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

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

On désigne habituellement par retrait-gonflement des sols argileux les variations de volume qu’un massif d’argile peut subir sous l’effet des variations de la pression interstitielle négative (succion) de l’eau, lors d’une humidification ou d’un séchage. L’objectif de ce travail est de compléter les connaissances expérimentales sur le comportement hydromécanique des sols gonflants rencontrés dans les travaux de génie civil, de géotechnique et de géotechnique de l’environnement afin de mieux en tenir compte dans les modèles de calcul. De nombreux travaux ont montré l'intérêt de réaliser des essais œdométriques pour caractériser le potentiel et la cinétique de gonflement des sols. Ils ont révélé également l’influence de l’humidification ou du séchage sur le gonflement ou le retrait, avec des pertes ou des augmentations de rigidité des éprouvettes. En revanche, l’influence de plusieurs cycles de séchage/humidification sur le comportement mécanique n’a été que très rarement analysée. Cette thèse rapporte les résultats d’études expérimentales effectuées à l’œdomètre avec imposition de succion par la méthode osmotique sur des matériaux gonflants compactés lâches et naturels denses. Plusieurs cycles de séchage/humidification ont été appliqués sur ces matériaux sous trois faibles charges mécaniques constantes. Pendant ces cycles, les éprouvettes manifestent un retrait cumulé pour le sol lâche et un gonflement cumulé pour le sol dense. Les résultats montrent que dans les deux cas, les déformations volumiques convergent vers un état d’équilibre où le sol présente un comportement réversible. A la fin des cycles de succion, un cycle de chargement/déchargement a été effectué sous les succions constantes. Les valeurs de la pression de préconsolidation p0(s), de l’indice de compression vierge [lambda(s]] et de l’indice de compression élastique [kappa] dépendent directement des chemins de contrainte suivis. L’ensemble des résultats expérimentaux permet de déterminer les surfaces de charge : la limite de séparation de micro/macro (Lm/M) ; la surface de chargement-effondrement (LC : Loading Collapse du modèle BBM) et la surface de comportement saturé (SCS). La succion limite entre la micro- et la macrostructure (Lm/M) dépend parfaitement de la structure interne et du diamètre qui délimite les deux familles de pores. L’évolution de la pression de préconsolidation en fonction de la succion imposée est présentée par la surface LC. Les courbes de compressibilité sous différentes succions convergent vers la courbe correspondant à l’état saturé sous de fortes contraintes appliquées. La pression à partir de laquelle, le sol continue son chemin sur la courbe du comportement normalement consolidé est appelée la pression de saturation (Psat). Plus la succion imposée est élevée, plus la charge nécessaire pour atteindre cette pression de saturation est importante. La surface SCS présente la variation de la pression de saturation en fonction de la succion imposée. Nous pouvons considérer que les surfaces de charge SCS et LC sont uniques pour les sols denses cependant elles se superposent à la fin des cycles de succion pour les sols lâches. Les cycles hydriques augmentent aussi la limite (Lm/M) entre la micro- et la macrostructure pour les deux sols / We usually define the swelling-shrinkage of the swelling soils by the volume variation of a clayey layer exposed to the negative water pore pressure (suction) variations during the wetting and drying periods. In this research, we try to complete our experimental knowledge on the hydromechanical behaviour of the swelling soils used in civil engineering, geotechnical engineering and geoenvironmental engineering, to better modelize these soils in our numerical calculations. Several authors have used the oedometer tests to characterize the capacity and the process of the soil expansion. They have also studied the influence of the wetting and drying on the soil swelling or shrinkage which can decrease or increase the soil rigidity. However, the influence of several hydraulic cycles on the mechanical behaviour has been rarely studied. This thesis presents an experimental study performed on compacted loose and natural dense expansive soils using osmotic oedometers. Several successive cycles were applied under three different low constant vertical net stresses. The loose soil presents a significant shrinkage accumulation while the dense one produces the swelling accumulation during the suction cycles. The suction cycles induced an equilibrium stage which indicates an elastic behaviour of the samples. At the end of suction cycles, a loading/unloading test was performed at the constant suctions for both materials. The mechanical parameters, i.e. the virgin compression index [lambda(s)], the apparent preconsolidation stress p0(s) and the elastic compression index values [kappa] ?are completely dependent on the followed stress paths. The whole experimental results made it possible to define the yielding surfaces: suction limit between micro and macrostructure (Lm/M), loading collapse (LC) and saturation curve (SCS). The suction limit (Lm/M) depends completely to the soil fabrics and to the diameter separating the micro- and macrostructure. The preconsolidation stress variation with suction is represented by the LC surface. The compression curves at different imposed suctions converge towards the saturated state for the high applied vertical stresses. We consider the saturation pressure (Psat) as the necessary pressure to reach the saturated state for an imposed suction. The higher the suction, the higher the saturation pressure. The yielding surface representing this pressure as a function of suction is called the saturation curve (SCS). Generally we can state that the suction cycles unified the LC and SC surfaces and increased the (Lm/M) up to a higher value

