Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude expérimentale du comportement hydromécanique d'un lœss naturel non saturé effondrable provenant d'un site proche de la ville de Bapaume (nord de la France) dans une zone où des problèmes de tassement le long de la ligne nord du TGV ont été attribués à l'effondrement du lœss, du fait d'infiltrations d'eau. Un nouvel appareil triaxial permettant de mesurer localement l'ensemble des caractéristiques du loess non saturé (déformation, teneur en eau et succion) a été développé. La courbe de rétention d'eau, déterminée à l'aide d'un tensiomètre de haute capacité et de la méthode du papier filtre a fait l'objet d'une attention particulière : elle présente autour de la teneur naturelle une zone sans hystérésis bordée par deux boucles d'hystérésis des côtés secs et humides. L'analyse de la courbe de rétention et du phénomène d'hystérésis a été approfondie grâce à une étude microstructurale réalisée à l'aide de la porosimétrie au mercure et de la microscopie électronique à balayage. Une structure assez complexe composée d'un arrangement métastable de grains de limon secs (probablement liés par la recristallisation du calcaire) et d'une phase argileuse répartie de façon hétérogène a été mise en évidence. L'étude du comportement hydromécanique a compris une investigation de l'effondrement à partir de faibles valeurs de contraintes proches de la contrainte in-situ, à l'aide d'essais oedométriques à taux de déformation constant avec mesures de succion. Le maximum d'effondrement et une dépendance fonction de la vitesse de chargement ont été identifiés. Une campagne d'essais triaxiaux à différentes teneurs en eau constantes avec mesure de succion a permis de déterminer l'allure de la limite élastique du limon naturel dans un diagramme p/q, ainsi que ses variations avec la teneur en eau et la succion et confirmer l'écrouissage en succion / The hydromechanical behaviour of an unsaturated natural loess from Northern France has been studied. Collapse-on-wetting phenomena under constant external load are observed in the in-situ conditions, related to some stability problems detected on the loess foundations of the high speed train line that links Paris to Brussels. A new triaxial apparatus with complete local monitoring of unsaturated properties (strains, water content and suction) of this loess has been developed. The water retention curve of loess, obtained by using an in-house constructed high capacity tensiometer and the filter paper method, shows a special behaviour, with a non-hysteresis zone detected around the natural hydric state bordered by two hysteresis loops at the dry and wet sides of the curve. Further analysis of the water retention curve and of the hysteresis phenomena were conducted by means of a microstructure study made by mercury intrusion porosimetry and scanning electron microscope observations. The complex structure of loess is highlighted, composed by a metastable arrangement of dry silt grains (possibly related to carbonate re-crystallisation) and a heterogeneously distributed clay fraction. The hydromechanical behaviour study includes the evaluation of the collapse sensibility of loess at stress states close to the in-situ one, by a series of suction-monitored oedometer tests performed at different constant strain rates (CSR tests). A maximum of collapse and a time-dependent behaviour of loess were observed. A triaxial testing programme at different water contents with suction measurement, allowed to obtain the yield surface of loess in a q/p diagram, and the water content and suction evolution upon loading and to confirm the suction hardening in this material

Ce travail présente une nouvelle méthode de prédiction de l'effondrement d'un terrain minier suite à une exploitation intensive. L'approche développée a été appliquée pour le cas de la concession de Drouville, appartenant à la Compagnie des Salins du Midi et des Salines de l'Est.<br/>Le gisement y était exploité par cavités de dissolution interconnectées par facturation hydraulique. Des développements incontrôlés de la dissolution ont abouti à la jonction de deux cavités voisines et à la formation d'une grande cavité SG4/5 dont l'effondrement a été provoqué pour des raisons de sécurité.<br/>La rétro-analyse de cet effondrement a été le point de départ de la recherche qui est présentée, dont l'objectif final était la mise au point d'une méthode d'exploitation sûre permettant de récupérer la plus grande partie du gisement sans risquer d'évolution ultérieure.<br/>Afin d'atteindre det objectif, nous avons utilisé la méthodes des éléments finis pour résoudre le problème mécanique.<br/>Le modèle développé intègre des lois rhéologiques décrivant le comportement des matériaux rencontrés. Les paramètres de ces lois ont été obtenus par rétro-analyse directe (méthode d'essai et d'erreur / méthode de minimisation d'erreur).<br/>L'application du modèle pour des simulations bidimensionnelles et tridimensionnelles nous a permis d'identifier les zones de forte plastification et de rupture. De plus, il nous a été possible d'anticiper la réaction du massif rocheux durant le processus d'effondrement.<br/>En utilisant cette technique conjointement avec une analyse détaillée du comportement mécanique du massif, une nouvelle méthode d'exploitation intensive par élargissement progressif de la zone d'effondrement a été proposée.

