Le Québec est le théâtre de nombreux glissements de terrain chaque année. Ces glissements de terrain peuvent être une menace pour les vies humaines ainsi que pour les infrastructures comme l'ont démontré l'évènement de Saint-Jean-Vianney en 1971 ayant causé la mort de 31 personnes ainsi que celui de Saint-Jude en 2010 ayant causé la mort de quatre personnes. Les glissements de terrain peuvent être influencés par le climat, mais des études récentes démontrent que le lien entre climat et stabilité des pentes est encore flou et méconnu. Une meilleure compréhension entre les évènements climatiques et les glissements de terrain est donc nécessaire. L'objectif de la présente étude est d'évaluer, par modélisation numérique, les conséquences de la variation des précipitations sur l'écoulement de l'eau souterraine et la stabilité d'une pente argileuse située dans le secteur de Saint-Luc-de-Vincennes dans un contexte de changements climatiques. Ces conséquences sont la variation de la recharge en sommet de talus, la variation du niveau d'eau dans la rivière Champlain à la base de la pente ainsi que l'érosion par cette même rivière à la base de la pente. Pour ce faire, une pente du secteur a été modélisée à l'aide des logiciels SEEP/W et SLOPE/W en régimes permanent et transitoire de manière à obtenir des charges hydrauliques semblables à celles observées sur le terrain. Les données de charges hydrauliques sur le terrain ont été mesurées à partir de trois nids de piézomètres contenant chacun quatre piézomètres à différentes profondeurs. Une fois le modèle de base bien calibré, les trois conséquences à l'étude ont pu être évaluées en modifiant les conditions limites et la géométrie du modèle. La variation de la recharge a été évaluée en faisant varier la condition de recharge en sommet de talus et dans la pente, la variation du niveau d'eau dans la rivière a été testée en faisant varier la condition de charge à la base de la pente au niveau de la rivière et l'érosion a été testée via deux géométries d'érosion. Les résultats de cette étude montrent que l'augmentation de la recharge ainsi que l'érosion ont un effet négatif sur la stabilité de la pente, tandis que la variation du niveau d'eau dans la rivière a un effet qui peut être positif et négatif. C'est cette dernière variable qui a d'ailleurs le plus d'effet sur la stabilité de la pente, suivi par l'érosion et la variation de la recharge. De récentes études indiquent que les précipitations et les évènements de précipitation devraient augmenter dans les années à venir dans l'est du Canada tandis que les débits moyens des rivières du sud du Québec devraient augmenter en hiver et diminuer au printemps, en été et à l'automne. Ces changements influenceront les dynamiques de recharge, de variation du niveau d'eau dans les rivières et d'érosion. Il est donc attendu que la stabilité de la pente à l'étude en soit influencée négativement.

La conception de la structure d’une chaussée dépend en grande partie des caractéristiques du sol qui constituera l’infrastructure, telles que ses propriétés mécaniques réversibles et sa sensibilité à l’eau et au gel. Ces paramètres peuvent être mesurés en laboratoire grâce à l’exécution d’essais très fiables, mais laborieux et dispendieux comme par exemple les essais en cellule triaxiale et celui du potentiel de ségrégation en cellule de gel. L’utilisation des équipements portatifs, comme le déflectomètre LWD et le Percomètre®, permet d’effectuer une évaluation des propriétés du sol. Dix types de sols d’infrastructure ont été testés en laboratoire; les résultats ont été validés avec des essais in situ et corrélés avec les modules réversibles et les potentiels de ségrégation obtenus en laboratoire. Des modèles mathématiques ont été développés permettant une quantification adéquate du module réversible et du potentiel de ségrégation en fonction des propriétés géotechniques du sol.

