Cette thèse s’intéresse à la fabrication de pièces composites par le procédé Resin Transfert Molding (ou RTM), appliquée à des tubes de protection thermiques. Plus particulièrement, cette thèse vise à démontrer la faisabilité d’utiliser ce procédé pour la fabrication cette pièce complexe. La phase d’imprégnation de préformes sèches est plus particulièrement étudiée. Après mise en oeuvre, cette pièce peut présenter des défauts tels que de la porosité ou des déplacements de plis constituant la préforme. L’objectif de cette thèse est donc de comprendre l’origine de ces défauts et de minimiser voire de d’empêcher leur apparition. Pour cela, une démarche expérimentale a été mise en place. Celle ci comprend la réalisation d’un pilote de laboratoire permettant d’appliquer différentes conditions d’imprégnation aux préformes considérées. La perméabilité des renforts considérés a aussi été évaluée à différentes échelles grâce à l’utilisation de moyen dédiés à l’échelle macroscopique (banc de perméabilité planaire et transverse), et grâce à l’utilisation d’un code de calcul se basant sur des images de tomographie synchrotron à l’échelle microscopique. Enfin, une analyse de la qualité des prototypes réalisés a été menée en suivant des procédures mises en place lors de ce projet et les résultats analysés et mis en relation avec les conditions de mise en oeuvre. Cette approche expérimentale est couplée aux simulations numériques de la phase d’imprégnation que nous avons aussi mise en oeuvre au cours de cette thèse. Par l’utilisation combinée de la simulation numérique et des essais expérimentaux, nous avons défini des critères estimant le risque d’apparition des défauts. Ces critères ont montré leur efficacité sur les solutions innovantes que nous avons proposées puisque répondant aux exigences du cahier des charges industriel. / This work concerns the manufacturing of composite parts using the Resin Transfer Molding (RTM) process. A major goal of this study is to test the feasibility of using this process to manufacture a thick tubular part with a complex shape. This study concerns the different stages of the process with an important focus on the injection step of dry preforms. The goal of this thesis is to understand the generation of manufacturing defect (mainly porosity and preform deformation) that possibly takes place during the injection step to avoid them. An experimental procedure is proposed. An experimental setup was developed to study the influence of the different process parameters on the quality of the composite parts. The determination of the longitudinal and through the thickness permeabilities was conducted experimentally on sheared and un-sheared samples. An alternative technique to estimate the permeability is presented based on simulation software using X-ray tomography images at the microscale. At last, a quality control procedure was developed and applied to the tubes manufactured within this project. This experimental work was compared to numerical simulations of the injection stage. Using both numerical simulations and experiments, criteria on process and material parameters to predict the quality of the tailored parts are presented. Those criteria are successfully compared to experimental data and were applied to design innovative injection solutions that meet industrial specifications.

Le phénomène de suffusion correspond à la migration des particules fines érodées dans un milieu poreux sous l'action d’un flux hydraulique. Ce mécanisme pourrait être la cause principale des ruptures des remblais et des barrages en terre. De nombreuses études expérimentales ont été menées pour comprendre la suffusion et mettre en évidence les phénomènes couplés associés. Au niveau numérique, on trouve beaucoup de modèles analytiques et numériques mais rares sont ceux qui prennent en compte l’arrachement des particules, leur transport et leur dépôt éventuel (par un processus de colmatage ou pour des vitesses d’écoulement suffisamment faibles).En se basant sur une loi d’écoulement de type Darcy, sur la loi d’érosion de Papamichos et al (2001) modifiée par Bendahmane (2005)et sur une loi d’évolution de la viscosité de fluide (relation d’Einstein), nous développons une nouvelle approche hydromécanique de la suffusion. La résolution numérique du problème est réalisée par la méthode des éléments finis. Deux aspects sont présentés: le cadre général du modèle proposé (réalisé en 2D) avec une étude paramétrique et la validation du modèle avec une modélisation 3D réalisée avec le modèle géométrique de l’essai (Cross Erosion Test) (CET), ce qui permet de décrire à la fois les phénomènes d’érosion, de transport et de dépôt des particules érodées dans un milieu poreux saturé.Pour cela, nous avons choisi un outil de modélisation approprié à la représentation de phénomènes couplés tels que ceux mobilisés par l’érosion interne. Le logiciel Comsol-Multiphysics 3.4b, basé sur la méthode des éléments finis, a été retenu car il permet d’implanter relativement facilement de nouvelles équations