Cette thèse avance que le cas de la Sierra Leone est édifiant pour comprendre le paradoxe de l'effondrement et de la reconstruction des Etats africains néo-patrimoniaux dans l'ère post-Guerre Froide. Il vise à identifier les processus historiques, politiques et sociaux spécifiques qui ont mené à l'effondrement de l'Etat en Sierra Leone, mais aussi les dynamiques à l'oeuvre dans sa reconstruction. Elle s'appuie sur l"hypothèse selon laquelle l'effondrement et la reconstruction de l'Etat révèlent des continuités de la formation de l'Etat en Sierra Leone.

Les études astrochimiques de la formation stellaire sont particulièrement importantes pour la compréhension de l'évolution de l'Univers, du milieu interstellaire diffus à la formation des systèmes stellaires. Les récentes avancées en matière de modélisation chimique permettent d'apporter de nouveaux résultats sur le processus de formation stellaire et les structures mises en jeu. L'objectif de ma thèse était donc d'apporter un regard neuf sur la chimie de la formation stellaire en utilisant les récentes avancées sur le modèle chimique Nautilus. J'ai pour cela étudié l'évolution de la chimie du soufre durant la formation stellaire pour tenter d'apporter de nouvelles réponses au problème de déplétion du soufre. J'ai d'abord effectué une révision du réseau chimique soufré et étudié son effet sur la modélisation du soufre dans les nuages denses. En comparant aux observations, j'ai montré que le modèle textsc{Nautilus} était capable de reproduire les abondances des espèces soufrées dans les nuages denses en utilisant comme abondance élémentaire de soufre son abondance cosmique. Ce résultat m'a permis d'apporter de nouveaux indices sur les reservoirs de soufre dans ces objets. Puis j'ai effectué une étude complète de la chimie du souffre dans les coeurs chauds en me concentrant sur les effets sur la chimie de la composition pre-effondrement. J'ai également étudié les conséquences des différentes simplifications couramment faites pour la modélisation des coeurs chauds. Mes résultats montrent que la composition pre-effondrement est un paramètre majeur de l'évolution chimique des coeurs chauds, fournissant de nouveaux indices pour expliquer la variété de compositions en espèces soufrées observée dans ces objets. De plus, ma recherche a mis en évidence la nécessité d'uniformiser les modèles de chimie utilisés pour les coeurs chauds. Enfin, j'ai développé une méthode efficace pour inverser les paramètres initiaux d'effondrement de nuages denses en me basant sur une base de données de modèles physico-chimiques d'effondrement, ainsi que sur l'observation d'enveloppes de protoétoiles de Classe 0. A partir d'un échantillon de 12 sources, j'ai pu en déduire des probabilités concernant les possibles paramètres initiaux d'effondrement de la formation d'étoiles de faible masse. / Astrochemical studies of star formation are of particular interest because they provide a better understanding of how the chemical composition of the Universe has evolved, from the diffuse interstellar medium to the formation of stellar systems and the life they can shelter. Recent advances in chemical modeling, and particularly a better understanding of grains chemistry, now allow to bring new hints on the chemistry of the star formation process, as well as the structures it involves. In that context, the objective of my thesis was to give a new look at the chemistry of star formation using the recent enhancements of the Nautilus chemical model. To that aim, I focused on the sulphur chemistry throughout star formation, from its evolution in dark clouds to hot cores and corinos, attempting to tackle the sulphur depletion problem. I first carried out a review of the sulphur chemical network before studying its effects on the modeling of sulphur in dark clouds. By comparison with observations, I showed that the textsc{Nautilus} chemical model was the first able to reproduce the abundances of S-bearing species in dark clouds using as elemental abundance of sulphur its cosmic one. This result allowed me to bring new insights on the reservoirs of sulphur in dark clouds. I then conducted an extensive study of sulphur chemistry in hot cores and corinos, focusing on the effects of their pre-collapse compositions on the evolution of their chemistries. I also studied the consequences of the use of the common simplifications made on hot core models. My results show that the pre-collapse composition is a key parameter for the evolution of hot cores which could explain the variety of sulphur composition observed in such objects. Moreover, I highlighted the importance of standardizing the chemical modeling of hot cores in astrochemical studies. For my last study, I developed an efficient method for the derivation of the initial parameters of collapse of dark clouds via the use of a physico-chemical database of collapse models, and comparison with observations of Class 0 protostars. From this method, and based on a sample of 12 sources, I was able to derive probabilities on the possible initial parameters of collapse of low-mass star formation.

