Le travail de thèse porte sur l'analyse du couplage écoulement – contrainte dans les roches fracturées et son application aux barrages. Le rapport de thèse est composé de 5 chapitres. Le premier chapitre présente une synthèse des travaux réalisés sur les roches fracturées et plus particulièrement sur le couplage écoulement – contrainte. L’accent est mis sur la modélisation numérique. Le second chapitre concerne la formulation de l’Élément Composite pour les roches fracturées. Il présente cet élément pour le problème mécanique ensuite pour le problème d’écoulement. Le 3ème chapitre présente l’extension de l’élément composite aux roches fracturées en prenant en compte le couplage contrainte – écoulement. Après une présentation de la formulation mathématique, on décrit l’introduction de cet élément dans un code de calcul. Le chapitre décrit aussi le fonctionnement de cet élément pour une fracture soumise à une contrainte normale puis à un cisaillement. Le 4ème chapitre traite de l’application de l’élément composite aux masses de roches fracturées contenant des drains. La performance de l’élément composite pour ce type d’applications est montrée à travers sa confrontation à la méthode des éléments finis classique. Le dernier chapitre présente l'application de l'élément composite à l'analyse du barrage de Xiaowan ayant un système de fondation complexe. La fondation contient trois ensembles de fractures et des drains. Cet exemple montre les performances de l'élément composite pour l'analyse des projets à géométrie complexe contenant des fractures. / The thesis concerns analysis of the stress-seepage coupling in fractured rock mass and its application on dams. The thesis is composed of 5 chapters. The first chapter presents a literature review on researches conducted on fractured rock mass and on seepagestress coupling in fractured rock with a particular focus on numerical modeling. The second chapter concerns the formulation of the composite element method for fractured rock mass. It presents the composite element method for stress and seepage problems. The third chapter concerns the formulation of the composite element for fractured rock mass considering seepage- stress coupling. After the mathematical formulation, it presents the numerical implementation of the composite element and its performances under both normal and shearing stress states. The 4th chapter presents analysis of the seepage-stress coupling for fractured rock mass with drainage holes. The numerical model is validated by its comparison to the convention al finite element method. The last chapter presents the use ofthe composite element for the analysis of the Xiaowan arch dam with complex fractured rock mass. The later contains three sets of fractures and drainage holes. This example shows the advantage and performances of the composite element for the analysis of complex projects.

Le travail de thèse concerne le développement d'un modèle numérique pour la détermination des propriétés hydromécaniques équivalentes pour les roches fracturées. Le rapport de thèse est organisé en 7 chapitres. Le premier chapitre décrit les objectifs de la thèse et présente brièvement une synthèse des travaux réalisés sur les roches fracturées. L'accent est mis sur l'Élément Composite et la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches fracturées. Le second chapitre présente les outils utilisés dans le travail de thèse, à savoir la méthode des éléments finis, l'Elément Composite, le couplage écoulement/contraintes, le Réseau de Neurones Artificiels et la méthode de Monte-Carlo. Le troisième chapitre présente le concept de la méthode numérique proposée pour obtenir les propriétés hydrauliques équivalentes des roches fracturées. Elle décrit aussi les données nécessaires à ('application de cette méthode, à savoir celles sur les fractures dominantes. Les chapitres 4 et 5 présentent la détermination des propriétés hydrauliques et mécaniques équivalentes des roches sans prendre en compte le couplage contraintes/écoulement. Le 6ème chapitre présente la détermination des propriétés hydrauliques équivalentes en considérant le couplage contraintes/écoulement. Ce chapitre comporte également la construction d'une base de données sur l'influence du couplage contraintes/perméabilité sur les propriétés hydrauliques équivalentes. Le dernier chapitre décrit un procédé basé sur une combinaison des approches implicite et explicite pour l'analyse d'un barrage poids. Les données de la méthode implicite sont déterminées en utilisant la méthode numérique proposée dans ce travail. / This thesis concerns the use of the "Numerical Test System" for the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rock masses. The thesis is composed of 7 chapters. The first chapter describes the objective of the thesis and briefly presents the previous studies conducted on fractured rock masses, with a particular focus on the Composite Element Method as weil as the estimation of the equivalent hydraulic and mechanical properties of fractured rocks. The second chapter presents the tools used in the thesis development, namely the finite element method, the composite element method, the coupling theory, the artificial neural network and the Monte Carlo Method. The third chapter presents the concept of the "Numerical Test System (NTS)" for determination of the equivalent hydraulic properties offractured rock. This method requires field data on dominating fractures. Chapters 4 and 5 present the determination of the equivalent hydraulic and mechanical properties and the relevant REYs neglecting the seepage/stress coupling. The 6th chapter presents the determination of the equivalent hydraulic properties considering seepage/stress coupling. This Chapter also establishes a stress/permeability database for describing the relationship between stresses and the equivalent hydraulic property. The last chapter describes a procedure based on a combination of the implicit and explicit approaches for the analysis of a grravity dam. The eqivalent properties of the implicit method are determined using the NTS.

