Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d’optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d’exploitation, l’air ventilé dans les galeries n’est pas à l’équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d’essais au laboratoire. L’essai de séchage est retenu puisqu’il permet d’étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l’erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d’essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l’échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu’en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d’améliorer la précision de l’algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l’algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs. / The Callovo-Oxfordian claystones’ properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests.

Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée. / Multiphase granular materials occupy a very important place in our environment that are of great interest to many scientific communities, including those of soil mechanics or geotechnical engineering. The divided nature allows multiphase granular media to have a global mechanical behaviour which originates from all component phases, their distribution and interactions. Acoupled hydromechanical model is presented in this work for the application to microscopic modeling of coupled hydromechanical in saturated granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method (DEM) with a pore-scale finite volume (PFV) formulation of flow problem of an incompressible viscous fluid. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plasticrelations. Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. The emphasis of this model is, on one hand the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid, on the other hand, the model involves affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. Permeability measurements on bidispersed glass beads are reported and compared with model predictions and empirical formulas/semi-empirical in the literature, validating the definition of local conductivities and bringing out the role of particle size distribution and porosity. A numerical approach to analyze the fluid-solid mechanical interaction and mechanisms of internal erosion is finally presented.

Ce travail de recherche porte sur le comportement des milieux poreux (triphasiques), plus particulièrement les sols non saturés sous sollicitations hydro-mécaniques. Un modèle constitutif élastoplastique couplé est développé. Ce modèle original est formulé selon les principes suivants: une loi constitutive est développée pour décrire le comportement de chaque phase (squelette solide, liquide, et gaz). Ensuite, des relations de couplage sont ajoutées entre chacune des phases. Pour le comportement du squelette solide, une loi élastoplastique non associée est adoptée, avec deux surfaces de charges, en cisaillement et en compression. La partie hydrique est décrite par une formulation qui permet de prendre en compte l’effet d’hystérésis. Ce modèle a été enrichi par une relation de couplage hydromécanique qui permet d’exprimer la pression d’entrée d’air en fonction de la porosité. Ensuite, le couplage complet se fait avec la contrainte effective de Bishop en utilisant une nouvelle définition du paramètre de succion χ grâce à laquelle, les différents phénomènes présents dans la réponse des milieux poreux sous différentes sollicitations peuvent être reproduits. Ce modèle est validé par une confrontation à des données expérimentales issues de la littérature sur différents types de sol (sable, limon,…). Le modèle est implanté dans le code aux éléments finis Cast3M. L’analyse de problèmes particuliers, tels que la mise en œuvre d’un cas test d’un sol d’assise soumis à un cycle pluvial, ainsi que l’étude de la stabilité d’une pente, permette de montrer la capacité du modèle à reproduire le comportement des milieux poreux non saturés. / This work focuses on the behaviour of porous triphasic media, particularly on unsaturated soils subjected to hydromechanical loading. A coupled elastoplastic constitutive model has been developed. This original model is formulated according to the following principles: (1) a constitutive law describing the behaviour of different phases (solid skeleton, liquid and gas). (2) coupling relationships between each phase. For the behaviour of the solid skeleton, a non associated elastoplastic constitutive law is adopted, with two loading surfaces: shear surface and compression cap surface. The hydric part is discribed using a formulation which allows to take into account the hysteresis effect. This model has been extended using a hydromechanical coupling relation between the air entry value and the porosity. Then the coupling is completed with the Bishop effective stress, using a new definition for the suction parameter χ. Using this formulation, the various phenomena present in the porous media behaviour under different loading can be reproduced. The developed model has been validated through a comparison with experimental data on different types of soil (sand, silt,…). This model is implemented in the french finite element code Cast3M. The analysis of specific problems, such as (1) the study of shallow foundation subjected to cyclic rain event, as well as (2) the study of slope stability, show the model capacity to reproduce the behaviour of unsaturated porous media.