constitutives des phénomènes. Dans un deuxième temps, le modèle a été validé sur des expériences de référence reflétant les phénomènes étudiés. Nous avons utilisé les résultats expérimentaux de Nguyen (2013) qui a mis au point un nouveau dispositif expérimental au laboratoire 3SR appelé " l'Essai d’Érosion Transverse " ou Cross Érosion Test. Deux types de sol ont été considérés : un sol gravelo-sableux(noté S3) et un sol limoneux de l’Isère (noté S4 et S4-a).Afin de discuter des aspects transitoire et dynamique du phénomène de suffusion, les vitesses d’écoulement, les gradients hydrauliques, la distribution de la porosité et de la perméabilité, la distribution de la concentration des particules érodées en suspension, et enfin la masse érodée sortantes ont mesurés au cours du temps et comparés aux résultats du modèle physique. / The phenomenon of Suffusion corresponds to the migration of fine eroded particles in a porous medium under the action of an internal water flow. This mechanism could be the main origin of damage in embankments and earth dams. Many experimental studies have been done to analyse the suffusion but actually understanding this phenomenon appears as a major scientific challenge. On the other hand, numerically, only a few studies were found which associate the mechanisms of detachment, transport and deposition of eroded particles.Based on the Darcy’s law model, the erosion model of Papamichos et al (2001) modified by Bendahmane (2005) and the fluid viscosity evolution law (Einstein relation), we developed a new hydro-mechanical approach of suffusion. The numerical solution of the problem is carried out by using a finite element method. Two aspects are presented: first, the general framework of the proposed model (implemented in 2D) with a parametric study and then the validation of the numerical model realized with a 3D study of the geometric model of the experimental study of Cross Erosion Test (CET). This model describes the three phenomena of suffusion: erosion, transport and deposition of eroded particles in a saturated soil.Furthermore, the numerical modeling of coupled phenomena of internal erosion is performed using the commercial software "Comsol Multiphysics-3.4b". However, to validate the model, experimental results on two types of soil: sandy gravel soil (S3) and the silt of Isère (S4 and S4-a) are used. These results are found in the PhD thesis of Nguyen(2013) who has developed a new apparatus called Cross Erosion Test (CET).Moreover, to discuss the transient and dynamic aspects of the phenomenon, the evaluation of the mass conservation with different figures of flow velocity, hydraulic gradient, hydraulic head, porosity and permeability distribution, concentration distribution, and of outgoing eroded particles, are measured over time and compared with experimental results.

La perméabilité des roches est fortement influencée par la présence de fractures car ces dernières constituent un chemin préférentiel pour l’écoulement des fluides. Ainsi la présence de fractures naturelles est un facteur déterminant pour la productivité d’un réservoir. Dans le cas de roches à faible conductivité, des techniques de stimulation telle que la fracturation hydraulique sont utilisées pour en augmenter la perméabilité et rendre le réservoir exploitable d’un point de vue économique. A l’inverse, dans le cas du stockage géologique, la présence de fractures dans la roche représente un danger dans la mesure où elle facilite le transport et la migration des espèces disséminées dans la roche. Pour le stockage de CO2, les fuites par les fractures présentes dans les couvertures du réservoir et la réactivation des failles constituent un risque majeur. Et en ce qui concerne le stockage géologique de déchets radioactifs, la circulation de fluide dans des réseaux de fractures nouvelles ou réactivées au voisinage de la zone de stockage peut aboutir à la migration de matériaux nocifs. Il est donc important de prévoir les effets de la présence de fractures dans un réservoir. Le but de cette thèse est le développement d’un outil numérique pour la simulation d’un réseau de fractures et de son évolution sous sollicitation hydro-mécanique. Grâce à sa commodité, la méthode des éléments finis étendue (XFEM) sera retenue et associée à un modèle de zone cohésive. La méthode XFEM permet en effet l’introduction de fissures dans le modèle sans nécessairement remailler en cas de propagation des fissures. L’écoulement du fluide dans la fissure et les échanges de fluide entre la fissure et le milieu poreux seront pris en compte via un couplage hydro-mécanique. Le modèle est validé avec une solution analytique asymptotique pour la propagation d’une fracture hydraulique plane dans un milieu poroélastique en 2D comme en 3D. Puis, nous étudions la propagation de fractures hydrauliques sur trajets inconnus. Les fissures sont initialement introduites comme des surfaces de fissuration potentielles étendues. Le modèle de zone cohésive sépare naturellement les domaines adhérents et ouverts. Les