La cavitation peut avoir lieu dans les turbines hydrauliques. Ce phénomène se produit lorsque les bulles de vapeur s’effondrent à proximité de la surface de la machine. Ceci entraîne des conséquences négatives, telles que l’érosion, affectant ainsi les performances de la machine. L’effondrement d’une bulle de gaz non-condensable dans l’eau est simulé en utilisant la méthode sans maillage SPH-ALE, qui intègre un modèle pour simuler les écoulements compressibles et multiphases. Le modèle résout les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie du système d’Euler, en utilisant l’équation d’état de Stiffened Gas pour l’eau et l’équation d’état de gaz parfait pour le gaz non-condensable à l´ıntérieur de la bulle. Les deux phases sont modélisées comme compressibles et le changement de phase n’est pas considéré. La caractéristique sans maillage de la méthode SPH-ALE permet le calcul des écoulements diphasiques où l’interface est nettement définie. Pour les applications de cavitation, où le nombre de Mach atteint des valeurs de 0.5, la distribution de particules doit être corrigée. Cela est réalisé grâce à la fonctionnalité ALE. Le modèle compressible a été validé à l’aide de configurations monodimensionnelles, comme le cas du tube à choc pour des écoulements monophase et multiphases. L’effondrement de la bulle près d´une paroi a été abordé comme le mécanisme fondamental qui produit des dégâts. Son comportement général se caractérise par la formation d’un micro jet d’eau et par l’effondrement de la bulle sur elle-même. Le phénomène est analysé en tenant compte des principaux paramètres qui le régissent, comme la distance initiale entre le centre de la bulle et la paroi (H0), la taille de la bulle (R0) et le taux de pression qui entraîne l’effondrement (pw/pb). Il est démontré que l’intensité de l’effondrement dépend principalement du rapport de pression entre le liquide et la bulle (pw/pb). De plus, quatre indicateurs, comme la pression en paroi, l’impulsion, la pression du coup de bélier et la vitesse du micro jet d’eau, servent à déterminer le chargement. Cette analyse indique qu’une bulle initialement située à une distance inférieure à H0/R0 = 2 présente un haut potentiel d’endommagement. Afin de prédire cet endommagement, la mécanique du solide est analysée à l’aide de simulations d’interaction fluide-structure. On obtient que le matériau réagit aux charges hydrauliques en ayant des zones de compression et de traction. Ceci suggère qu’un mécanisme de fatigue entraîne le phénomène d’endommagement. En plus, on constate que les contraintes les plus importantes sont situées sous la surface du matériau, indiquant que cette zone peut être sujette à une déformation plastique. / Hydraulic turbines can experience cavitation, which is a phenomenon occurring when vapor bubbles collapse in the vicinity of the machine’s surface. This phenomenon can lead to negative consequences, such as erosion, that affect the machine’s performance. The compression of a non-condensable gas bubble in water is simulated with the Smoothed Particle Hydrodynamics method following the Arbitrary Lagrange Euler approach (SPHALE), where a compressible and multiphase model has been developed. The model solves the mass, momentum and energy conservation equations of the Euler system using the Stiffened Gas EOS for water and the ideal gas EOS for the non-condensable gas inside the bubble. Both phases are modeled as compressible and the phase change is not considered. The meshless feature of the SPH-ALE method allows the calculation of multiphase flows where the interface is sharply defined. For cavitation applications, where the Mach number reaches values of 0.5, the distribution of particles must be corrected, which is achieved by the ALE feature. The compressible model was validated through monodimensional configurations, such as shock tube test cases for monophase and multiphase