Le sous-sol français est traversé par un nombre considérable de cavités souterraines naturelles ou anthropiques : après mine, carrières, karsts, tunnels et ouvrages civils abandonnés, etc. Ces cavités sont à l’origine de différents risques de mouvements de terrains tels que les effondrements localisés (fontis) et les affaissements qui peuvent être graves de conséquence pour les biens et les personnes. Pour réduire ce risque, un renforcement par géosynthétique des remblais sur cavités potentielles peut être mis en œuvre. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse menée au sein de l’INERIS (projet de recherche EREVAN - Evaluation et Réduction de la Vulnérabilité des biens exposés aux Aléas Naturels et miniers), en partenariat avec le laboratoire 3SR. L’un des objectifs de ces travaux est notamment de mieux appréhender, suite à l’ouverture d’une cavité sous-jacente, le comportement et les mécanismes d’effondrement des remblais renforcés par géosynthétique, en particulier cohésifs, afin d’en optimiser le dimensionnement.Dans le cadre de cette thèse, différentes expérimentations sur des modèles physiques de laboratoire et en vraie grandeur ont été réalisées. Les résultats obtenus en laboratoire ont permis de préciser le rôle mécanique des renforcements géosynthétiques dans le cas d’effondrement localisé sous un remblai granulaire ou/et cohésif, une importante base de données expérimentales a ainsi été constituée. Une expérimentation en vraie grandeur a permis de valider l’intérêt au plan technique, économique et environnemental de la technique de renforcement par géosynthétique des zones sujettes à des risques fontis.La contribution particulière de ce travail réside dans l’utilisation de modèles physiques et de techniques de mesures originales développés pour simuler l’apparition d’une cavité et suivre de manière quantitative les mécanismes induits notamment dans le cas des remblais cohésifs. En particulier, une évaluation précise des mécanismes de transferts de charge et de l’interaction sol – renforcement géosynthétique due à un effondrement localisé a été rendue possible par le développement et la validation d’une technique de traitements des résultats par photogrammétrie. L’intensité de la charge transmise par le sol sur le renforcement géosynthétique, la géométrie de sa répartition, ainsi que son évolution sous l’effet d’une surcharge éventuelle en surface ont ainsi été plus spécifiquement étudiées.Les résultats expérimentaux ont été comparés avec des formulations analytiques issues de méthodes de dimensionnement existant dans la littérature. Cette comparaison nous a permis de mieux cerner les domaines de validité des méthodes de dimensionnement analytiques actuelles du renforcement géosynthétique que ce soit pour le cas d’un remblai granulaire ou cohésif et dans certains cas de formuler certaines recommandations. / The French underground is occupied by a considerable number of natural or anthropogenic underground cavities: former mining areas, quarries, karsts, tunnels and abandoned civil structures, etc. These cavities are the source of various risks of ground movements such as sinkholes and subsidence which can have a large impact on the safety people and structures or infrastructures. In order to reduce this risk, a reinforcement of the embankments by geosynthetic in the zones of potential cavities can be implemented. In this context, the thesis has been funded and managed by INERIS (research project EREVAN - Evaluation and Reduction of the Vulnerability of the properties exposed to the natural and mining Hazards), in partnership with 3SR laboratory. One of the objectives of this research is in particular to better understand, further to the opening of an underlying cavity, the behavior and the mechanisms of collapse of reinforced embankment, especially in the case of cohesive soil, in order to optimize its design.As a part of this work, various experiments on physical models in laboratory and on site have been realized. The results obtained in laboratory allowed to determine the behavior of the geosynthetic reinforcement following the collapse of a granular or/and cohesive embankment over a cavity, an important experimental database has thus been established. Full scale experiment allowed to validate the technical, economic and environmental benefits of geosynthetic reinforcement of zones subject to sinkhole.The particular contribution of this work is in the use of original physical models and measurement techniques used to simulate the occurrence of a sinkhole and follow in an accurate quantitative way the involved mechanisms, notably in the case of a cohesive backfill. In particular, a specific evaluation of load transfer mechanisms and soil - geosynthetic reinforcement interaction due to sinkhole has been enabled by the development and the validation of an image processing technique. The intensity of the load transmitted by the ground onto the geosynthetic reinforcement, the geometry of its distribution, as well as its evolution due to possible overburden load have been specifically investigated.Experimental results have been compared with analytical formulations resulting from existing design methods in the literature. This comparison allowed us to better define the domains of validity of the current analytical methods for design of geosynthetic reinforcement whether for granular or cohesive backfill, and in certain cases to formulate some recommendations.

