The present work deals with the behavior of ancient railway sub-structure in France. A statistical study was firstly undertaken on problems occurred in the whole ancient French railway network. The analysis evidenced the particular importance of sub-grade quality for the performance of the sub-structure and the track geometry. Afterwards, an ancient railway line in the West of France was investigated. The analysis showed that the degradation speed of this line was correlated with different parameters such as the nature of sub-grades and the thickness of different layers. An increase trend of degradation speed with the increase in interlayer thickness was identified. The interlayer has a positive impact since it reduces the train-induced stress applied to the sub-grade. The hydro-mechanical behavior of interlayer soil under different conditions (water content, fines content, stress, number of cycles) was investigated. A set of triaxial tests and infiltration tests were performed for this purpose. By analyzing the shear strength properties, the permanent axial strain and the resilient modulus of interlayer soil, we found that the water content and the fines content must be considered together. Adding more fines into the interlayer presents a positive impact under unsaturated conditions thanks to the suction effect, but a negative impact under saturated conditions. The infiltration column tests with drying/wetting cycles showed that the hydraulic conductivity of interlayer soil is governed by fines fraction but did not change significantly with fines content. In order to study the mechanism of interlayer creation and mud pumping, a physical model of 550 mm inner diameter was developed. Soil samples representing the ancient French railway substructure with a ballast layer overlying an artificial silt layer (mixture of crushed sand and kaolin were tested. The effects of monotonic and cyclic loadings, water content and dry unit mass of sub-soil were investigated. It was found that the pore water pressure developed in the sub-soil and the sub-soil stiffness are the key factors for the migration of fine particles or the creation of interlayer/mud pumping. Water is the necessary condition, but it is the soil compressibility that governs the phenomenon to occur

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.

La présente étude vise à comprendre le comportement chimico-hydro-mécanique des argiles raides à travers deux formations géologiques, l'argile de Boom et les argiles yprésiennes, qui sont censées être des formations hôtes potentielles pour le stockage de déchets radioactifs en Belgique. Le comportement volumique a été étudié tant à l'état intact qu'à l'état reconstitué, et sous différentes conditions : K0 et isotrope, sous des boucles de chargement - déchargement. Les résultats obtenus montrent que le comportement volumique de ces argiles est gouverné par la compétition entre l'effet physico-chimique et l'effet mécanique, caractérisée par une contrainte seuil qui correspond à la contrainte de gonflement en termes de changements de structure. Une loi de comportement volumique a été ainsi développée afin de décrire cet aspect. La perméabilité a été déterminée, comparée avec les résultats dans la littérature et corrélée avec les paramètres comme l'indice des vides. La variation de la perméabilité avec la profondeur ont mis en évidence le rôle déterminant des macro-pores dans le transfert des fluides. Le comportement volumique et la perméabilité des argiles de Boom et yprésiennes intactes sont aussi influencés par la variation de la composition chimique de l'eau de pore, qui modifie la double couche diffuse et favorise l'agrégation des particules argileuses. Les caractéristiques élastiques, la surface de charge et l'enveloppe de rupture ont été identifiées pour le comportement déviatorique des argiles de Boom et yprésiennes. Un modèle élasto-plastique conceptuel a été développé permettant de tenir compte des effets du gonflement et de la compétition entre l'effet mécanique et l'effet physico-chimique / The present research aims to understand the chemo-hydro-mechanical behavior of stiff clays through two geological formations, the Boom Clay and the ypresian clays which are considered as possible host formations for the radioactive wastes disposal in Belgium. The volume change behavior was studied in both intact and reconstituted states, and under different conditions: under K0 and isotropic loading, under loading/unloading loops. The results show that the volume change behavior is governed by the competition between the physico-chemical effect and the mechanical effect, characterized by a threshold stress which corresponds to the swelling stress in terms of structure changes. A constitutive law was developed to capture this aspect. The permeability was determined, compared with the results in literature and correlated with the parameters as void ratio. The permeability variation with depth shows the important role of macro-pores in fluids' transfer. The volume change behavior and permeability of intact Boom Clay and ypresian clays are also influenced by pore water chemical composition changes which modify the diffuse double layer and give rise to the aggregation of clay particles. The elastic parameters, yield curve and failure envelope of Boom Clay and ypresian clays were identified. A conceptual elasto-plastic model was developed, accounting for the swelling effects and the competition between the physico-chemical effect and the mechanical effect

