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.

Les travaux de cette thèse ont pour but de développer un prototype d’éco-pilote, nommé EcoNav, permettant d’optimiser la vitesse d’un bateau afin de réduire sa consommation de carburant. EcoNav est composé de plusieurs modules dont : un modèle hydraulique 2D simulant l’écoulement hydrodynamique (vitesse du courant et hauteur d’eau) le long du trajet du bateau; - un modèle de résistance à l’avancement servant à alimenter un modèle de prédiction de la consommation de carburant; - un algorithme d’optimisation permettant de trouver le profil optimal de vitesse. Afin de pouvoir estimer la consommation de carburant, un modèle numérique de la résistance à l’avancement en milieu confiné a été développé durant la première partie de cette thèse. Ce modèle numérique 3D simule l’écoulement du fluide autour du bateau et permet de calculer les forces agissant sur sa coque. La résolution des équations RANS est couplée avec un algorithme de quasi-Newton afin de trouver la position d’équilibre du bateau et calculer son enfoncement. Cette méthode est validée en comparant les résultats numériques avec des résultats expérimentaux issus d’essais en bassin de traction. L’influence de l’enfoncement sur la résistance à l’avancement et la précision de la méthode est étudiée en comparant les résultats numériques obtenus avec et sans enfoncement. La précision des modèles empiriques de prédiction de la résistance à l’avancement est également comparée à celle du modèle numérique. Enfin, le modèle numérique est utilisé afin de déterminer si le confinement en largeur ou en profondeur ont une influence identique sur l’augmentation de résistance à l’avancement. Les résultats de cette étude permettent d’établir si le confinement de la voie d’eau peut être caractérisé à l’aide d’un paramètre unique (coefficient de blocage par exemple) ou bien deux paramètres permettant de distinguer le confinement latéral et vertical. Dans la seconde partie de cette thèse, les méthodes numériques utilisées pour le modèle d’éco-pilote sont décrites et comparées afin de sélectionner celles qui sont le plus adaptées à chaque module. EcoNav est ensuite utilisé afin de modéliser un cas réel : celui du bateau automoteur Oural navigant sur la Seine entre Chatou et Poses (153 km). La consommation optimisée est comparée à la consommation non optimisée, calculée à partir des vitesses AIS observées sur le tronçon étudié. L’influence de la trajectoire du bateau et de son temps de parcours sur sa consommation sont également étudiés. Les résultats de ces investigations ont montré qu’optimiser la vitesse du bateau permet d’obtenir une réduction de la consommation de carburant de l’ordre de 8 % et qu’optimiser la trajectoire du bateau ainsi que prendre en compte des informations en temps réel (disponibilité des écluses, trafic sur le fleuve) peuvent permettre de réaliser des économies de carburant supplémentaires. / An eco-driving prototype, named EcoNav, is developed with the aim of optimizing a vessel speed in order to reduce fuel consumption for a given itinerary. EcoNav is organized in several modules : - a 2D hydraulic model simulating the flow conditions (current speed and water depth) along the itinerary; - a ship resistance model calculating the thrust necessary to counteract the hydrodynamic forces ; - a fuel consumption model calculating the fuel consumption corresponding to the thrust input; - a non linear optimization algorithm calculating the optimal speed profile. In order to evaluate the fuel consumption of an inland vessel, a ship resistance numerical model is developed in the first part of this PhD. This 3D numerical model simulates the flow around an inland self-propelled vessel and evaluates the hydrodynamic forces acting on the hull. A RANS solver is coupled with a quasi-Newton approach to find the equilibrium position and calculate ship sinkage. This method is validated by comparing the results of numerical simulations to towing tank tests. The numerical results with and without sinkage are also compared to study the influence of sinkage on ship resistance and on the accuracy of the method. Additionally, some empirical models are investigated and compared with the accuracy of the numerical method. Finally, the numerical model is used to determine if channel with and water depth restriction contribute to the same amount of ship resistance increase for the same level of restriction. The results of that investigation give insight to whether channel restriction can be characterized by a unique parameter (for instance the blockage ratio) or two parameters to distinguish water depth and channel with effects. In the second part of this PhD, the numerical methods used in the speed optimization model are described and validated. The speed optimization model is then used to simulate a real case: the itinerary of the self-propelled ship Oural on river Seine, between Chatou and Poses (153 km). The optimized fuel consumption is compared with the non-optimized fuel consumption, based on AIS speed profile retrieved on this itinerary. The effects of the ship trajectory and travel duration on fuel consumption are also investigated. The results of those investigations showed that optimizing the ship speed lead to an average fuel saving of 8 % and that using an optimal track and including real time information such as lock availability and river traffic can lead to additional fuel savings.

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.