Les sols argileux peuvent présenter des variations importantes de volume lors d’un changement hydrique, tel une période de sécheresse. Ce phénomène de retrait-gonflement des sols argileux est à l’origine de nombreux préjudices aux bâtis ce qui le situe, après les inondations, au second rang des aléas naturels français en matière de coût des dommages : 5 milliard d’euros entre 1988 et 2007. Les maisons individuelles sont les plus touchées par ce phénomène qui provoque un tassement différentiel du bâti à l’origine de sa dégradation (fissures dans les éléments de maçonnerie non armée en particulier). L’objectif de cette thèse est d’étudier la vulnérabilité des bâtis vis-à-vis de l’aléa retrait-gonflement à travers une analyse de l’interaction sol-structure. Ce travail s’est porté sur les trois grands volets suivants : 1 - le comportement hydromécanique des sols argileux, 2 - l’interaction sol-structure, 3 - l’évaluation des dommages structuraux. Le comportement hydromécanique des sols argileux a été modélisé par le concept de surface d’état et intégré dans un modèle d’interaction sol-structure inspiré du modèle de Winkler, avec des approches de plus en plus complexes : cas unidimensionnel tout d’abord, 2D ensuite en assimilant la structure à une poutre, puis en 3D en représentant la structure par une plaque. Ces modèles d’interaction sol-structure permettent de calculer la déflexion relative d’un bâti, en fonction d’une valeur de succion imposée et des propriétés mécaniques ou hydromécaniques de la structure et du sol d’assise. La déflexion relative du bâti est alors comparée à des valeurs seuils afin d’évaluer le dommage.La dernière partie de cette thèse consiste en une étude de faisabilité pour le développement de courbes de vulnérabilités adaptées à la problématique du retrait gonflement. Ces courbes représentent la moyenne des dommages d’un type de bâti conçu sur un type de sol gonflant pour une valeur de succion imposée. Ces courbes ont été développées à partir d’une typologie des sols gonflants et d’une typologie des bâtis issue des bases de données des maisons sinistrées. La moyenne des dommages est calculée par la méthode de Monte-Carlo, en prenant en compte la variabilité des paramètres du bâti. / Clayey soils can present large volumetric deformations in response of water content change. This phenomenon of shrinkage and swelling of clayey soils is recognized as a costly natural hazard throughout the world. In France, this cost is reported between 1988 and 2007 to 5 million Euros, ranking in second class of the French natural hazards in terms of cost of damage after the floods. The individual masonry buildings with shallow foundations are the most affected by this phenomenon that causes a differential settlement of the building leading to cracks in facades and structural elements, especially in unreinforced masonry elements.The objective of this thesis was to study the vulnerability of the building, against the shrink-swell hazard through an analysis of soil-structure interaction. This work was focused on three major points: - Hydro-mechanical behavior of clay soils - Soil-structure interaction - Evaluation of structural damage.The hydro-mechanical behavior of clay soils was considered by the concept of state surface and integrated into a soil-structure interaction model, based on the Winkler model, with increasingly complex approaches: 1D, 2D and 3D by modeling the building behavior respectively by a spring system, the beam element and the plate element. These models of soil-structure interaction are able to calculate the relative deflection of the building, according to the values of imposed suction, mechanical properties of the structure and hydro-mechanical properties of the soil. The relative deflection of the building is then compared to threshold values of the classical damage categories to assess the building damage.Finally a feasibility study was conducted on the development of vulnerability curves adapted to the problem of shrinkage – swelling of clayey soils. These curves represent the average of structural damage versus suction, for each type of building. These curves were developed based on a classification of expansive soils and a building typology outcome from databases of affected buildings. The average damage is calculated by the Monte-Carlo method, taking into account the variability of the building parameters.

Les sols argileux peuvent présenter des variations importantes de volume lors d'un changement hydrique, tel une période de sécheresse. Ce phénomène de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine de nombreux préjudices aux bâtis ce qui le situe, après les inondations, au second rang des aléas naturels français en matière de coût des dommages : 5 milliard d'euros entre 1988 et 2007. Les maisons individuelles sont les plus touchées par ce phénomène qui provoque un tassement différentiel du bâti à l'origine de sa dégradation (fissures dans les éléments de maçonnerie non armée en particulier). L'objectif de cette thèse est d'étudier la vulnérabilité des bâtis vis-à-vis de l'aléa retrait-gonflement à travers une analyse de l'interaction sol-structure. Ce travail s'est porté sur les trois grands volets suivants : le comportement hydromécanique des sols argileux, l'interaction sol-structure et l'évaluation des dommages structuraux. Le comportement hydromécanique des sols argileux a été modélisé par le concept de surface d'état et intégré dans un modèle d'interaction sol-structure inspiré du modèle de Winkler, avec des approches de plus en plus complexes : cas unidimensionnel tout d'abord, 2D ensuite en assimilant la structure à une poutre, puis en 3D en représentant la structure par une plaque. Ces modèles d'interaction sol-structure permettent de calculer la déflexion relative d'un bâti, en fonction d'une valeur de succion imposée et des propriétés mécaniques ou hydromécaniques de la structure et du sol d'assise. La déflexion relative du bâti est alors comparée à des valeurs seuils afin d'évaluer le dommage. La dernière partie de cette thèse consiste en une étude de faisabilité pour le développement de courbes de vulnérabilités adaptées à la problématique du retrait gonflement. Ces courbes représentent la moyenne des dommages d'un type de bâti conçu sur un type de sol gonflant pour une valeur de succion imposée. Ces courbes ont été développées à partir d'une typologie des sols gonflants et d'une typologie des bâtis issue des bases de données des maisons sinistrées. La moyenne des dommages est calculée par la méthode de Monte-Carlo, en prenant en compte la variabilité des paramètres du bâti.