Le présent travail porte sur le comportement des plates-formes ferroviaires anciennes en France. Tout d'abord, une étude statistique a été menée sur les problèmes survenus dans l'ensemble du réseau ferroviaire français. L'analyse montre l'importance particulière de la qualité du sol support pour la performance de la sous-structure et pour la tenue géométrique des voies. Ensuite, une ligne ferroviaire ancienne située à l'Ouest de la France a été étudiée spécifiquement. Les analyses montrent que la vitesse de dégradation de cette ligne est en corrélation avec les différents paramètres tels que la nature de sol support, l'épaisseur des couches de la sous-structure. Une tendance d'augmentation de la vitesse de dégradation avec la diminution de l'épaisseur de la couche intermédiaire est identifiée. Cette couche as un impact positif puisqu'elle réduit les contraintes appliquées au sol support. Le comportement hydromécanique du sol de la couche intermédiaire dans des conditions différentes (teneur en eau, teneur en particules fines, charge, nombre de cycles) a été étudié. Des essais triaxiaux et des essais de colonne d'infiltration ont été réalisés à cette fin. En analysant les propriétés de résistance au cisaillement, la déformation axiale permanente et le module réversible, on a constaté que les effets de la teneur en eau et de la teneur en fines doivent être pris en compte ensemble. Une augmentation de teneur en fines dans la couche intermédiaire présente un impact positif à l'état non saturé grâce à l'effet de la succion, mais un impact négatif à l'état saturé. Les essais de colonne d'infiltration avec des cycles de séchage/humidification ont montré que la conductivité hydraulique du sol est gouvernée par la fraction de fines et qu'elle ne change pas significativement avec la teneur en fines. Afin d'étudier les mécanismes de la création de la couche intermédiaire et de remontée boueuse, un modèle physique de 550 mm de diamètre intérieur a été développé. Des échantillons de sol qui représentent la sous-structure ferroviaire ancienne avec une couche de ballast posée sur une couche de limon artificielle (mélange de sable concassé et du kaolin) ont été testés. Les effets des charges monotones et cycliques, de la teneur en eau et de la masse volumique sèche du sol support ont été étudiés. Il a été constaté que la pression interstitielle développée dans le sol support et la rigidité du sol support sont des facteurs clés pour la migration des particules fines ou la création de la couche intermédiaire/la remontée boueuse. L'eau est la condition nécessaire, mais c'est la compressibilité du sol support qui gouverne le phénomène à se produire / The present work deals with the behavior of ancient railway sub-structure in France. A statistical study was firstly undertaken on problems occurred in the whole ancient French railway network. The analysis evidenced the particular importance of sub-grade quality for the performance of the sub-structure and the track geometry. Afterwards, an ancient railway line in the West of France was investigated. The analysis showed that the degradation speed of this line was correlated with different parameters such as the nature of sub-grades and the thickness of different layers. An increase trend of degradation speed with the increase in interlayer thickness was identified. The interlayer has a positive impact since it reduces the train-induced stress applied to the sub-grade. The hydro-mechanical behavior of interlayer soil under different conditions (water content, fines content, stress, number of cycles) was investigated. A set of triaxial tests and infiltration tests were performed for this purpose. By analyzing the shear strength properties, the permanent axial strain and the resilient modulus of interlayer soil, we found that the water content and the fines content must be considered together. Adding more fines into the interlayer presents a positive impact under unsaturated conditions thanks to the suction effect, but a negative impact under saturated conditions. The infiltration column tests with drying/wetting cycles showed that the hydraulic conductivity of interlayer soil is governed by fines fraction but did not change significantly with fines content. In order to study the mechanism of interlayer creation and mud pumping, a physical model of 550 mm inner diameter was developed. Soil samples representing the ancient French railway substructure with a ballast layer overlying an artificial silt layer (mixture of crushed sand and kaolin were tested. The effects of monotonic and cyclic loadings, water content and dry unit mass of sub-soil were investigated. It was found that the pore water pressure developed in the sub-soil and the sub-soil stiffness are the key factors for the migration of fine particles or the creation of interlayer/mud pumping. Water is the necessary condition, but it is the soil compressibility that governs the phenomenon to occur