flows. The bubble compression close to the wall has been addressed as the fundamental mechanism producing damage. Its general behavior is characterized by the formation of a water jet and by the collapse of the bubble by itself. The phenomenon is analyzed by considering the major parameters that govern the bubble collapse dynamics, such as the initial distance between the bubble center and the wall (H0), the bubble size (R0), and the collapse driven pressure ratio (pw/pb). It is shown that the intensity of the collapse depends mainly on the pressure ratio between the liquid and the bubble (pw/pb). As well, four indicators, such as the pressure at the wall, the impulse, the water-hammer pressure and the water jet velocity, are used to determine the loading. This analysis gives that the bubble initially located at a distance lower than H0/R0 = 2 presents high potential to cause damage. In order to predict the damage due to the bubble collapse, the solid mechanics is analyzed through fluid-structure interaction simulations. It is obtained that the material reacts to the hydraulic loads by having compression and traction zones, suggesting that a fatigue mechanism drives the damage phenomenon. Additionally, it is found that the highest stresses are located below the material surface, indicating that this zone may reach plastic deformation.

La compréhension des mécanismes d'écoulements des avalanches de débris volcaniques est essentielle pour l'évaluation des risques volcaniques. L'étude de la séquence épiclastique de Perrier (France) illustre la difficulté de distinguer les dépôts d'avalanches de débris (DADs) de leurs produits dérivés. L'étude des DADs du Chimborazo (Équateur) et du Ticsani (Pérou) met en évidence la magnitude de ces évènements et permet de reconstruire les conditions ayant entraîné leur déstabilisation. L'analyse sédimentologique de plusieurs DADs suggère que les avalanches de débris s'écoulent comme un « plug » divisé en domaines sur une semelle lubrifiée. La présence de confinement se traduit par la transition entre un régime de déformation extensif et compressif dans l'écoulement. L'intense cisaillement à sa base permet l'incorporation de substratum par abrasion et probablement par fluidisation. Un modèle statistique, basé sur les données de la littérature, permet l'estimation rapide de cet aléa.

L'étude des sols non saturés, et plus généralement des milieux granulaires multiphasiques, a été principalement traitée dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Le comportement de ces matériaux trouvant ses origines à l'échelle des particules, nous en proposons une analyse micromécanique, basée sur des simulations numériques utilisant la Méthode des Eléments Discrets. Pour les faibles teneurs en eau, l'eau se concentre sous la forme de ponts liquides intergranulaires dont les propriétés en terme de force et de volume de liquide peuvent être interprétées à travers la théorie de la capillarité. En partant de la description des effets microscopiques de la capillarité, un modèle discret tridimensionnel a été développé. Les propriétés macroscopiques des milieux granulaires faiblement saturés sont ainsi investiguées, aussi bien en terme de rétention d'eau, que de résistance au cisaillement, au travers d'essais réalisés sur des assemblages de grains numériques. En complément d'analyse, les techniques de l'homogénéisation sont mises en oeuvre. Les analyses permettent de mettre en évidence l'importance de la distribution du liquide au sein du milieu, ainsi que le caractère tensoriel des contraintes mécaniques associées aux forces capillaires. La texture du liquide est étudiée, et l'existence d'une contrainte effective est discutée sur des bases microstructurelles. Finalement, une approche est proposée pour simuler l'effondrement au remouillage, caractéristique de la transition d'un état partiellement saturé à un état complètement saturé.