surfaces potentielles de fissuration sont alors actualisées de manière implicite par un post-traitement de l’état cohésif. Divers exemples de réorientation de fissures hydrauliques et de compétition entre fissures voisines sont analysés. Enfin, nous présentons l’extension du modèle aux jonctions de fractures hydrauliques / The permeability of rocks is widely affected by the presence of fractures as it establishes prevailing paths for the fluid flow. Natural cracks are then a critical factor for a reservoir productiveness. For low permeability rocks, stimulation techniques such as hydrofracturing have been experienced to enhance the permeability, so that the reservoir becomes profitable. In the opposite, when it comes to geological storage, the presence of cracks constitutes a major issue since it encourages the leak and migration of the material spread in the rock. In the case of CO2 storage, the scenario of leakage across the reservoir seal through cracks or revived faults is a matter of great concern. And as for nuclear waste storage, the fluid circulation in a fracture network around the storage cavity can obviously lead to the migration of toxic materials. It is then crucial to predict the effects of the presence of cracks in a reservoir. The main purpose of this work is the design of a numerical tool to simulate a crack network and its evolution under hydromechanical loading. To achieve this goal we chose the eXtended Finite Element Method (XFEM) for its convenience, and a cohesive zone model to handle the crack tip area. The XFEM is a meshfree method that allows us to introduce cracks in the model without necessarily remeshing in case of crack propagation. The fluid flow in the crack as well as the exchanges between the porous rock and the crack are accounted for through an hydro-mechanical coupling. The model is validated with an analytical asymptotic solution for the propagation of a plane hydraulic fracture in a poroelastic media, in 2D as well as in 3D. Then we study the propagation of hydraulic fractures on non predefined paths. The cracks are initially introduced as large potential crack surfaces so that the cohesive law will naturally separate adherent and debonding zones. The potential crack surfaces are then updated based on a directional criterion appealing to cohesive integrals only. Several examples of crack reorientation and competition between nearby cracks are presented. Finally, we extend our model to account for the presence of fracture junctions

Le présent travail montre la modélisation constitutive d'un géomatériau composé d'une matrice poreuse saturée et déformable contenant une distribution périodique de fissures évolutives remplies de fluide. La méthode d'homogénéisation des développements asymptotiques est utilisée afin de déduire un modèle capable de décrire le couplage hydro-mécanique macroscopique. Prenant en considération l'évolution de fissures et sans faire des hypothèses phénoménologiques, une analyse énergétique mésoscopique couplé avec un schéma d'homogénéisation a été développée et elle fournit une loi d'évolution d'endommagement macroscopique. De cette façon, un lien direct entre les phénomènes de rupture de la structure mésoscopique et l'endommagement macroscopique correspondant est établie. Finalement, on présente une étude numérique du comportement macroscopique d'endommagement hydro-mécanique. / This work presents the constitutive modeling of a geomaterial consisting of a deformableand saturated porous matrix including a periodic distribution of evolving fluid-filledcavities. The homogenization method based on two-scale asymptotic developments isused in order to deduce a model able to describe the macroscopic hydro-mechanicalcoupling. By taking into account the cavity growth and without any phenomenologicalassumption, it is proposed a mesoscopic energy analysis coupled with the homogenizationscheme which provides a damage evolution law. In this way, a direct link between themeso-structural fracture phenomena and the corresponding macroscopic damage isestablished. Lastly, a numerical study of the local macroscopic hydro-mechanical damage behaviour is presented. / In questa tesi si presenta la modellazione costitutiva di un geomateriale composto da unamatrice porosa satura e deformabile contenente una distribuzione periodica di cavitàriempite da fluido che si propagano. Il metodo di omogeneizzazione basato sugli sviluppiasintotici a doppia scala viene utilizzato con l'obiettivo di dedurre un modello capace didescrivere l'accoppiamento idro-meccanico macroscopico. Prendendo in considerazione lapropagazione delle cavità e senza nessuna ipotesi fenomenologica, si propone un'analisienergetica mesoscopica accoppiata ad uno schema di omogeneizzazione che fornisce unalegge di evoluzione del danno.In questo modo, una relazione diretta tra i fenomeni difrattura meso-strutturali ed il corrispondente danno macroscopico viene stabilita. Infine,uno studio numerico del comportamento macroscopico locale di danno idro-meccanico viene presentato.

