Par le caractère hétérogène des sols présents en surface, le dimensionnement et la construction de fondations demandent une bonne connaissance du comportement mécanique du sol et de sa variabilité spatiale. Les essais in-situ constituent dans ce domaine des outils précieux et parmi eux, les plus couramment utilisés à travers le monde, les pénétromètres dynamiques représentent une part prépondérante. Toutefois, ils ne permettent d'obtenir que quelques informations sur le sol, plus particulièrement la résistance de pointe. Par ailleurs, la réduction importante en taille et en coût des capteurs et de l'instrumentation associée permet à l'heure actuelle de mesurer des phénomènes physiques ayant lieu dans des conditions de travail singulières, inconcevables il y a quelques années. C'est dans cette esprit qu'a été développé ce travail à partir de l'essai de pénétration dynamique Panda. L'objectif de ce travail étant de concevoir et de développer de manière simple et économique un pénétromètre dynamique équipé de différents capteurs permettant d'une part d'obtenir la résistance de pointe et d'autre part de déterminer des paramètres supplémentaires gouvernant le comportement en déformation du sol mis en jeu pendant l'enfoncement du cône. Pour ce faire nous avons retenu une méthodologie de travail pluridisciplinaire : analytique, expérimentale et numérique MED.

Dans la pratique actuelle du génie géotechnique, les essais de pénétration tels que les CPT, SPT, Panda sont largement utilisés pour caractériser mécaniquement les sols, au travers notamment d’une caractéristique de rupture appelée résistance de pointe. Par ailleurs, les dernières évolutions technologiques apportées aux essais de pénétration dynamique (Panda 3) permettent d’obtenir pendant chaque impact une courbe charge–enfoncement donnant la charge en pointe en fonction de l’enfoncement à partir de la mesure et du découplage des ondes générées durant l’essai. L’exploitation de cette nouvelle courbe fournit des informations non seulement sur la résistance de pointe dynamique mais également sur des paramètres mécaniques complémentaires mis en jeu pendant l’enfoncement de la pointe. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle numérique en 2D capable de reproduire les signaux pénétrométriques obtenus expérimentalement par essais de type statique ou dynamique. Ce modèle est basé sur la méthode des éléments discrets avec une loi de contact linéaire simple. Une fois le modèle validé, une étude paramétrique a été réalisée en jouant essentiellement sur les modes d’application de la sollicitation (vitesse d’impact ou de pénétration), la granulométrie du matériau ainsi que l’arrangement granulaire (variation de la densité). Outre l’influence de ces paramètres sur les signaux pénétrométriques et la résistance de pointe mesurée, une attention particulière est portée sur l’analyse micromécanique : dissipation d’énergie dans le milieu, évolution des chaines de force, orientations des contacts. Cette analyse nécessite de développer des outils numériques spécifiques afin de mieux comprendre le mécanisme de l’enfoncement et tenter d’expliquer la réponse mécanique macroscopique obtenue. L’effet de la vitesse n’influence significativement que sur les essais de pénétration statiques et dynamiques en régime d’écoulement dense. A vitesse d’enfoncement comparable, il n’y a aucune différence significative au niveau microscopique entre les deux modes de sollicitation statique et dynamique. En ce qui concerne l’influence des caractéristiques du matériau, les résultats obtenus par le modèle numérique conforment aux celui réel lors que le frottement entre particules ou la compacité du milieu varie. Concernant la granulométrie, la variation de la courbe charge-enfoncement et la force de pointe dynamique augmente lorsque le diamètre moyen augmente. / In the field of in situ mechanical characterization of soils, penetration tests are commonly used. Penetration tests measure the properties of soils in the domain of large deformations. The tip resistances, deduced from pile driving theory, can be measured either in dynamic conditions (q d ) either in static conditions (q c ). Recently, the measurement technique in dynamic conditions has been improved and it is now possible to record the whole response of the soil during one impact in terms of tip force and penetration distance. The exploitation of this new curve provides information not only on dynamic tip resistance but also on additional mechanical parameters involved during the driving of the tip. The objective of this work is to develop a numerical model in 2D able to reproduce the penetrometric record obtained experimentally by static or dynamic penetration tests. This model is based on the discrete element method with a simple linear contact model. After the validation of the model, a parametric study was performed essentially on the loading type (static or dynamic), the penetration rate, the particle size of the granular material and the arrangement (density variation). Besides the influence of these parameters on the penetrometer signals and the tip resistance, a particular attention was focused on micromechanical analysis: energy dissipation in the medium, force chain evolution, contact orientation. This analysis requires the development of specific numerical tools to better understand the penetration mechanism and try to explain the macroscopic mechanical response obtained. The penetration rate influences significantly only in the dense flow regime on the static and dynamic penetration tests. There is no significant microscopic difference between static and dynamic penetration tests with similar penetration rates. Regarding the influence of the characteristics of the material, the numerical results obtained conform to the real results when the particle friction or the compactness of the medium varies. Concerning the particle size, the dynamic signal variation and the dynamic tip force increases when the average particle diameter increases.