Les processus dynamiques présents en zone de swash ont un impact significatif sur l'évolution des zones côtières. Une part importante du transport sédimentaire cross-shore se produit dans cette zone, plus particulièrement dans cette zone où se produisent le run-up et le run-down. La zone située au-delà de la ligne de rivage au repos est le plus souvent décrite par des modèles intégrés sur la verticale. La décroissance des vagues est bien reproduite, cependant l'étude du transport sédimentaire impose une paramétrisation du frottement sur le fond. Nous présentons les résultats de simulations RANS de la propagation d'un mascaret (obtenu par un "lâcher de barrage") sur une plage en pente et le run-up et le run-down ainsi générés. Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux de Yeh et al. (1989). Les simulations ont été réalisées avec le code Navier-Stokes diphasique AQUILON. Deux méthodes de suivi d'interface VOF (VOF TVD ET VOF PLIC) sont implémentées. La viscosité turbulente est calculée par un modèle V2-F (Durbin, 1991). Une estimation des grandeurs turbulentes k et epsilon basée sur la théorie des ondes longues pour la propagation d'un ressaut hydraulique est présentée. Une modélisation VOF-PLIC & V2-F est appliquée pour reproduire les caractéristiques macroscopiques du lâcher de barrage, qui comme on pouvait s'y attendre dépendent peu de la turbulence. Nous étudions aussi l'impact des conditions initiales sur k et epsilon sur l'établissement de l'écoulement turbulent. Après ces validations vis-à-vis de la turbulence, des simulations du cas décrit par Yeh et al. (1989) sont menées pour optimiser le choix des paramètres de calcul. La théorie de Whitham (1958), prédit un effondrement du mascaret au niveau de la ligne de rivage au repos. La théorie de Shen and Meyer (1963) est toujours à l'heure actuelle le modèle de référence. Les résultats expérimentaux de Yeh et al. (1989) montrent clairement un phénomène différent. L'utilisation conjointe de la technique VOF-TVD et du modèle de turbulence V2-F semble apporter les meilleurs résultats par rapport aux expériences de Yeh et al. (1989). Une étude de la transition mascaret/lame de swash est proposée. Nos résultats montrent que la théorie de Whitham décrit de façon assez précise le mécanisme de d'effondrement du mascaret. Les résultats de nos simulations sont utilisés pour décrire la transition entre l'effondrement du mascaret et l'écoulement du run-up. L'analyse des processus de frottement dans le jet de rive met en évidence une forte dissymétrie entre le run-up et le run-down avec cisaillement plus faible lors du run-down

L'imbibition d’eau pour les matériaux granulaires induit des changements dans la morphologie des ponts capillaires qui passent d'une forme isolée (entre deux grains voisins), à une forme fusionnée (entre plusieurs grains voisins). Ces changements de morphologie des ponts liquides influencent le comportement mécanique de ces matériaux, et peuvent être à l’origine d’instabilités telles que l’effondrement capillaire. La thèse présente une approche expérimentale multi-échelle au laboratoire de l'effondrement capillaire de matériaux granulaires lors d'une imbibition d'eau. L’approche concerne les trois échelles: macroscopique d'un Volume Élémentaire Représentatif, mésoscopique de quelques grains et locale de trois ou quatre grains. À l'échelle macroscopique, des essais d’imbibition, dans une cellule triaxiale, ont permis l'identification et l'analyse du phénomène d'effondrement capillaire en mettant l'accent sur l'évolution des déformations dans le temps. Les essais sont réalisés sur deux types de matériaux granulaires, le premier est un matériau constitué de billes de verre et le deuxième est un sable concassé. Une fraction argileuse est parfois incorporée au matériau. Plusieurs paramètres ont été étudiés en vue de comprendre leurs contributions dans le déclenchement du phénomène d'effondrement comme : la granularité, la teneur en eau initiale, la compacité initiale et le pourcentage des particules argileuses. Aux échelles mésoscopique et locale, on propose une étude expérimentale de caractérisation du comportement mécanique des matériaux granulaires dans le régime pendulaire et funiculaire. On s’intéresse en particulier à l’effet de l’imbibition et de la coalescence sur la force capillaire entre les grains solides à l’échelle considérée. Les essais d'imbibition sont réalisés par ajout d’incréments de volume d’eau aux ponts capillaires. Les résultats relatifs au comportement et à l’effondrement à l’échelle macroscopique lors de l'imbibition d'eau sont discutés en s’aidant des résultats obtenus aux échelles inférieures. / Wetting in granular materials induces changes in the morphology of capillary bridges which pass from an isolated form (between two neighboring grains) to a merged form (between several neighboring grains). These changes in the morphology of the liquid bridges impact the mechanical behavior of these materials, and can lead to instabilities such as capillary collapse. The thesis presents a multi-scale experimental approach in the laboratory of the capillary collapse of granular materials during wetting. The approach concerns the three scales: macroscopic of a Representative Elementary Volume, mesoscopic of several grains and local of three or four grains. At the macroscopic scale, the wetting tests, carried out in a triaxial cell, allowed the identification and the analysis of capillary collapse phenomenon, focusing on the evolution of deformations over time. The tests are carried out on two granular materials, the first is a material made of glass beads and the second is a crushed sand. A clay fraction is sometimes incorporated into the material. Several parameters have been studied in order to understand their contributions to the triggering of the collapse phenomenon, such as: grain size, initial water content, initial compactness and percentage of clay particles. At the mesoscopic and local scales, an experimental study is proposed to characterize the mechanical behavior of a granular materials, in the pendular and funicular regimes. In particular, this study focus on the effect of the wetting and the coalescence of bridges, on the capillary force between grains at the considered scale. Wetting tests were performed by adding water volume increments to the capillary bridges. The results on behavior and collapse at the macroscopic scale during wetting are discussed using the results obtained on the lower scales.