L'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) a commencé en 2000 la construction du Laboratoire Souterrain de Meuse / Haute-Marne (LS-M/HM) avec l'objectif principal de démontrer la faisabilité d’un stockage géologique dans l’argilite du Callovo-Oxfordien. Un réseau de galeries expérimentales a été excavé, principalement en suivant les directions des contraintes horizontales (majeure et mineure), avec des variations sur : la méthode d'excavation, la géométrie de la structure et le soutènement. Chaque galerie a été instrumentée en différentes sections pour suivre le comportement hydromécanique de la roche face à l’excavation. Le suivi de la zone autour des galeries excavées au niveau principal (-490 m) a révélé le développement d'une zone fracturée (fractures en extension et en cisaillement) induite par l'excavation. La distribution de la zone fracturée dépend à la fois de l'orientation de la galerie et du champ de contraintes in-situ et a une influence importante sur la déformation des galeries. En effet, les mesures de convergence ont montré une fermeture anisotrope de la section de la galerie. De plus, il a été observé un champ de distribution anisotrope de la pression de pores ainsi que des surpressions autour des galeries.Afin d’analyser la réponse anisotrope du massif pendant l’excavation et après celle-ci, les travaux effectués dans le cadre de la thèse sont axés principalement sur une étude directe des mesures de convergence in-situ. Cette analyse s’effectue à l’aide de la loi semi-empirique proposée par Sulem et al. (1987) [Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 24: 145–154]. A cet égard, différentes galeries excavées dans le LS-M/HM ont été étudiées. Ces galeries présentent certaines différences dans leurs orientations et l’état initial des contraintes, dans la méthode et la vitesse d’excavation ainsi que dans les diamètres de la section et les types de soutènements installées. Cette analyse permet d’obtenir des prédictions fiables de la convergence à long-terme, ce qui peut servir pour le dimensionnement et la prévision de la performance du soutènement à long-terme.En outre, nous avons étudié la réponse anisotrope du champ de pression interstitielle observée in-situ. Cette analyse est basée sur une approche poroélastique anisotrope. L’objectif principal est de reproduire qualitativement l’évolution de la pression des pores autour des galeries avec une approche simple qui prend en compte l’anisotropie intrinsèque du matériau. Enfin, une analyse de l’apparition de la rupture montre le rôle clé que joue le couplage hydromécanique dans l’extension de la zone fracturée / The French National Radioactive Waste Management Agency (Andra) began in 2000 the construction of an Underground Research Laboratory (URL) with the main goal of demonstrating the feasibility of a geological repository in Callovo-Oxfordian claystone. Several research programs have taken place to improve the knowledge of the rock properties and its response to the excavation progress. A network of experimental drifts has been constructed with variations on: excavation method, structure geometry, supports system and orientations with respect to principal stresses’ directions. In each drift different sections have been instrumented to monitor the hydro-mechanical behavior of the rock mass formation. Continuous monitoring of the excavated zone around the drifts in the main level (-490 m) revealed the development of a fractured zone (extensional and shear fractures) induced by the excavation. The extent of this fractured zone depends on the drift orientation regarding the in-situ stress field. Accordingly, the convergence measurements showed an anisotropic closure which depends also on the drifts’ orientations. Moreover, marked overpressures and an anisotropic pore pressure field around the drifts have been also observed.The approach proposed in this work is mainly based on a direct analysis of the convergence measurements, for studying the anisotropic response of the rock formation during and after excavation. The convergence evolution is analyzed on the basis of the semi-empirical law proposed by Sulem et al. (1987) [Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 24: 145–154]. The monitoring and analysis of convergence data can provide a reliable approach of the interaction between rock mass and support. Therefore, the anisotropy and the variability of the closure are analyzed taking into account different field cases: drifts excavated in two different orientations (i.e. influence of the initial stress state), different methods, sizes and rates of excavation and different supports systems with different conditions of installation. This broad range of cases permits to refine the analysis for reliable predictions of the convergence evolution