Ce travail de thèse a pour objet l’étude du comportement hydromécanique endommageable des géomateriaux non saturés. Plus précisément, cette recherche est appliquée à l’étude du comportement de galeries de stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde. Dans un premier temps, après avoir résumé les principaux traits du comportement hydromécanique des géomateriaux, en insistant sur l’effet de la succion et de l’endommagement mécanique, un nouveau modèle PPE-NS couplant les aspects hydromécaniques, de plasticité et d’endommagement isotrope est présenté. Etabli dans le cadre de la thermodynamique des milieux poreux, il est basé sur le concept de contrainte effective plastique et de la pression interstitielle équivalente. Supposant une distribution bimodale de tailles des pores pour les milieux poreux endommagés, l'effet d'endommagement sur le comportement hydraulique est modélisé au moyen des fonctions phénoménologiques. L’endommagement intervient donc aussi bien sur le comportement mécanique qu'hydraulique dans ce modèle. La prise en compte des contributions à l’énergie des interfaces venant à la fois de l'interaction mécanique entre les phases solide et fluide (via la pression équivalente) et du mécanisme physico-chimique de rétention d'eau (via la fonction de rétention d’eau) permet à ce modèle de décrire de façon pertinente le couplage bilatéral entre elles. Dans un deuxième temps, ce modèle rhéologique est appliqué au comportement de l’argillité du Callovo-Oxfordian, qui est potentiellement la roche hôte du stockage de déchets nucléaires en France, afin d’étudier les évolutions hydromécaniques d’une galerie type selon son cycle de vie simplifié. Tout d’abord, ce modèle est validé par des essais mécaniques et hydrauliques au laboratoire, en considérant des échantillons « homogènes ». Ensuite, l’approche analytique est utilisée pour constituer une solution exacte de référence de ce problème dans un cas limite d’une roche hôte poro-viscoplastique saturée. Cette solution permet de mieux comprendre l’effet du fluage sur le comportement de la galerie et aussi de tester la fiabilité d’autres solutions numériques complexes développées par la suite. Enfin, l’approche numérique des éléments finis est mise en œuvre afin d'implémenter le nouveau modèle PPE-NS dans un code de calcul initialement développé au LGCB (Laboratoire Génie Civil et Bâtiment). Sa validité est partiellement vérifiée en considérant le comportement « limite » en photoélasticité d'une galerie non revêtue ou des solutions quasi-analytiques ont été développées. Des études paramétriques dans le cas général d'un tunnel revêtu montrent la cohérence du modèle et mettent en lumière l’influence de la désaturation sur le comportement de la galerie. / This thesis aims to study the damageable hydromechanical behavior of unsaturated geomaterials. More precisely, the research is applied to study the behavior of underground galleries of radioactive waste disposals in deep geological formations. Firstly, after summarizing the main features of the hydro-mechanical behavior of geomaterials, emphasizing the effect of suction and damage, a new model PPE-N coupling hydromechanical interactions with plasticity and isotropic damage is presented. Established in the framework of thermodynamics of porous media, it is based on the concept of the so called plastic effective stress and equivalent pore pressure. Assuming a bimodal pore size distribution for cracked porous media and using the concept of bundle cylindrical capillaries, damage effects on hydraulic behaviour (water retention curve and hydraulic conductivity) is modelled using phenomenological functions. The accountance of the contributions to the interfacial energy from the mechanical internations between solid and fluid phases (via theequivalent pore pressure) as well as the physico-chemical mechanism of water retention (via the water retention function) enables this model to describe in apertinent manner bilateral couplings between them.Secondly, this constitutive model is applied to Callovo- Oxfordian argillite, which is the potential host rock for the French nuclear waste disposal, and then to study the evolution of the hydromechanical responses of an underground gallery according to its simplified life cycle. The model is first validated against a range of mechanical and hydraulic laboratory tests, considering "homogeneous" samples. The analytical approach is then used to provide an exact reference solution of this problem in the limiting case of a saturated poro-viscoplastic host rock. This solution allows to better understand the effect of creep on the behavior of the gallery and also to test the precision of other complex numerical solutions . Finally, the numerical approach using finite elemnts is used to implement the new model EPP-NS in a computer code originally developed in LGCB (Laboratoire Genie Civil et Batiment). Its validity is partly checked by examining the poroelastic behavior of an unlined tunnel where quasi-analytical solutions have been developed. Parametric studies in the generalcase of a lined tunnel demonstrate the consistency of the model and highlight the influence of desaturation on the behavior of the gallery.

Ce travail cherche à élaborer un cadre théorique unifié et cohérent, fondé sur les principes rigoureux de la thermodynamique et permettant de modéliser une classe étendue de phénomènes physiques intervenant au sein des milieux poreux non saturés, ainsi que leur interaction avec l'état mécanique des structures. Cette classe est celle des phénomènes réactifs, parmi lesquels le changement de phase de l'eau interstitielle (dessiccation), modélisé dans l'ensemble ses manifestations (fluage, mais surtout retrait) sera abordé comme exemple particulier d'application. Le premier chapitre rappelle les fondements de la description adoptée du milieu poreux, ainsi que le cadre thermodynamique qui sous-tend l'ensemble de la modélisation. Le chapitre II s'attache à la formulation -essentiellement nouvelle- et à l'identification d'une loi de comportement élastique non linéaire du milieu. Différents éléments de réflexion liés aux comportements microscopiques des constituants et à l'expérience, orientent le modèle vers certaines hypothèses fortes qui permettent la détermination complète et explicite de la loi de comportement macroscopique. Le chapitre III expose les différentes expériences à disposition pour l'identification de la loi de comportement, et permet d'intégrer ces expériences, en tant que caractéristiques comportementales, dans le modèle théorique. Chapitre IV et chapitre V sont des exemples d'application : le chapitre IV étudie le problème du retrait et du fluage de dessiccation en comportement couplé élastique linéaire ; le chapitre V se limite au cas du retrait de dessiccation, par application du modèle poroélastique non linéaire complet. Les résultats obtenus présentent une bonne adéquation avec l'expérience.

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.

Ce travail de recherche porte sur le comportement des milieux poreux (triphasiques), plus particulièrement les sols non saturés sous sollicitations hydro-mécaniques. Un modèle constitutif élastoplastique couplé est développé. Ce modèle original est formulé selon les principes suivants: une loi constitutive est développée pour décrire le comportement de chaque phase (squelette solide, liquide, et gaz). Ensuite, des relations de couplage sont ajoutées entre chacune des phases. Pour le comportement du squelette solide, une loi élastoplastique non associée est adoptée, avec deux surfaces de charges, en cisaillement et en compression. La partie hydrique est décrite par une formulation qui permet de prendre en compte l'effet d'hystérésis. Ce modèle a été enrichi par une relation de couplage hydromécanique qui permet d'exprimer la pression d'entrée d'air en fonction de la porosité. Ensuite, le couplage complet se fait avec la contrainte effective de Bishop en utilisant une nouvelle définition du paramètre de succion χ grâce à laquelle, les différents phénomènes présents dans la réponse des milieux poreux sous différentes sollicitations peuvent être reproduits. Ce modèle est validé par une confrontation à des données expérimentales issues de la littérature sur différents types de sol (sable, limon,...). Le modèle est implanté dans le code aux éléments finis Cast3M. L'analyse de problèmes particuliers, tels que la mise en œuvre d'un cas test d'un sol d'assise soumis à un cycle pluvial, ainsi que l'étude de la stabilité d'une pente, permettent de montrer la capacité du modèle à reproduire le comportement des milieux poreux non saturés.