La simulation numérique est un outil essentiel pour mieux comprendre la réalité des phénomènes qui se produisent au sein des milieux discrets, en particulier des milieux rocheux fracturés. Notre travail a pour objectif d'étudier le comportement mécanique et dynamique des milieux rocheux en réalisant des modèles discontinus dans lesquels les mesures de l'orientation et l'espacement interfractura, effectuées sur le terrain, sont intégrées au modèle de façon stochastique. Pour la génération des milieux fracturés numériques des algorithmes basés sur les méthodes statistiques et géostatistiques sont développés. Le comportement mécanique de modèles académiques et de structures réelles en maçonnerie est étudié grâce à la méthode Non Smooth Contact Dynamics (NSCD). Des structures en maçonneries telles que le monument historique de l'amphithéâtre de Nîmes et l'aqueduc d'Arles sont étudiées, à échelle réelle, en deux et trois dimensions pour leurs comportements dynamiques pendant une sollicitation sismique. Les modèles de milieux rocheux fracturés engendrés à partir d'études de cas sont analysés selon deux axes : l'étude de la stabilité de pentes rocheuses et la conception de travaux souterrains par la méthode NSCD en utilisant le code LMGC90. La stabilité de ces modèles est étudiée en deux et trois dimensions. Les analyses effectuées sur ces modèles ont permis de proposer des recommandations pour l'installation d'éventuels soutènements. Elles ont également permis la distinction des familles des fractures jouant un rôle prépondérant dans l'instabilité de ces massifs. La modélisation de certaines méthodes de protection en travaux au rocher telles que le boulonnage et les filets pare-pierres est ensuite abordée dans les perspectives envisagées comme développement de nos travaux.

Les chutes de pierres et de blocs posent des problèmes de gestion du territoire dans les zones montagneuses. Or la caractérisation temporelle du risque de rupture dans les massifs rocheux passe par la description de la cinétique des phénomènes d'altération. Dans le cas des falaises de calcaire en région montagneuse, on peut estimer que le processus prépondérant d'altération est la propagation de la fissuration sous l'effet des cycles de gel-dégel. Ce mécanisme de rupture par le gel a été reproduit en laboratoire sur des éprouvettes entaillées. Les différentes expérimentations ont permis d'établir un modèle de la contrainte générée par le gel. L'allure de la contrainte, le long de la paroi d'une fissure, présente un maximum qui, avec le temps, se propage en profondeur jusqu'à une valeur-limite apparemment intrinsèquement liée au matériau. En fait la contrainte générée est le résultat de l'équilibre entre la pression de confinement induite par la progression du front de glace en profondeur dans la fissure et les pertes d'eau dans le réseau poreux de la roche environnante. Elle est donc fortement dépendante de la géométrie de la fissure et des caractéristiques du réseau poreux de la roche. Le facteur d'intensité de contrainte en fond de fissure correspondant au modèle de contraintes établi a été analytiquement estimé. Il est conforme à la possibilité d'initiation de la rupture selon le principe de la mécanique de la rupture. Des observations microscopiques effectuées au cours des cycles de gel-dégel ont mis en évidence une rupture progressive et hétérogène des calcaires. La propagation des fissures observée a fait l'objet d'une simulation numérique aux résultats encourageants. Cette étude a permis de donner des éléments-clé pouvant servir à l'élaboration d'une méthode de prévision de détachement d'un bloc rocheux soumis à l'alternance de périodes de gel et de dégel.