in the long term. This approach can thus be used for the design of various types of support and the evaluation of its performance in the long term.On the other hand, the pore pressure evolution induced by excavation of drifts as recorded in situ has been analyzed. The anisotropic response observed in-situ suggests that the intrinsic anisotropy of the material plays a key role in the response of the rock formation. To understand these phenomena, an anisotropic poroelastic analysis of the pore pressure evolution induced by the drift excavation is performed. The main goal is to simulate the main trends of the pore pressure evolution with a simple model taking into account the inherent anisotropy of the material. Finally, an analysis of the onset of failure shows the key role of the hydro-mechanical coupling on the extension of the failed zone around the drifts

Les géo-structures telles que les barrages et les digues sont soumises à des écoulements hydrauliques variant dans le temps et dans l'espace. L'eau qui traverse ces milieux poreux peut entraîner le détachement et le transport de certaines particules des sols constituant les structures et leurs fondations. Ce problème est généralement appelé "érosion interne". Le terme suffusion, un type d'érosion interne, se réfère au détachement et au transport de particules les plus fines à traversune matrice de sol poreuse plus grossière en raison d'un écoulement hydraulique. L'évolution temporelle de la suffusion peut modifier les propriétés hydrauliques et mécaniques des sols et peut entraîner des changements importants dans le comportement de telles structures pouvant aller jusqu’à leur effondrement. Ce travail de thèse tente de contribuer à la conception et à la durabilité des ouvrages en ingénierie géotechnique et hydraulique en mettant un accent particulier sur les barrages, les levées et les digues. Il a été consacré à développer un modèle numérique de suffusion en introduisant d’une part le couplage des phénomènes hydrauliques et mécaniques et d’autre part le couplage des phénomènes d'érosion et de filtration. / Geo-structures such as dams and levees or dikes are subjected to seepage varying in time and space. The water flowing through these porous media can lead to the detachment and transport of part of the soil particles within the structures or their foundations. This problem is usually called internal erosion. The term suffusion, one type of internal erosion, refers to the detachment and transport of finer particles through a coarser porous soil matrix due to seepage flow. Suffusion can modify with time the hydraulic and mechanical properties of the soils and may trigger significant damage on such structures and lead eventually to their collapse. This research attempts to contribute to the design and sustainability of geotechnical and hydraulic engineering structures, with a particular focus on embankment dams, levees, and dikes. It aims to develop a numerical model of suffusion by introducing, on the one hand, the coupling of the hydraulic and mechanical phenomena and, on the other hand, the coupling of erosion and filtration.

To uilize the shallow geothermal energy, heat pumps are often coupled with borehole heat exchangers (BHE) for heating and cooling buildings. In cold regions, soil freezing around the BHE is a potential problem which can seriously influence the underground soil temperature distribution, inlet and outlet fluid temperature of the BHE, and thus the efficiency of the whole GSHP system. The influence of the freezing process on the overall system performance is investigated by comparing different BHE configuration with and without latent heat effect from the frozen groundwater. The coefficient of performance (COP) of the heat pump will alter when freezing process in taken into account and lead to various electricity consumption. Except for the efficiency aspect, the freezing behavior can also lead to the redistribution of pore pressure and fluid flow, and in some extreme cases can even result in frost damage to the BHEs. A fully coupled thermohydro-mechanical model is required for advanced system design and scenario analyses. Based on the framework of the Theory of Porous Media, a triphasic freezing model is derived and solved with the finite element method. Ice formation in the porous medium results from a coupled heat and mass transfer problem with phase transition and is accompanied by volume expansion. The model is able to capture various coupled physical phenomena through the freezing process including the latent heat effect, groundwater flow with porosity change and mechanical deformation. With this kind of THM freezing model, we are also able to solve different kinds of engineering problem, e.g. geotechnics, construction engineering and material engineering.