L’objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation du couplage hydromécanique, existant entre la déformation de la préforme fibreuse et l’écoulement de la résine, et par la suite à la simulation des procédés d’infusion. La méthode de résolution numérique déployée dans ce cadre est de type éléments finis avec volumes de contrôles (CVFEM) formulée en 2D½. Une nouvelle approche de modélisation de procédé d’infusion est proposée. Dans cette méthode, nous avons introduit des éléments 1D qui traduisent l’écoulement transverse. Cette approche permet de surmonter la difficulté numérique relative à l’usage des éléments finis volumiques pour un calcul 3D, notamment pour simuler la mise en œuvre des pièces industrielles de grandes dimensions. Le modèle fait appel à des lois de comportements caractérisées expérimentalement et qui permettent de tenir compte de l’évolution de la perméabilité et la compressibilité du milieu fibreux au cours de l’infusion. Diverses confrontations entre le modèle numérique proposé, des méthodes analytiques et expérimentales ont été menées. Une application du modèle dans la simulation de l’infusion d’un démonstrateur industriel de géométrie complexe est également réalisée. Les résultats obtenus sont très encourageants et révèlent l’efficacité de l’outil développé dans la simulation du procédé d’infusion / The aim of this work is to model the hydromechanical coupling that exists between the preform compressibility and the resin flow in order to simulate the infusion processes. The numerical method used in this study is based on the Control Volume Finite Elements Method (CVFEM) in 2D½. A new modelling approach of the infusion process is proposed. In this method, we introduced 1D elements to include through-the-thickness flow. This approach allows to reduce the computational time in comparison with full 3D modelling, especially in the simulation of industrial part infusion with large dimensions. The developed model is alimented by behavior laws that we characterized experimentally. These laws allow to take into account the evolution of the permeability and the compressibility of the fibrous medium during the infusion. We validated our model by comparing its results with analytical and experimental data. Additionally, an application of this simulation approach has been carried out to simulate the infusion of an industrial demonstrator with complex geometry. These comparisons show a good agreement between numerical and experimental results and reveal the efficiency of the developed tool in the infusion process simulation.