Ce travail présente les développements récents réalisés sur le pénétromètre PANDA 3. Il s'agit d'un pénétromètre dynamique instrumenté qui permet à partir de la mesure puis du découplage des ondes créées par l’impact sur l’appareil, d’obtenir pour chaque coup une courbe charge-enfoncement σp-sp du sol ausculté. L’exploitation de cette courbe permet de déterminer des paramètres de résistance (résistance de pointe qd), de déformation (module dynamique Ed P3), des caractéristiques d’amortissement Js et de célérité d'ondes (CsP3 et CpP3) des sols auscultés en fonction de la profondeur tout au long du sondage. Cependant, et bien que la méthode soit très intéressante, celle-ci est restée au stade d’un prototype de laboratoire. Il est donc nécessaire de réaliser une étude plus approfondie sur l'essai lui-même et sur l’information contenue dans la courbe σp-sp en vue de fiabiliser la mesure et d’améliorer son exploitation. Dans un premier temps, nous présentons un bref aperçu sur les techniques de reconnaissance géotechnique et plus particulièrement celle des essais de pénétration dynamique. Le principe général du PANDA 3 est également présenté. La deuxième partie est consacrée au développement d'un nouveau prototype de pénétromètre PANDA 3. Ce développement s’appuie sur plusieurs études visant à valider la qualité des informations recueillies, leur bonne reproductibilité et le traitement des signaux d’acquisition. De même, un modèle numérique discret du battage pénétrométrique développé à l’aide du logiciel Particle Flow Code (Itasca) est présenté permettant de valider la technique de mesure. La troisième partie traite d'une étude comparative des résultats obtenus avec le PANDA 3 et d’autres techniques d'auscultation in situ afin de valider les résultats obtenus et l’utilisation de l’appareil dans des conditions réelles. Par ailleurs l’extension de cette technique de mesure au cas des pénétromètres lourds est appliquée dans le but de mesurer l'énergie transmise et d’étalonner le système de battage. Enfin, la dernière partie est consacrée à l'interprétation et l'exploitation des signaux en pointe afin d'affiner le modèle d'interprétation de la courbe charge-enfoncement. L'analyse de l'ensemble des signaux enregistrés au laboratoire a permis d’approcher une méthodologie d'exploitation de la courbe. L'application de la méthode proposée a été réalisée pour différents sols aussi bien au laboratoire que sur le terrain. Les résultats obtenus ont été confrontés avec d'autres types d’essais. / This work presents the recent developments made on the penetrometer PANDA®3. The instrumented dynamic penetrometer allowing, from the measurement and the decoupling of waves created by the impact, to obtain the load-penetration curve σp-sp of the soil. The exploitation of this curve allows determining the failure parameter (tip resistance qd), deformation (dynamic modulus EdP3), damping characteristics (Js) and wave speed (CsP3 and CpP3) of the investigated soil according to depth all along the sounding. However, although the proposed method is very interesting, it has remained at the stage of a laboratory prototype. It is therefore necessary to conduct a more thorough study of the test itself and the information provided from the σp-sp curve in order to obtain reliable measurement and improve their exploitation. First of all, we are presenting a brief overview of the geotechnical in-situ testing particularly that of the dynamic penetration tests as well as the general principle of PANDA 3 is presented. The second part is devoted to the development of a new prototype of the PANDA 3 penetrometer. This development is based on several studies aiming at validating the quality of the information, good reproducibility and treatment of the acquisition signals. Similarly, a discrete numerical model of the penetrometer developed using the Particle Flow Code software (Itasca) is presented to validate the measurement technique. The third part deals with a comparative study of the results obtained with the PANDA 3 and other in situ investigation techniques to validate the obtained results and the use of the device in real conditions. Moreover, the extension of this measurement technique in the case of heavy penetrometer is applied in order to measure the transmitted energy and to calibrate the driving system. The last part is devoted to refining the interpretation and exploitation of the load-penetration curve. The analysis of all the signals recorded in the laboratory allowed to approach a methodology of curve exploitation. The application of the proposed method was carried out for different soils both in the laboratory and on field. The results were confronted with other types of tests.