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L'érosion de contact est un type d'érosion interne qui se développe à l'interface entre deux couches de matériaux de granulométries différentes. Les particules d'un sol fin (sable, limon, argile…) sont détachées par l'écoulement et entraînées à travers les pores du sol grossier au contact (gravier…). Bien que l'on suspecte sa présence dans de nombreux ouvrages, ce processus d'érosion a été peu étudié jusqu'à présent. Aussi ce travail de thèse s'est attaché à mieux le comprendre pour parvenir à le modéliser. A l'échelle du pore, l'écoulement à l'interface entre deux milieux poreux a été caractérisé, grâce à un dispositif expérimental développé au Cemagref d'Aix-en-Provence qui combine fluorescence induite par laser, méthode PIV et milieu iso-indice. L'importance de la variabilité des sollicitations hydrauliques a ainsi été soulignée. A l'échelle de l'échantillon, des essais sur sols réels et sols reconstitués ont été menés au LTHE, afin d'identifier les phénomènes en jeu. Ont également été obtenues sur ce dispositif des mesures du taux d'érosion en fonction de l'intensité de l'écoulement, pour différents types de sols fins et de sols grossiers. Une modélisation stochastique de ces essais a ensuite été proposée. Enfin, des essais à grande échelle ont été conduits au laboratoire de la Compagnie Nationale du Rhône pour étudier l'éventuelle influence d'effets d'échelle ainsi que les conséquences de cette érosion de contact sur le comportement global et l'intégrité d'un ouvrage. Il a ainsi été mis en évidence la possibilité qu'une érosion de conduit soit initiée par érosion de contact. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ERINOH (ERosion INterne dans les Ouvrages Hydrauliques), en convention CIFRE avec le Centre d'Ingénierie Hydraulique d'EDF. / Contact erosion is a type of internal erosion which occurs at the interface between two soil layers of different particle sizes. Particles from the fine soil (sand, silt, clay…) are pulled and driven by the flow through the pores of the surrounding coarse soil (gravel ...). Although its presence is suspected in many earthfill embankments, this process has been little studied so far. The aim of this thesis was to better understand and, possibly, to model contact erosion. At pore scale, the flow at the interface between two porous media was characterized thanks to an experimental device, developed in Cemagref, combining Planar Laser Induced Fluorescence, PIV method and Refractive Index Matching. The spatial variability of flow shear stress has been emphasized. At sample scale, several tests on real and reconstituted soils were carried out in LTHE, in order to identify the phenomena involved in contact erosion. Erosion rates as a function of flow magnitude have also been measured for different types of fine and coarse soils. Then, a stochastic model was proposed to account for these experiments. Finally, large scale tests were conducted in the laboratory of Compagnie National du Rhône, to study the influence of scale effects as well as the consequences of contact erosion on global behavior and integrity of the embankment structure. The possibility of piping initiation by contact erosion was underlined. This thesis is part of the project ERINOH project and was funded by EDF-CIH.

Cette thèse aborde à la fois des aspects comportementaux et numériques de la réponse mécanique du massif rocheux au creusement d'un tunnel. La comparaison de critères existants a mis l'accent sur quelques points clefs, comme la dépendance du critère à la contrainte moyenne et le ratio d'extension. Une fonction de charge, aisément identifiable à partir des essais, au caractère régulier et convexe, capable de tenir compte de la forme de l'enveloppe de Mohr du critère, ainsi que du ratio d'extension, a été proposée : on peut ainsi réaliser des formes régularisées des critères de Mohr-Coulomb et de Hœk-Brown. Le développement de ce nouveau critère a été complété par la proposition d'une méthode d'abaques numériques, accélérant grandement la résolution. Pour le critère proposé, le problème physique est équivalent à un problème purement géométrique, en coordonnées polaires dans le plan. On peut ainsi constituer des abaques numériques qui permettent d'obtenir directement la valeur des déformations plastiques, ce qui diminue drastiquement le temps de calcul Les méthodes de calcul des tunnels ont fait l'objet d'une synthèse biblio- graphique, précisant les domaines et les limites d'emploi des méthodes utilisées par les ingénieurs pour dimensionner les tunnels. La modélisation du creusement des tunnels a été réalisée à l'aide de l'algorithme stationnaire, conçu pour calculer le comportement de systèmes soumis à des chargements mobiles. Cet algorithme a été programmé pour intégrer le nouveau critère et la méthode des abaques numériques. Les outils ainsi développés ont pu être confrontés à un cas d'étude réel, à partir de données fournies par l'Agence Nationale de Gestion des Déchets Radioactifs (ANDRA) au titre du projet européen MODEX-REP (projet s'insérant dans le cadre du 5e plan EURATOM de la commission européenne). L'étude de ces données a permis de définir une variable de dégradation de la roche, aisément identifiable et permettant de paramétrer le critère pour la roche endommagée.