L’eau, par l’intermédiaire de la pression de fluides, est un phénomène déclencheur majeur de la déstabilisation des mouvements de terrain profonds. En conséquence, la caractérisation des mécanismes de déformation nécessite une bonne compréhension des processus hydrogéologiques contrôlant la déstabilisation. Les milieux fissurés et de surcroit les milieux instables présentent de fortes hétérogénéités, ce qui rend les études hydrogéologiques classiques peu adaptées. De plus, les mouvements de terrain profonds présentent des relations hydromécaniques complexes avec des évolutions significatives dépendantes du temps (déformation de type fluage). Cette thèse s’attache à caractériser les relations précipitations-déplacement du mouvement de terrain profond de Séchilienne. Un suivi saisonnier de traceurs naturels et artificiels a permis de définir un schéma conceptuel d’écoulement de l’eau souterraine sur l’ensemble du massif malgré un nombre limité de points d’intérêt hydrogéologiques. Les données de pression de fluides étant rarement mesurées, les paramètres indirects, tels que la recharge, sont souvent les seules données hydrogéologiques qui permettent de caractériser la relation précipitations-déstabilisation. Une méthode d’estimation de la recharge basée sur un calcul de bilan du sol a été développée afin d’estimer la recharge avec précision. En se basant sur le schéma conceptuel d’écoulement et le calcul de la recharge, une analyse en ondelettes couplée à un modèle numérique a permis de caractériser la relation précipitations-vitesse de déplacement. Cette modélisation tient compte de paramètres dépendant du temps et permet de simuler une déformation de type fluage (tendance pluriannuelle des vitesses de déplacement), conséquence des couplages hydro- mécaniques indirects. La caractérisation des processus hydrogéologiques contrôlant la déstabilisation a permis de définir un seuil statistique d’activation de la déstabilisation, basé sur une approche multi-dimensionnelle innovante. / Pore water pressure build-up by recharge of underground hydrosystems is one of the main triggering factors ofdeep-seated landslides. Consequently, the characterization of landslide deformation mechanisms requires athorough knowledge of the hydrogeological processes triggering the destabilization. Anisotropic andheterogeneous media combined with landslide deformation render classical hydrogeological investigationsunsuitable. Hydro-mechanical processes which lead to slope failure of deep-seated landslides are complex andare influenced by the evolution of the landslide deformation through time. This thesis aims at improving theunderstanding of the relationships between precipitation and displacement velocity based on the study of theSéchilienne deep-seated landslide. A time-related monitoring of natural and artificial tracers allows to define aconceptual groundwater flow model despite a limited number of hydrogeological points of interest. Fluid porepressures are rarely measured on landslide sites and, instead the groundwater recharge is generally used as themost relevant parameter. A parsimonious, yet robust, guideline workflow to calculate time series of groundwaterrecharge is developed. Based on the conceptual groundwater flow model and the recharge calculation, a waveletanalysis coupled to a numerical model integrating time-dependent parameters allows to characterize therelationship between precipitation and displacement velocity and to simulate the creep deformation resulting ofindirect hydro-mechanical coupling (multi-year trend of displacement velocities). The characterization of thehydrogeological processes controlling the destabilization allowed to define a statistical rainfall threshold basedon an innovative multi-dimensional approach.