La zone sahélienne a connu une baisse des précipitations et d’importants changements d'utilisation des terres ces dernières décennies qui ont conduit à une forte régression du couvert ligneux. Pourtant, Guiera senegalesis J.F. Gmel est une Combretaceae semi-sempervirente, dont la dominance s'est accrue avec la pression agricole dans la bande soudano-sahélienne où elle joue un rôle socio-économique et agroforestier important. Elle constitue donc un bon modèle pour étudier les réponses hydriques du couvert ligneux actuel à la sécheresse et les modifications de ces réponses sous l'effet de la coupe.Les objectifs de ce travail de thèse étaient : 1) de caractériser et quantifier les processus de régulation hydrique chez G. senegalensis et de déterminer ses limites fonctionnelles, afin d’estimer sa marge de sécurité dans ses conditions actuelles de croissance, 2) d’estimer l’effet de la coupe annuelle sur ses processus de régulation et 3) d’analyser les variations de ses traits foliaires en fonction de la saison et des conditions de croissance.Les mesures et les observations ont été réalisées d’avril 2009 à février 2011 sur une jachère âgée, sur une jeune jachère et sur deux champs de mil adjacents aux deux jachères respectivement. A l'échelle de l'arbuste, le potentiel hydrique foliaire et la conductance stomatique ont été mesurés au cours de ces deux saisons de croissance sur un échantillon d'arbustes dans les trois types de couvert. Le taux de transpiration foliaire et la conductance hydraulique sol-feuille en ont été déduits. A l’échelle du rameau, ont été suivi la dynamique du nombre de feuilles, de la surface moyenne des feuilles, du diamètre moyen des tiges qui les portent. La durée de vie moyenne des feuilles et leur masse surfacique ont été mesurées. La courbe de vulnérabilité à la cavitation de l'espèce, qui est la perte de la conductivité hydraulique en fonction du potentiel hydrique, a été réalisée à partir de plusieurs segments de branches passés au CAVITRON en laboratoire.Les principaux résultats obtenus sont que la fermeture des stomates qui permet à l’espèce de réguler ses pertes en eau a lieu à un niveau faible de cavitation du xylème (30%). Ainsi, l’espèce peut survivre dans les conditions sahéliennes grâce à une « marge de sécurité » positive de +0,6 MPa. La régulation stomatique couplée à un ajustement foliaire permet à l’espèce de maintenir son équilibre hydrique au cours de la saison sèche chez les arbustes matures non perturbés. La baisse des potentiels hydriques foliaires de base et minimum en réponse à la sécheresse saisonnière est isohydrodynamique et est plus élevé chez les arbustes matures, suggérant que les repousses de l'année sont moins stressées. De plus, la coupe a pour effet de découpler l’ajustement foliaire de la régulation stomatique et entraîne une production de feuilles et une croissance des jeunes rameaux continues tout au long de l'année chez les repousses, grâce à une conductance hydraulique sol-feuille deux fois plus élevée que chez les arbustes matures. Enfin, la durée de vie des feuilles s’allonge avec l’âge des rameaux d'une année comme avec l'âge du peuplement, tandis que la masse surfacique foliaire augmente progressivement de la même façon quand on passe de la saison des pluies à la saison sèche, quel que soit l'âge du peuplement.Ces traits fonctionnels contribuent à ce que l’espèce puisse à la fois résister aux conditions de sécheresse dans lesquelles elle croît et ré-allouer de façon intense des ressources, stockées probablement dans les racines, à la reconstruction rapide de sa partie aérienne à la suite d'une coupe. Les limites d'une telle stratégie restent cependant à identifier, en particulier le seuil d'épuisement des ressources sous l'effet de la répétition annuelle des coupes. / Sahel suffered from severe rainfall decreases combined to great changes in land use during the last decades that led to strong decrease in the woody cover. However, Guiera senegalesis J.F. Gmel is a semi-evergreen Combretaceae whose dominance rose with crop pressure in the Sudano-Sahelian band where it plays an important socio-economic role through agroforestry. Consequently, this is a good model to study hydric responses of the present woody cover to drought and the effect of cutting on these responses.The aims of this work were: 1) to characterize and quantify hydric regulation processes in G. senegalesis and to determine its specific functional limits, in order to estimate its safety margin in its current growth conditions, 2) to estimate cut effect on these processes and 3) to analyze variations of its leaf traits according to the season and its specific growth conditions.Measurements and observations were conducted from April 2009 to February 2011 on an old fallow, on a young fallow, and on the two crop fields adjacent to the two fallows respectively. At the shrub scale, leaf water potential and stomatal conductance were measured during the two growing seasons on shrub samples in the three cover type. The leaf transpiration rate and the soil-to-leaf conductivity were deduced. At the stem scale, the dynamics of the number of leaves, the mean leaf area (LMA), the mean diameter of the stems that carry them, the mean leaf life span, and