La caractérisation de la morphologie de surface des joints rocheux est d'un intérêt particulier pour une évaluation correcte de la résistance au cisaillement des discontinuités rocheuses. D'un point de vue géométrique, cette dernière est particulièrement caractérisée par une forme très irrégulière des aspérités, définissant ainsi une géométrie polygonale des profils des joints. Dans ce cadre, une méthode spécifique d'analyse spectrale et d'identification morphologique adaptée au problème de la caractérisation de la géométrie irrégulière des discontinuités rocheuses a été mise au point. Cette méthode repose sur une décomposition en série à partir de fonctions élémentaires triangulaires (méthode dénommée ATM). Sur le plan expérimental, les relevés des profils des épontes des joints rocheux ont été effectués au moyen d'un rugosimètre 3D en laboratoire, et d'un profilographe à règle pour les mesures in situ, mis au point dans le cadre de cette recherche. Nos travaux ont porté en premier lieu sur la caractérisation et la description quantitative de la morphologie des joints rocheux à différentes échelles. Diverses simulations sont présentées qui démontrent l'intérêt d'une telle approche notamment, en comparaison avec la méthode d'analyse spectrale par les transformées de Fourier. En second lieu, ont tire profit des informations spectrales pour transposer la géométrie réelle tridimensionnelle en image bidimensionnelle qualitativement équivalente du point de vue du comportement au cisaillement (dilatance). Ces travaux ont conduit à la mise au point d'un modèle numérique d'analyse et de synthèse spectrale, dénommé MORPHEE. Les caractéristiques et les performances de ce nouvel outil sont exposées et illustrées par l'application de la méthode d'analyse ATM à l'étude de la morphologie des profils de discontinuités rocheuses à différentes échelles. La méthode d'analyse a fait l'objet d'une validation expérimentale par comparaison avec des échantillons soumis à des essais de cisaillement en laboratoire.

L'endommagement des discontinuités rocheuses non-persistantes ainsi que les effets hydromécaniques sont déterminants pour la stabilité des massifs rocheux. Un nouveau modèle constitutif d'endommagement-plastique des joints a été proposé. Ce modèle, permet de prendre en compte la dégradation progressive de la résistance et de la raideur des joints dans les deux directions normale et tangentielle du joint. Il tient également compte des déplacements relatifs irréversibles, de la résistance résiduelle tangentielle et du comportement non-linéaire des joints. Le modèle implémenté dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC est capable de bien reproduire les résultats expérimentaux. Pour réaliser des calculs hydromécaniques couplés, un module de calcul hydraulique stationnaire dans un réseau de fractures a été développé ainsi qu'une interface entre ce module et le code CESAR-LCPC. Ces outils numériques ont été appliqués à l'étude de la stabilité des Rochers de Valabres (Projet ANR STABROCK).

Description analytique de la houle, effet de la déformabilité et de la perméabilité du fond marin sous la propagation de la houle, valeur de la pression cyclique induite sur le fond marin. Développement analytique pour l'effet de porosité et de perméabilité, propagation sur un fond incliné. Définition des contraintes induites et analyse de la réponse du sol sous ces sollicitations. Modélisation de l'action d'une houle sinusoïdale sur un fond marin élastique. Expansions analytiques des contraintes par la transformation de MELLIN. Calcul quasi statique de l'évolution d'un milieu poreux. Traitement numérique du problème par éléments finis. Etude paramétrique. La connaissance du comportement des massifs sous marins est devenue nécessaire au développement des travaux en mer.