La modélisation de bassin est couramment utilisée pour décrire l’évolution des bassins sédimentaires à partir d’une reconstitution de leur histoire. Durant la modélisation des processus géologiques, les propriétés de transfert des sédiments peuvent changer significativement à cause de leur fracturation naturelle. La présence de ces fractures dans le bassin peut constituer des chemins préférentiels d’écoulement ou des barrières qui contrôlent les niveaux de surpressions, l’accumulation et la migration des hydrocarbures dans le milieu ainsi que la perméabilité du milieu. Dans l’industrie pétrolière et en particulier durant l’exploration, la connaissance de l’historique des processus de fracturation naturelle permet d’améliorer la prédiction des positions de réservoirs d’hydrocarbures dans le milieu ainsi que leurs propriétés. En profondeur les fractures s’amorcent dans les roches aux niveaux des discontinuités géométriques. Cependant, les chargements à l’origine de l’initiation de ces fractures restent mal connus. Dans les bassins sédimentaires, les propriétés mécaniques et géométriques de ces fractures sont directement reliées aux processus inhérents à leur formation. Elles peuvent dériver de certains processus comme par exemple le dépôt des sédiments, les chargements tectoniques ou le processus d’érosion. Le but de cette thèse est de fournir une amélioration de la caractérisation de l’amorçage des fractures dans la modélisation de bassin à partir d’un outil numérique de simulation de réseaux de fractures et de son évolution sous chargement hydromécanique. Au cours de la sédimentation, les matériaux enfouis subissent une augmentation de la contrainte verticale. Cette augmentation de la contrainte par sédimentation entraîne une compaction mécanique et une diminution de la porosité. La compaction mécanique qui dépend du taux de sédimentation et de la perméabilité des matériaux enfouis peut générer des surpressions importantes dans le bassin. Dès lors une compétition s’établie entre la dissipation de la surpression des fluides et la vitesse de sédimentation et peut conduire à l’amorçage de fractures. Ainsi, pour étudier analytiquement l’amorçage des fractures dans le bassin, un modèle synthétique géologique est proposé. La solution analytique de l’évolution de la pression et des contraintes dans ce contexte est obtenu en superposant deux problèmes de poroélasticités. L’analyse de la solution et d’un critère de fracturation serviront de base pour prédire l’amorçage et la propagation des fractures. Pour simuler la propagation et l’évolution des fractures, un modèle numérique comportant des chemins potentiels de fracturation uniformément repartis est mis au point dans le code de calcul par éléments finis Porofis. Les fractures sont modélisées par un modèle de joints cohésifs avec endommagement et l’écoulement est décrit à partir de loi de Poiseuille. Les effets du couplage hydromécanique dans les fractures et dans la matrice poreuse sur l’évolution dynamique de l’espacement des fractures pour des cas synthétiques typiques de la modélisation de bassin sont également étudiés / Basin modeling is commonly used to describe basin's evolution from a reconstruction of its history. During the geological processes modeling, the transfer properties of sediments can change significantly due to natural fracturing and therefore may constitute preferential flow paths or barrier that control hydrocarbons migration and accumulation. In petroleum industry, and especially for exploration, the knowledge of natural fracturing processes and history enhances the prediction of overpressures, potential location of hydrocarbon storage and matrix equivalent permeability. At significant depth, nucleation of fractures and initiation are triggered at existing defects, but the loads behind its initiation are unknown or poorly characterized. In sedimentary basin, fracture mechanical and geometrical properties are directly related to the processes from which it comes. Fracture initiation at depth can arise from by many processes such as deposition, tectonic and erosion processes. The aim of the thesis is to provide an improvement in the characterization of fracture initiation in basin modeling by using a numerical modeling of fracture network and its evolution under hydro mechanical loading. During sedimentation, buried rocks are subjected to an increase in vertical stress. This increase leads to a decrease of porosity that is commonly called mechanical compaction. Indeed, the mechanical compaction depending on its rate and on the permeability of the burden rocks, can induce significant overpressures. Thus, a competition is initiated between the dissipation of fluid overpressure and sedimentation rate, and may result in fracture initiation. For analytical study of fracture initiation, a synthetic geologic structure is used. The analytical solution analytical solution of the pressure and stresses in a sealing formation is proposed under sedimentation by superposing two problems of poroelasticity. This analytical solution and a fracturing criterion are used to predict the initiation and propagation of the fracture. The fracture propagation and growth are studied by numerical simulations based on a finite element code dedicated to fractured porous media called Porofis. The numerical model contains defects initially closed and homogeneously distributed. The fractures are modeled with a constitutive model undergoing damage and the flow is described by Poiseuille’s law. The effect of hydromechanical coupling on dynamicevolution of fracture spacing using synthetic geological structure for basin modeling are also studied

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.

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

Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d’optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d’exploitation, l’air ventilé dans les galeries n’est pas à l’équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d’essais au laboratoire. L’essai de séchage est retenu puisqu’il permet d’étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l’erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d’essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l’échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu’en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d’améliorer la précision de l’algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l’algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs. / The Callovo-Oxfordian claystones’ properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests.

Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée. / Multiphase granular materials occupy a very important place in our environment that are of great interest to many scientific communities, including those of soil mechanics or geotechnical engineering. The divided nature allows multiphase granular media to have a global mechanical behaviour which originates from all component phases, their distribution and interactions. Acoupled hydromechanical model is presented in this work for the application to microscopic modeling of coupled hydromechanical in saturated granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method (DEM) with a pore-scale finite volume (PFV) formulation of flow problem of an incompressible viscous fluid. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plasticrelations. Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. The emphasis of this model is, on one hand the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid, on the other hand, the model involves affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. Permeability measurements on bidispersed glass beads are reported and compared with model predictions and empirical formulas/semi-empirical in the literature, validating the definition of local conductivities and bringing out the role of particle size distribution and porosity. A numerical approach to analyze the fluid-solid mechanical interaction and mechanisms of internal erosion is finally presented.