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

L'érosion de contact est un type d'érosion interne qui se développe à l'interface entre deux couches de matériaux de granulométries différentes. Les particules d'un sol fin (sable, limon, argile...) sont détachées par l'écoulement et entraînées à travers les pores du sol grossier au contact (gravier...). Bien que l'on suspecte sa présence dans de nombreux ouvrages, ce processus d'érosion a été peu étudié jusqu'à présent. Aussi ce travail de thèse s'est attaché à mieux le comprendre pour parvenir à le modéliser. A l'échelle du pore, l'écoulement à l'interface entre deux milieux poreux a été caractérisé, grâce à un dispositif expérimental développé au Cemagref d'Aix-en-Provence qui combine fluorescence induite par laser, méthode PIV et milieu iso-indice. L'importance de la variabilité des sollicitations hydrauliques a ainsi été soulignée. A l'échelle de l'échantillon, des essais sur sols réels et sols reconstitués ont été menés au LTHE, afin d'identifier les phénomènes en jeu. Ont également été obtenues sur ce dispositif des mesures du taux d'érosion en fonction de l'intensité de l'écoulement, pour différents types de sols fins et de sols grossiers. Une modélisation stochastique de ces essais a ensuite été proposée. Enfin, des essais à grande échelle ont été conduits au laboratoire de la Compagnie Nationale du Rhône pour étudier l'éventuelle influence d'effets d'échelle ainsi que les conséquences de cette érosion de contact sur le comportement global et l'intégrité d'un ouvrage. Il a ainsi été mis en évidence la possibilité qu'une érosion de conduit soit initiée par érosion de contact. Cette thèse a été réalisée dans le cadre du projet ERINOH (ERosion INterne dans les Ouvrages Hydrauliques), en convention CIFRE avec le Centre d'Ingénierie Hydraulique d'EDF.