A l'opposé du dimensionnement de fondations d'ouvrages sur les sols, régi par des règles de calcul validées, le dimensionnement de fondations au rocher est mal maîtrisé. Jusqu'à présent, ceci n'a pas posé de problème majeur, car le dimensionnement de fondations se trouvait plutôt limité par la résistance du béton que par celle du massif rocheux. Mais la construction d'ouvrages d'art de plus en plus majestueux nécessite aujourd'hui une meilleure connaissance de ce domaine de la mécanique des roches. La première partie recense les méthodes les mieux adaptées pour déterminer la déformabilité et la résistance d'un massif rocheux. Elle présente les différentes méthodes de dimensionnement de fondations superficielle et semi-profonde au rocher. Enfin, elle analyse les textes réglementaires français et étrangers. Il existe peu de méthodes de dimensionnement de fondations qui tiennent compte du caractère discontinu des massifs rocheux ; le cas de fondations soumises à des efforts latéraux et à des moments renversants n'est quasiment pas traité. La deuxième partie consiste en l'analyse numérique du comportement de fondations superficielle et semi-profonde sur massif rocheux à l'aide du code de calcul par éléments distincts UDEC. Les résultats montrent que les discontinuités du massif rocheux ont un rôle primordial sur le comportement sous effort incliné de fondations semi-profondes. Selon leur pendage, les discontinuités peuvent diminuer considérablement la charge limite admissible. Quelques modèles analytiques simples à peu de blocs sont ensuite proposés, afin d'estimer - pour un dimensionnement préliminaire - la charge limite de rupture d'un puits marocain sous effort latéral. Les résultats numériques obtenus sont bidimensionnels; les résultats tridimensionnels peuvent être estimés à l'aide de coefficients de transfert 2D/3D, qu'il serait intéressant de vérifier à l'aide d'un code de calcul par éléments distincts tridimensionnel. Enfin, il serait nécessaire de valider les résultats de modélisation numérique sur un site réel.

L'objet de cette recherche est de modéliser le comportement Thermo-Hydro-Mécanique des massifs rocheux fracturés en vue du stockage de déchets radioactifs. A cette fin, nous avons été amené à proposer une méthodologie de modélisation des massifs rocheux fracturés qui a été appliquée à un site souterrain réel (Site EDF de Nouvelle Romanche). Cette méthodologie consiste, dans un premier temps, à rechercher les VER hydraulique et mécanique. Au dessus du plus grand de ces VER, les développements effectués dans un programme d'éléments finis permettent de modéliser toutes les fractures de manière explicite. On détermine les propriétés mécaniques homogénéisées en condition drainée et non drainée en simulant des essais triaxiaux représentatifs du massif soumis à un chargement. Ces simulations permettent d'analyser l'évolution des propriétés hydrauliques homogénéisées avec l'état de contraintes. La réalisation des expériences de type drainé et non drainé permet de discuter de la pertinence de l'assimilation d'un milieu fracturé à un milieu poreux. Ces simulations ont mis en évidence, en particulier, le rôle du comportement en cisaillement des fractures sur les propriétés homogénéisées mécaniques et hydrauliques. Du point de vue de la thermique, tant que le mode principal de propagation de la chaleur est la conduction, les propriétés thermiques homogénéisées sont peu différentes des propriétés thermiques de la matrice rocheuse.

L'étude de l'équilibre à long terme du tunnel revêtu suscite un intérêt important. D'un point de vue mécanique, il s'agit d'un problème d'interaction complexe entre deux structures de comportement très différent : le massif avec la cavité d'une part, le soutènement d'autre part. Les effets différés qui apparaissent dans un massif sont principalement liés à deux phénomènes qui peuvent être couplés : - la viscosité du squelette solide du massif ; - la diffusion du fluide interstitiel au sein du massif. On commence par présenter une étude bibliographique assez générale concernant les différentes étapes d'étude, de conception et de réalisation d'un projet de tunnel profond. Dans la seconde partie du mémoire, on étudie l'influence de l'histoire du chargement (vitesse de creusement et instant de pose du soutènement) sur l'équilibre d'un tunnel soutenu creusé dans un massif monophasique à comportement viscoplastique. Une méthode simplifiée de dimensionnement des tunnels dans de tels milieux a été élaborée. On a également abordé les effets de couplage entre comportements hydraulique et mécanique dans le cadre des tunnels profonds creusés dans un milieu poreux saturé isotherme ayant un comportement poro-élastique ou poro-élasto-plastique. Une étude analytique du tunnel 1D révèle l'influence de l'histoire du chargement mécanique et des conditions aux limites hydrauliques imposées en paroi. Des simulations numériques de creusement de tunnel en géométrie 2D axisymétrique sont menées. L'étude analytique permet, grâce à la généralisation de la notion de contrainte fictive de soutènement, de localiser le point d'équilibre du tunnel soutenu dans le plan (convergence en paroi - contrainte appliquée en paroi). Ces résultats permettent d'aborder le calcul en déformation plane des tunnels creusés en milieux biphasiques avec plus de rigueur.