborated previously for Boom Clay (Hong, 2013). The validation of this anisotropic model was made based on the results obtained from oedometer and triaxial tests performed in this study

Les tunnels profonds sont souvent construits dans les roches sédimentaires et métamorphiques stratifiées qui présentent habituellement des propriétés anisotropes en raison de leur structure et des propriétés des constituants. Le présent travail vise à étudier les tunnels profonds dans un massif rocheux anisotrope élastique en portant une attention particulière sur les effets des couplages hydromécaniques par des approches analytiques et numériques. Une solution analytique pour un tunnel creusé dans un massif rocheux anisotrope saturé est développée en tenant compte du couplage hydro-mécanique dans le régime permanent. Cette solution analytique est utilisée pour réaliser une série d’études paramétriques afin d'évaluer les effets des différents paramètres du matériau anisotrope sur le comportement du tunnel. Dans un deuxième temps la solution analytique est élargie pour décrire le comportement du tunnel pendant la phase transitoire hydraulique. Afin de compléter ces études analytiques qui prennent en compte seulement un couplage unilatéral (dans le sens que seul le comportement hydraulique influence le comportement mécanique et pas l’inverse) de l’analyse numérique avec un couplage complet, ont été réalisés. Une application de la solution analytique sur la méthode de convergence-confinement est aussi bien abordée qui peut prendre en compte l'influence du front de taille du tunnel sur le travail du soutènement ainsi que sur le massif. La solution obtenue peut servir comme un outil de dimensionnement rapide des tunnels en milieux poreux en le combinant avec des approches de dimensionnement comme celle de convergence confinement. / Deep tunnels are often built in the sedimentary and metamorphic foliated rocks which exhibits usually the anisotropic properties due to the presence of the discontinuity. The analysis of rock and liner stresses due to tunnel construction with the assumption of homogeneous and isotropic rock would be incorrect. The present thesis aims to deal with the deep tunnel in anisotropic rock with a particular emphasis on the effects of hydraulic phenomenon on the mechanical responses or reciprocal effects of hydraulic and mechanical phenomena by combining analytical and numerical approach. On that point of view, a closed-formed solution for tunnel excavated in saturated anisotropic ground is developed taking into account the hydromechanical coupling in steady-state. Based on the analytical solution obtained, parametric studies are conducted to evaluate the effects of different parameters of the anisotropic material on the tunnel behavior. The thesis considers also to extend the analytical solution with a time-dependent behavior which takes into account the impact of the pore pressure distribution on mechanical response over time, i.e., one way coupling modeling. In addition, some numerical analysis based on fully-coupled modeling, i.e., two ways coupling, are conducted which are considered as the complete solution for the analytical solution. An application of the closed-form solution on convergence-confinement method is as well referred which can take into account the influence of the tunnel face on the work of the support as well as the massif. The obtained solution could be used as a quick tool to calibrate tunnels in porous media by combining with design approaches such as convergence-confinement method.