Le comportement à long terme des excavations souterraines est un enjeu social et économique majeur, en particulier dans le contexte du stockage en formation géologique profonde de déchets nucléaires à Haute Activité et Vie Longue (HAVL). Plusieurs galeries expérimentales ont été creusées dans le laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne situé près de Bure en France, où des études sont menées pour comprendre le comportement global de la roche constitutive : l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx).L’objectif de cette thèse est d’effectuer une modélisation avec Code_Aster d’ouvrages souterrains, et en particulier d’une des galeries du laboratoire de Meuse/Haute-Marne, en prenant en compte une approche non locale, l’effet du fluage et le couplage hydromécanique dans le cadre de la mécanique des milieux poreux, et de comparer les résultats numériques avec les données expérimentales disponibles.Le modèle élastoviscoplastique spécifiquement utilisé pour cette étude est le modèle L&K : il offre d’une part un couplage entre le comportement instantané et différé, et prend en compte d’autre part la dilatance, paramètre qui gouverne les déformations volumiques du matériau lors d’une sollicitation, et ses fortes variations, caractéristique essentielle des géomatériaux et en particulier du COx. La présence d’un fluide s’écoulant à travers le matériau va ajouter une composante hydraulique à la modélisation, dont le couplage avec la mécanique est assuré par les équations de Biot. Une autre nouveauté de ce travail concerne le couplage entre ce comportement rhéologique complexe et une approche non locale dans un cadre industriel. Parmi les méthodes de régularisation disponibles dans Code_Aster, la méthode second gradient de dilatation a été choisie parce que bien adaptée aux géomatériaux. Son but est de corriger la dépendance au maillage et les solutions numériques localisées.Une fois les outils numériques opérationnels et les paramètres du modèle L&K calés sur des essais effectués en laboratoire sur des échantillons, un bon accord général a été trouvé entre les résultats numériques et les mesures in situ, sans aucun recalage des paramètres. Les effets du temps observés expérimentalement sur l’évolution des déplacements et des pressions d’eau sont retrouvés au sein d’une même modélisation, validant ainsi la démarche prédictive suivie / The long term behaviour of underground excavations is a social and economic stake, in particular in the context of storage in deep geological formation of high activity and long life nuclear waste. Several experimental galleries have been dug in the underground research laboratory (URL) of Meuse/Haute-Marne located close to Bure in France, where studies are leaded in order to understand the global behaviour of the constitutive rock which is the Callovo-Oxfordian (COx) argillite.The purpose of this PhD Thesis is to establish a modelling with Code_Aster of underground excavations, and especially of a Meuse/Haute-Marne laboratory gallery, taking into account non local approach, creep effect and hydromechanical coupling in the framework of the mechanics of porous media, and then to compare numerical results with available experimental data.The specific elastoviscoplastic model used in this study is the L&K model: it offers a coupling between instantaneous and delayed behaviour, and it takes into account the dilation, parameter which governs the volume strains of the material during a solicitation, and its strong variation, a specificity of geomaterials and so of COx argillite. The fluid flowing through the material adds a hydraulic component to the modelling, which is coupled to mechanic component thanks to Biot’s equations.Another novelty of this work concerns the coupling between such complex rheological behaviour and a non local approach in an industrial way. Among methods of regularization available in Code_Aster, the second gradient of dilation is well fitted to geomaterials. Its aim is to correct mesh dependency and numerical localized solutions.After describing numeric tools and setting parameters of the L&K model on laboratory tests, a good general agreement was found between numeric results and in situ measures, without resetting parameters. Time effects experimentally measured on displacement and pore pressure evolution are observed in the same modelling, validating the followed predictive approach

Le comportement des roches-réservoirs souterraines est un sujet important pour de nombreuses applications liées à la production d’énergie (extraction d’hydrocarbures, séquestration de CO2, ...). L'une des principales questions posées est celle de l'effet des déformations sur les propriétés de transfert hydraulique de la roche, en particulier en conditions saturées. En effet, la déformation des géomatériaux est rarement homogène en raison de conditions aux limites complexes et de sa tendance intrinsèque à se localiser. Cette non-uniformité spatiale de la déformation produit un champ de perméabilité hétérogène. Cela remet en question la validité (a) des méthodes traditionnelles d'analyse macroscopique et (b) des mesures établies principalement loin des zones de déformation localisée. Ainsi, pour améliorer la caractérisation des géo-matériaux, il est crucial d’avoir des mesures locales de la perméabilité, et de connaître la relation entre la déformation et la perméabilité, qui gouverne leur comportement hydraulique.Cette thèse porte sur l’étude du couplage hydromécanique des roches par tomographie aux neutrons et aux rayons X, ainsi que sur le développement de nouvelles méthodes d'analyse. Même si le recours à l'imagerie par rayons X en géosciences devient de plus en plus accessible, la détection directe des fluides a été très limitée en raison du faible contraste air/eau dans les géomatériaux. Contrairement aux rayons X, les neutrons sont très sensibles à l’hydrogène présent dans l'eau. La radiographie par neutrons permet donc d'obtenir des images où la détection du fluide est bien plus facile. De plus, les neutrons sont sensibles aux isotopes, ce qui veut dire que l’eau lourde et