Les affaissements de terrain de grande ampleur résultent de l'effondrement de cavités souterraines issues de l'activité industrielle humaine (mines ou carrières) ou formées naturellement par la circulation d'eau dans des massifs de roches solubles (calcaire, gypse). Leur impact sur le bâti existant en surface est généralement très important comme en attestent les exemples récents des affaissements d'Auboué (1996), de Moutiers (1997) et de Roncourt (1999) qui ont endommagé plus de cinq cents bâtiments et ouvrages ou le fontis sur le chantier METEOR en 2003. Il est donc nécessaire de prévoir les mouvements du sol de surface (tassements et déformation horizontale) résultants de ces phénomènes et surtout de déterminer l'influence que peut avoir la présence d'une ou plusieurs structures en surface sur la forme et l'amplitude de ces mouvements.<br />Le programme de cette thèse s'articule donc autour de la thématique suivante : évaluation des risques urbains liés aux mouvements de sol dus à la présence de cavités souterraines et interaction avec le bâti et les structures.<br /><br />La première partie porte sur la conception d'un modèle réduit physique bidimensionnel permettant de représenter un effondrement de cavité de type fontis. Elle apporte une contribution innovante à la conception de modèles réduits physiques 1g par la mise au point d'un matériau analogique cohérent, dérivé du matériau de Schneebeli. Des essais sont alors menés pour caractériser l'influence de l'interaction sol-structure lors d'un tel phénomène.<br /><br />Ensuite un modèle numérique est développé à partir d'un outil numérique permettant l'emploi conjoint de deux codes de calcul complémentaires basés sur une approche en milieu continu d'une part et sur la mécanique des éléments distincts d'autre part. Les résultats issus de ce modèle sont alors comparés avec ceux provenant des essais réalisés sur le modèle expérimental.<br /><br />La dernière étape est une confrontation de cet outil numérique dans un essai de rétro-analyse d'un fontis réel survenu dans le massif de l'Hautil en 1991.

La dissolution de cavités karstiques appelle à une description multi-échelle. A partir d'une discussion des hypothèses les plus fréquemment utilisées, un modèle à l'échelle du pore (ou micro-échelle) est développé pour des schémas réactifs géochimiques simples. L'impact du choix de conditions aux limites réactives ou équilibre thermodynamique est discuté. Ce modèle à l'échelle du pore est ensuite utilisé pour le développement de modèles aux échelles supérieures. Le premier problème traité considère le transport sur une surface chimiquement hétérogène et rugueuse, caractérisée par une condition mixte pour le transfert de masse. Le modèle résultant est un modèle de surface effective (ESCM). Le concept de surface effective est développé à l'aide d'une méthode de décomposition de domaine. Dans ce contexte, vitesse, pression et concentration à la petite échelle près de la surface sont estimées par une méthode de développement asymptotique par rapport aux champs loin de la surface. Des problèmes de fermeture sont alors obtenus qui sont utilisés pour définir la position de la surface effective et les conditions aux limites effectives associées. L'effet sur les propriétés effectives de la position de la surface, des nombres sans dimension est étudié. Une comparaison entre des résultats numériques à petite échelle avec ceux obtenus par le modèle effectif montre un bon accord. Dans le cas du transport dans un milieu poreux, le deuxième problème de changement d'échelle étudié, une méthode de changement d'échelle basée sur la prise de moyenne spatiale est proposée (PMM) à partir du problème à l'échelle du pore avec des conditions aux limites d'équilibre thermodynamique ou réactives non-linéaires. Une expression générale du modèle macroscopique est obtenue impliquant plusieurs propriétés effectives qui sont données par la résolution de problèmes de fermeture à l'échelle du pore. Pour une cellule unitaire représentative stratifiée, les paramètres effectifs sont obtenus analytiquement ou numériquement, alors que les propriétés pour des cellules plus complexes 2D/3D sont obtenus numériquement. L'impact sur les paramètres effectifs des propriétés physiques à l'échelle du pore (en terme de nombre de Péclet, Damköhler et ordre de la réaction) est étudié pour des cellules unitaires 1D, 2D ou 3D. Un exemple d'application du modèle macroscopique est présentée en mettant l'accent sur l'apport potentiel des termes additionnels non-classiques sur la précision des prédictions. Le modèle macroscopique de dissolution de milieu poreux est aussi utilisé comme un modèle à interface diffuse (DIM) pour décrire la dissolution d'une cavité à grande échelle, une cavité de gypse dans l'illustration traitée dans la thèse. Le modèle est basé sur l'approximation de pseudo-constituant, avec une condition d'équilibre à l'échelle du pore sur l'interface fluide-solide. Une méthodologie numérique est proposée pour choisir correctement les paramètres effectifs du DIM de façon à reproduire avec suffisamment de précision les flux et la vitesse de récession de l'interface. Une étude spécifique est effectuée sur l'impact du choix du modèle de bilan de quantité de mouvement macroscopique. De manière intéressante, les résultats numériques ne suggèrent pas un impact très important de ce choix dans le cas des problèmes aux limites traités. Des