the leaf mass per area were monitored. The species vulnerability curve to cavitation, which is the loss of conductivity as a function of the water potential, was obtained from several peaces of branches treated in a CAVITRON at the laboratory.The main results obtained were that the stomatal closure that allows species to regulate its water loss occurs at a low rate of xylem cavitation (30%). Thus, the species can survive in its Sahelian conditions thanks to a positive “safety margin” of +0.6 MPa. Stomatal regulation coupled with leaf adjustment allows the species to maintain its water balance during the dry season in mature and undisturbed shrubs. The decrease in predawn and midday leaf water potentials in response to seasonal drought was isohydrodynamic, and it was greater in mature shrubs, suggesting that current year resprouts are under less stress. In addition, cutting decouple leaf adjustment from stomatal regulation, leading to continuous leaf production and young stem growth all over the year, thanks to a soil-to-leaf conductivity seven times higher in the current year's resprouts than in the mature shrubs. Finally, leaf life span increases with the current year's stem age as well as with the stand age, while the LMA progressively increases from the rainy season to the dry season, similarly whatever the stand age.These functional traits contribute to the species resistance to the drought conditions under which it grows, but also, following the cutting, to intensively re-allocate resources, probably from the root reserve, to the fast re-building of the aerial part. However, the limits of such a strategy remain to be identified, especially the resource exhaustion threshold under repetitive yearly cutting.

L’objectif de cette thèse a été de concevoir et développer un simulateur de dommages permettant d’étudier la vulnérabilité d’un territoire soumis à des aléas de mouvements de terrains associés à la présence d’exploitations souterraines. Ce développement repose sur la combinaison d’une méthode de prévision des affaissements miniers, de fonctions de vulnérabilité pour l’évaluation des dommages et d’une base de données des bâtiments. L’enjeu scientifique est le développement de fonctions de vulnérabilité pour les bâtiments en zone d’affaissement minier. Ces fonctions sont comparables à celles utilisées vis-à-vis d’autres aléas comme les séismes et les tsunamis. On a développé et appliqué une méthodologie basée sur des simulations de type Monte-Carlo qui utilise les méthodes existantes d’évaluation des dommages dans les zones d’affaissement minier (méthodes empiriques ou analytiques). Elle permet de prendre en compte l’incertitude sur les paramètres géométriques et mécaniques du bâti. Afin de valider cette méthodologie, les dommages estimés par les fonctions vulnérabilité développées pour des bâtiments en maçonnerie du bassin ferrifère lorrain sont comparées aux dommages observés, consécutifs aux affaissements de 1996 à 1999 en Lorraine. Dans une étape suivante, la méthode des fonctions d’influence a été implémentée dans le simulateur avec certains développements permettant de tenir compte de la variabilité des angles d’influences et permettre le calcul des déformations horizontales du terrain. Les résultats de cette méthode sont validés sur un cas d’affaissement observé dans le bassin ferrifère de lorrain. Enfin, une approche probabiliste d’évaluation des dommages est implémentée pour tenir compte de différents scénarios d’affaissement possibles. L’application sur les bâtiments de la ville de Joeuf, permet d’illustrer les différents résultats obtenus / The objective of this thesis has been the design and the development of a damage simulator for evaluation of building damage in subsidence regions affected by undergrounds excavations. The simulator is combining a method for the subsidence prediction, vulnerability functions for assessment of building damage and a database of buildings. The scientific challenge is the development of vulnerability functions for buildings in subsidence regions. These functions are similar to those used for other hazards such as earthquakes and tsunamis. We then developed and applied a methodology based on Monte-Carlo simulations which involves existing methods of building damage assessment in subsidence area (empirical or analytical methods). It allows to take into account uncertainties on both geometrical and mechanical parameters of buildings. To validate this methodology, damages given by the vulnerability functions developed for masonry buildings in the Lorraine Iron ore field are compared to observed damages, resulting from subsidence from 1996 to 1999 in Lorraine. In a next step, the method of influence functions is implemented in the simulator with developments to take into account variability of the influence angles and to allow the calculation of horizontal ground strain. Results of this method are validated with a subsidence case study in the Lorraine iron ore field. Finally, a probabilistic approach to assess damage is implemented in the simulator to take into account different scenarios of possible subsidence. The application of the simulator on the buildings of the Joeuf city, allows to illustrate the different results