celle normale, qui ont des propriétés physico-chimiques proches, peuvent être distinguées avec une grande précision. Il faut noter que l’imagerie aux neutrons pour les roches est un domaine expérimental qui est essentiellement inexploré, ou limité à des études 2D d'échantillons secs, avec peu ou pas de contrôle sur les conditions aux limites.Dans le cadre de ce travail, nous avons conçu une nouvelle cellule triaxiale, avec un contrôle asservi, pour effectuer des expériences d'écoulement de fluides multiples dans un échantillon de roche saturé et chargé mécaniquement avec acquisition des données neutroniques en 4D. Une autre originalité du projet est l'utilisation d'installations d'imagerie neutroniques à haute performance (CONRAD-2 au Helmholtz Zentrum à Berlin et NeXT à l'Institut Laue-Langevin à Grenoble), profitant de la technologie de pointe et des lignes de faisceaux les plus puissantes du monde. Cela a permis d'acquérir des données à une fréquence optimale pour notre étude.Ce travail présente les résultats de plusieurs campagnes expérimentales couvrant une série de conditions initiales et de conditions aux limites relativement complexes. Pour quantifier le couplage hydromécanique local, nous avons appliqué un certain nombre de procédures de post-traitement standard et nous avons également développé un ensemble de méthodes de mesure, par exemple pour suivre le front d’eau et déterminer les cartes de vitesse 3D. Les résultats montrent que la vitesse du front d’eau entraîné par imbibition dans un échantillon sec est augmentée à l’intérieur d'une bande de cisaillement compactante, tandis que la vitesse d’écoulement entraîné par la pression est réduite dans les échantillons saturés, quelque soit la réponse volumétrique de la bande de cisaillement (compactante / dilatante). La nature des données 3D et des analyses s'est révélée essentielle dans la caractérisation du comportement mécanique complexe des échantillons et de la vitesse d'écoulement qui en résulte.Les résultats expérimentaux obtenus contribuent à la compréhension de l'écoulement dans les matériaux poreux sous chargement, garantissent la pertinence de l'analyse et permettent d’etablir une méthode expérimentale pour d'autres campagnes hydromécaniques in-situ. / The behaviour of subsurface-reservoir porous rocks is a central topic in resource engineering industry and has relevant applications for hydrocarbon and water production or CO2 sequestration. One of the key open issues is the effect of deformations on the hydraulic properties of the host rock, specifically in saturated environments. Deformation in geomaterials is rarely homogeneous because of the complex boundary conditions they undergo as well as for their intrinsic tendency to localise. This non uniformity of the deformation yields a non uniform permeability field, meaning that the traditional macroscopic analysis methods are outside their domain of validity. These methods are in fact based on measurements taken at the boundaries of a tested sample, under the assumption of internal homogeneity. At this stage, our understanding is in need of direct measurements of the local fluid permeability and its relationship with localiseddeformation.This doctoral dissertation focuses on the acquisition of such local data about the hydro mechanical properties of porous geomaterials in full-field, adopting neutron and x-ray tomography, as well as on the development of novel analysis methods. While x-ray imaging has been increasingly used in geo-sciences in the last few decades, the direct detection of fluid has been very limited because of the low air/water contrast within geomaterials. Unlike x-rays, neutrons are very sensitive to the hydrogen in the water because of their interaction with matter (neutrons interact with the atoms’ nuclei rather than with the external electron shell as x-rays do). This greater sensitivity to hydrogen provides a high contrast compared to the rock matrix, in neutron tomography images that facilitates the detection of hydrogen-rich fluids. Furthermore, neutrons are isotope-sensitive, meaning that water (H 2 0) and heavy water (D20), while chemically and hydraulically almost identical, can be easily distinguished in neutron imaging.The use of neutron imaging to investigate the hydromechanical properties of rocks is a substantially under-explored experimental area, mostly limited to 2D studies of dry, intact or pre-deformed samples, with little control of the boundary conditions. In thiswork we developed a new servocontrolled triaxial cell to perform multi-fluid flow experiments in saturated porous media, while performing in-situ loading and acquiring 4-dimensional neutron data.Another peculiarity of the project is the use of high-performance neutron imaging facilities (CONRAD-2, in Helmholtz Zentrum Berlin, and NeXT-Grenoble, in Institut Laue-Langevin), taking advantage of the world’s highest flux and cutting edge technology to acquire data at an optimal frequency for the study of this processes. The results of multiple experimental campaigns covering a series of initial and boundary conditions of increasing complexity are presented in this work.To quantify the local hydro-mechanical coupling, we applied a number of standard postprocessing procedures (reconstruction, denoising, Digital Volume Correlation) but also developed an array of bespoke methods, for example to track the water front andcalculate the 3D speed maps.The experimental campaigns performed show that the speed of the water front driven by imbibition in a dry sample is increased within a compactant shear band, while the pressure driven flow speed is decreased in saturated samples, regardless of the volumetric response of the shear band (compactant/dilatant). The 3D nature of the data and analyses has revealed essential in the characterization of the complex mechanical behaviour of the samples and the resultant flow speed.The experimental results obtained contribute to the understanding of flow in porous materials, ensure the suitability of the analysis and set an experimental method for further in-situ hydromechanical campaigns.