calculs ont aussi été effectués, dans le cadre d'une approximation de Boussinesq, pour évaluer l'impact éventuel de mouvements de convection naturelle. Le potentiel de la méthode est illustré dans deux cas: un correspondant à une lentille de gypse dans un aquifère, l'autre au cas d'un pilier isolé dans une carrière souterraine. Les conséquences de la dissolution sur la stabilité mécanique sont étudiées à l'aide d'un modèle géomécanique simplifié. Enfin, un cas test est étudié montrant la possibilité d'utiliser le modèle dans le cas de dissolution d'une cavité saline, matériau plus soluble que le gypse. / The karstic cavity dissolution problems are often studied from a hierarchical point of view. Based on a discussion of the frequently adopted assumptions, a pore-scale model is first developed for a simple geochemistry scheme. The impact of implementing reactive or thermodynamic equilibrium boundary condition at the dissolving surface is discussed. Such a pore-scale model is subsequently used as a basis for developing models at higher scale levels. The first problem deals with transport from a heterogeneous and rough surface characterized by a mixed boundary condition. The resulting macro-scale model takes the form of an effective surface theory. In the homogenized model developed with the effective surface concept (denote ESCM), the original rough surface is replaced locally by a homogeneous and smooth surface, where effective boundary conditions are prescribed. To develop the concept of effective surface, a multi-domain decomposition approach is applied. In this framework the velocity, pressure and concentration are estimated at the micro-scale with an asymptotic expansion of deviation terms with respect to macro-scale velocity and concentration fields. Closure problems for the deviations are obtained and used to define the effective surface position and the corresponding boundary conditions. The evolution of some effective properties and the impact of surface geometry and some dimensionless numbers are investigated. A comparison between the numerical results obtained with this effective model and those from direct numerical simulations with the original rough surface shows good agreements. In the case corresponding to mass transport in porous media, upscaling is carried out with the method of volume averaging to develop a macro-scale porous medium model (denote PMM), starting from a pore-scale transport problem involving thermodynamic equilibrium or nonlinear reactive boundary conditions. A general expression to describe the macro-scale mass transport is obtained involving several effective parameters which are given by specific closure problems. The impact on the effective parameters of the fluid properties, in terms of pore-scale Péclet number (Pe), and the process chemical properties, in terms of pore-scale Damköhler number (Da) and reaction order (n), is studied for periodic stratified, 2D and 3D unit cells. An example of the application of the macro-scale model is presented with the emphasis on the potential impact of additional, non-traditional effective parameters appearing in the theoretical development on the improvement of the accuracy of the macro-scale model. The above developed PMM is also used as a Diffuse Interface Model (DIM) to describe the evolution of a gypsum cavity formation induced by dissolution. The method is based upon the assumption of a pseudo-component dissolving with a thermodynamic equilibrium boundary condition. A methodology is proposed in order to choose suitable parameters for the DIM model and hence predict the correct dissolution fluxes and surface recession velocity. Additional simulations are performed to check which type of momentum balance equation should be used. Calculations with a variable density and Boussinesq approximation were also performed to evaluate the potential for natural convection. The results showed that the impact of density driven flows were negligible in the cases under investigation. The potential of the methodology is illustrated on two large-scale configurations: one corresponding to a gypsum lens contained within a porous rock layer and the other to an isolated pillar in a flooded gypsum quarry. Geomechanical consequences of the dissolution in terms of mechanical stability is evaluated with the help of a simplified geomechanical model. A final case is also studied in which gypsum is replaced by salt to show the applicability of the proposed methodology to a rapidly dissolving material

Au cours du temps, les cavités souterraines sont soumises à un vieillissement et plusieurs types de dégradation peuvent apparaitre. Les anciennes exploitations souterraines, parfois constituées d’un ou plusieurs niveaux, n’ont, sans doute, pas été conçues pour être stables à long terme. Elles ont été réalisées à une époque où n'existaient pas d'enjeux en surface, de zones de travaux, ce qui permettait d’éviter de se préoccuper des mouvements de sol induits. Elles ont pu quelquefois être totalement ou partiellement remblayées, mais pas de manière systématique. L’effondrement d'une cavité souterraine engendre la déconsolidation des niveaux supérieurs des terrains de recouvrement. Ces mécanismes peuvent provoquer en surface deux types de désordres : un affaissement ou un fontis. L'affaissement et le fontis peuvent provoquer des graves dommages aux structures et aux infrastructures en surface mais