Les matériaux poreux sont omniprésents dans la société grâce à leurs remarquables propriétés provenant de la combinaison de leur structure mésoscopique et de leur nature physico-chimique très versatiles. L’objectif de cette thèse est l’étude du lien entre les propriétés mécaniques de mousses élastomères et leur structure mésoscopique (porosité ouverte ou fermée et diamètre des pores) et la nature physico chimique de matrice élastomère. Pour ce faire il a été nécessaire de synthétiser des matériaux modèles dont il est possible de décorréler les effets dus à la structure et ceux dus à la nature de la matrice polymère. La technique de ‘template’ par émulsion hautement concentrée HIPE (High Internal Phase Emulsion) a été sélectionnée car elle permet de faire varier la structure et la composition chimique de la matrice. Le contrôle des paramètres de l’émulsion (fraction de phase dispersée, nature des monomères et des réticulants, quantité de tensioactif et de réticulant) permet de moduler la morphologie des matériaux. De plus il est possible de changer un des paramètres indépendamment de tous les autres. Cette technique a permis d’obtenir une série de matériaux avec une structure poreuse et une nature physico-chimique contrôlées à façon. Dans le cas particulier des mousses solides élastomères très faiblement réticulées un phénomène d’effondrement des pores peut être observé. Ces mousses sont caractérisées mécaniquement en compression en fonction de trois paramètres physiques : la température de transition vitreuse de la matrice polymère, le taux de réticulation et le diamètre des pores de la mousse. Une étude du module élastique et de la dissipation d’énergie des mousses élastomères a été effectuée dans le but de mieux comprendre le lien avec la nature physico-chimique et la structure mésoscopique des mousses à l’origine des propriétés mécaniques originales. Les réponses temporelles particulièrement lentes de nos élastomères observées lors des essais mécaniques ont conduit à des études de recouvrance des mousses ainsi que la détermination d’un modèle théorique. / Foams are everywhere in the society thanks to their remarkable properties resulting from the coupling of their structure and their physico-chemical nature which are very adaptable. The main goal of this thesis is the study of the relationship between mechanical properties of elastomeric foams and their mesoscopic structure (open or closed-porosity and cells diameter) and their physico chemical nature of elastomeric matrix. In this context, it was necessary to synthesize model porous materials with well-controlled densities and structure. HIPE (High Internal Phase Emulsion) template technique was used thanks to its ability modifying matrix chemical composition and structure. Control of emulsion’s parameters (internal phase ratio, monomers and crosslinker nature, surfactant and crosslinker content) enables tuning foam morphology. Moreover it enables to vary one parameter without changing others. Thanks to this method we were able to synthesize elastomeric foams with well-controlled structure and physico-chemical nature matrix. In the real special case of very low crosslinker content, foam collapsing effect has been detected. Foams are mechanically characterized in compression test depending on tree parameters: glass transition temperature of the polymer matrix, crosslinked ratio and cells diameter of the foam. Elastic modulus and dissipated energy are studied to inverstigate more deeply the relationship with physico-chemical nature and mesoscopic structure. Time behavior response of foams leads us to study recovery ratio of foams and we try to determine a theoretical model.