Natural and other aggregated or structured soils present peculiar mechanical behaviour which differs, in some parts, from the behaviour of soils reconstituted in laboratory. This difference can be explained by a specific structure which gathers the particles arrangement and bonding. However, numerous constitutive models were originally based on the behaviour of reconstituted soils. Therefore, classical models should be extended in order to reproduce more complex features of behaviour linked to the soil structure. This work provides a general framework to describe and predict the behaviour of aggregated and reconstituted soils. A multi-scale study was performed to understand the effect of the structure and its evolution upon loading. From an experimental point of view, a preliminary review of literature has been completed by an experimental program carried out on a silty soil in which different structures have been generated by various compaction conditions. At the macro-scale, conventional mechanical tests evidence the overconsolidation effect induced by structure and the important compressibility during its degradation. At the micro-scale, the fabric evolution during the destructuration process (induced by saturation and loading) has been mainly quantified by the evolution of the pore size distribution. This characterisation has been done by Mercury Intrusion Porosimetry. The samples compacted on the dry side of optimum exhibit a double porosity characterized by a bimodal pore size distribution, by opposition to the samples compacted on wet side of optimum that show a single class of pores. The deformation induced by mechanical loading is related to the closure of the biggest pores and the pore size distribution of aggregated soils tends towards unimodal shape upon the destructuration process. A constitutive critical state model (ACMEG) has been extended, based on experimental observations, in order to reproduce the behaviours of aggregated and reconstituted soils. In this purpose, a structure variable has been introduced in the yield function and its evolution has been integrated in the hardening law. Explicit and implicit methods of integration have been discussed and implemented to reproduce stress-strain responses on geomechanical tests (oedometric, isotropic and triaxial compression tests). Finally, the model has been validated by comparison of model predictions with the experimental results. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La construction dans l'Arctique nécessite une connaissance précise des propriétés thermiques et géotechniques du pergélisol. La connaissance de ces propriétés est également nécessaire pour le paramétrage des modèles de transfert de chaleur. Des études antérieures ont démontré le grand potentiel de l'utilisation de la tomodensitométrie pour les mesures du volume des composantes du pergélisol et la visualisation de la cryostructure. Une nouvelle approche est proposée pour mesurer la conductivité thermique du pergélisol. Les objectifs généraux de ce projet sont (1) d’élaborer une nouvelle méthode de caractérisation du pergélisol à l’aide de la tomodensitométrie et de modèle éprouvés et (2) de comparer et mettre au point une méthode novatrice pour mesurer la conductivité thermique et des paramètres géotechniques. Les résultats démontrent que les tests effectués à l’aide de la tomodensitométrie donnent des résultats d’une valeur scientifique comparable aux autres méthodes existantes de mesure de déjà existantes de conductivité thermique du pergélisol. / When building in the Arctic, design considerations require precise knowledge of the thermal and geotechnical properties of the permafrost. Computed tomography provides visualization of the cryostructure of permafrost. Previous studies showed great potential in using this technology for classification and volume measurements of permafrost components, i.e. sediment (solid), ice and gas (void) contents. The aims of this study are (1) to develop an innovative and non-destructive approach using CT scan to compute the thermal conductivity of undisturbed permafrost samples and (2) to validate the results computed from CT scan image analysis with proven experimental thermal conductivity data. The very good results obtained so far show that CT scan thermal conductivity measurements yield results comparable to other existing methods. The new approach could still be significantly improved by the use of a higher resolution CT scanner.

Un cadre théorique et technique est développé afin de permettre la réalisation d'essais à la table vibrante visant l'étude du comportement de fondations superficielles reposant sur sol pulvérulent sec. Une revue exhaustive de la littérature est réalisée et permet de dégager les principales problématiques ainsi que de faire le point sur l'état des connaissances dans le domaine. Est ensuite développée une théorie de modélisation dimensionnelle spécifiquement appliquée à l'étude des sols en condition 1-g devant permettre de prédire adéquatement le comportement d'une structure réelle en fonction du comportement d'une structure de petite taille au laboratoire. Cette approche est basée sur les recommandations de plusieurs auteurs et sur le modèle de la mécanique d'état critique. L'aspect technique du projet comprend le développement d'un système de confinement pour des échantillons de sols de grandes dimensions. Le système permet d'obtenir des conditions de déformations de type champs libre pour un cas de déformation plane. Ces conditions sont obtenues via l'utilisation d'un mécanisme novateur de dissipation d'énergie, spécifiquement développé dans le cadre de ce projet de recherche. L'analyse structurale complète de la boîte est réalisée et présentée en détails. Un sable naturel de la région de Montréal, un sable à mortier, est étudié au laboratoire de l'Université Laval. Ce sable doit pouvoir servir de support à la fondation lors des essais à la table vibrante. L'objectif est de permettre de dégager les propriétés mécaniques du sol afin de recourir à la théorie de la modélisation ce qui permettra d'assurer une concordance entre le comportement du modèle en laboratoire et la structure réelle. Finalement, une analyse numérique est réalisée afin d'évaluer l'impact des frontières rigides sur le comportement en rotation des fondations superficielles. L'objectif est d'évaluer la distance minimale devant être respectée en fonction de la pression de contact entre la semelle et le sol afin de permettre de maximiser les dimensions de la fondation utilisée au laboratoire lors des essais 1-g.