aussi mettre en péril la sécurité des populations. Les travaux de cette thèse s’articulent autour de l’étude du foisonnement, du fontis et de sa propagation dans les terrains de recouvrement.Les objectifs de cette thèse sont doubles : tout d’abord il s’agit d’étudier le foisonnement de la roche lors d’un effondrement de toit de carrières souterraines ; ensuite il s’agit de modéliser la propagation du fontis dans les terrains de recouvrement et ainsi hiérarchiser les paramètres associés à ce phénomène.La première partie de cette thèse repose sur une étude bibliographique qui récapitule les méthodes d’exploitation, méthodes d’analyse de stabilité de carrières souterraines, méthodes de prévision de la hauteur d’effondrement et estimation de foisonnement. A l’issue de cette synthèse bibliographique l’étude s’est focalisée sur les carrières souterraines à faible profondeur exploitées par chambres et piliers. Ainsi, la modélisation numérique par la méthode des éléments discrets (MED) a été choisie pour analyser l’instabilité des toits de carrières souterraines.La seconde partie s’intéresse au développement d’un modèle numérique qui a pour objectifs : d’une part, le développement d’un Programme de Discrétisation des Massifs Rocheux (PDMR) qui constitue le préprocesseur du logiciel STTAR3D et le développement d’un code permettant le calcul du coefficient de foisonnement des débris de l’effondrement. D’autre part, l’implémentation des lois de comportement sur STTAR3D.La troisième partie consiste à déterminer, d’une part les caractéristiques physico-mécaniques d’échantillons prélevés dans la carrière de la Brasserie (Paris-France), qui a été choisie pour une tester le modèle développé et d’autre part, les deux paramètres de la loi de comportement utilisée pour modéliser les contacts à savoir  et µ.Enfin, la dernière partie de ce travail est constituée des simulations numériques pour lesquelles les paramètres de la loi de comportement mesuré expérimentalement ont été introduits dans STTAR3D. Dans la première étude numérique menée, on s’intéresse à l’effet de la hauteur de chute, du rayon de l’ouverture initiale du fontis et du degré de fracturation sur le foisonnement des décombres, ainsi qu’à l’effet de la variation du foisonnement sur la hauteur de l’effondrement et sur l’affaissement. Dans un second temps, on réalise un modèle de la carrière de la Brasserie dont on calcule le comportement par simulation numérique afin d’obtenir l’affaissement en surface et la hauteur de l’effondrement qui sont comparés aux observations in-situ / Over time, the underground cavities are subjected to aging and several types of degradation can occur. The old underground cavities have probably not been designed to be stable over the long term. They have sometimes been totally or partially backfilled, but not in a systematic way. The collapse of a mine causes deconsolidation of the upper levels of the overburden. These mechanisms can cause two types of disorders on the surface: subsidence or sinkhole. Subsidence and sinkhole can cause severe damage to structures and infrastructures in surface, but also jeopardize the safety of the population.The work of this thesis revolves around the study of rock's bulking, sinkhole and its spread in the overburden. The aims of this thesis are twofold: firstly, to study the bulking of rock during the roofs mine collapse; Secondly, modeling the spread of the sinkhole in the overburden and thus to prioritize the parameters associated with this phenomenon.The first part of this thesis is a bibliographical study which summarizes the methods of exploitation, methods of analysis of stability of underground quarries, methods of prediction of the height of collapse and estimation of the bulking factor. At the end of this bibliographic synthesis, the study focused on shallow underground quarries operated by rooms and pillars. Thus, numerical modeling using the discrete element method (MED) was chosen to analyze the instability of roofs of underground quarries.The second part focuses on the development of a numerical model with the following objectives: on the one hand, the development of a Rock Mass Discretization Program (RMDP) which constitutes the preprocessor of the STTAR3D software and the development of a Code allowing calculation of the bulking factor of the rubble of collapse. On the other hand, implementation of the behavior laws on STTAR3D.The third part consists of determining, on the one hand, the physicals and mechanicals characteristics of samples taken from the quarry of the Brasserie (Paris-France), which was chosen to test the model developed. On the other hand, determining of parameters of the behavior law used for modeling the contacts, namely “” and “μ”.Finally, the last part of this work is made of numerical simulations for which the parameters of the behavior law measured experimentally have been introduced in STTAR3D. In the first numerical study, we investigate the effect of fall height, the radius of the initial opening of the sinkhole and the fracturing degree on the bulking of the rubble, as well as the effect of variation of the bulking on the collapse height and on the subsidence. In a second step, a model of the Brasserie’s mine is realized, the behavior of which is studied by numerical simulation in order to obtain the subsidence on the surface and the collapse height, which are compared with the in-situ observations