Nous présentons deux approches différentes pour décrire le couplage hydromécanique des géomatériaux. Dans une approche de type phénoménologique nous traitons le milieu poreux comme un milieu continu équivalent dont les interactions entre la phase fluide et le squelette solide constituent le couplage du mélange à l'échelle macroscopique. En caractérisant le comportement de chaque phase nous arrivons à décrire le comportement couplé du milieu couplé saturé.Nous utilisons cette approche pour modéliser des essais expérimentaux faits sur un cylindre creux pour une roche argileuse (argile de Boom). Les résultats expérimentaux montrent de façon claire que le comportement de cette roche est fortement anisotrope. Nous avons choisi de modéliser ces essais en utilisant une lois de comportement élasto-plastique pour laquelle la partie élastique est transversalement isotrope.Le problème aux conditions aux limites étudié met en évidence des déformations localisées autour du forage intérieur. Afin de décrire de façon objective le développement de ces bandes de cisaillement nous avons considéré un milieu continu local de type second gradient qui permet d'introduire une longueur interne. De ce fait nous avons pu étudier le problème d'unicité en montrant qu'un changement de la discrétisation temporelle du problème aux limites peut conduire à des solutions différentes.Dans la deuxième approche étudiée nous caractérisons la microstructure du matériau avec des grains et un réseau de canaux pour la phase fluide. À l'aide d'un processus numérique d'homogénéisation nous arrivons à calculer numériquement la contrainte du mélange et le flux massique. Cette méthode d'homogénéisation numérique a été implémentée dans un code aux éléments finis afin d'obtenir des résultats macro. Une validation de l'implentation est proposée pour des calculs en mecanique pure et en hydromécanique. / We present two different approaches to describe the hydromechanical behaviour of geomaterials. In the first approach the porous media is studied through an equivalent continuum media where the interaction between the fluide and solid phases caracterize the coupling behaviour at the macroscale.We take into account this approach to model experimental tests performed over a hollow cylinder sample of clay rock (Boom Clay), considered for nuclear waste storage. The experimental results clearly show that the mechanical behaviour of the material is strongly anisotropic. For this reason we chose an elasto-plastic model based on Drucker-Prager criterion where the elastic part is characterized by cross anisotropy.The numerical results of boundary value problem clearly show localised strains around the inner hollow section. In order to regularize the numerical problem we consider a second gradient local continuum media with an enriched kinematic where an internal lenght can be introduced making the results mesh independent. The uniqueness study is carried out showing that changing the temporal discretization of the problem leads to different solutions.In the second approach we study the hydromechanical behaviour of a porous media that it is characterised by the microstructure of the material. The microstructure taken into account is composed by elastic grains, cohesives interfaces and a network of fluid channels. Using a periodic media a numerical homogenization (square finite element method) is considered to compute mass flux, stress and density of the mixture. In this way a pure numerical constitutive law is built from the microstructure of the media. This method has been implemented into a finite element code (Lagamine, Université de Liège) to obtain results at the macroscale. A validation of this implementation is performed for a pure mechanical boundary value problem and for a hydromechanical one.