Le présent travail est consacré à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique linéaire et non linéaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Dans ce modèle, le volume élémentaire représentatif du milieu hétérogène est composé d'une phase matricielle argileuse contenant des inclusions sphériques de minéraux de quartz et de calcite et des inclusions ellipsoïdales aplaties représentant l'espace poreux. Dans un premier temps, le procédé de la modélisation a été exploité par la détermination des propriétés effectives isotropes et isotrope transverses des argilites : la conductivité thermique et les propriétés thermo-hydro-mécanique croisées. En outre, de nombreuses études numériques ont mis en évidence l'influence de la morphologie de l'espace poreux, de la minéralogie et des schémas d'estimation sur les résultats prédictifs. Dans un deuxième temps, nous avons modélisé le comportement mécanique non linéaire (élasto-plastique, élasto-viscoplastique) des roches argileuses. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de fluage) a confirmé la validation du modèle développé / The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical inclusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a first step, the process of modelling has been exploited by determining the isotropic and transversely isotropic effective properties of the argillite: thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the influence of the morphology of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic) of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental results (triaxial compression test, creep test) confirmed the validation of the model developed

La microstructure des matériaux constitue un outil essentiel pour optimiser les propriétés mécaniques des structures et ainsi améliorer leurs performances. Ce manuscrit est organisé comme suit : - Dans le chapitre 1 nous introduisons les aspects généraux de la mécanique des renforts fibreux.- Dans le chapitre 2 nous rappelons certains concepts fondamentaux concernant la mécanique des milieux continus classiques et les théories de deuxième gradient.- Dans le chapitre 3 nous nous proposons de présenter une première modélisation des renforts fibreux de composites en mettant en place des modèles numériques discrets. Dans un deuxième moment nous introduisons une modélisation continue de deuxième gradient et nous montrons que les termes d’ordre supérieur permettent une description satisfaisante des effets de flexion locale sur-cités.- Dans le chapitre 4 on particularise le cadre général de la mécanique des milieux continus introduit dans le chapitre 2 au cas particulier des milieux continus 2D. - Dans le chapitre 5 nous introduisons une hypothèse cinématique forte sur les déformations ad- missibles, en supposant que les mèches du renfort considéré sont inextensibles. Une méthode numérique permettant de montrer certaines solutions concernant le cas du bias extension test est codée en Mathematica et les résultats obtenus sont discutés. / Generalized continuum theories may be good candidates to model micro-structured materials in a more appropriate way (both in the static and dynamic regime) since they are able to account for the description of the macroscopic manifestation of the presence of microstructure in a rather simplified way. 
The present manuscript is organized as follows: In chapter 1 a general description of fibrous composite reinforcements is given, with particular attention to the introduction of standard experimental tests which are used to characterize the micro- and macro-structural mechanical properties of such materials. In chapter 2 some fundamental issues concerning classical continuum mechanical models are recalled. Moreover, second gradient continuum models are introduced and discussed by means of the Principle of Virtual Work. Since the applications targeted in this manuscript are limited to static cases, we refrain here to treat the more general case including inertia effects. In chapter 3 we start analyzing some discrete and continuum models for the description of the mechanical behavior of 2D woven composites. At this stage of the manuscript, we want to show how some discrete numerical simulations allowed us to unveil some very special deformation modes related to the effect of the local bending of fibers on the overall macroscopic deformation of fibrous composite reinforcements. Such discrete simulations showed rather clearly that microscopic bending of the fibers cannot be neglected when considering the deformation of fibrous composite reinforcements. For this reason, we subsequently introduced a continuum model which is able to account for such microstructure-related effects by means of second gradient terms appearing in the strain energy density. In chapter 4 we reduce the general continuum mechanical framework introduced in Chapter 2 to the particular case of 2D continua. We put a strong accent on the geometric interpretation of second gradient deformation measures which are seen to be directly related to the in-plane curvatures of suitable coordinate lines. Such coordinate lines will be interpreted in the next chapters are the yarns of the considered 2D woven composite, so acquiring a direct physical sense. In chapter 5 we introduce a strong kinematical hypothesis on the admissible deformations, assuming that the yarns composing the woven reinforcements are inextensible. Such assumption allows us to build-up a simplified first gradient model for the behavior of 2D woven reinforcements which is still representative of their mechanical behavior. A constrained least Action principle is proposed and the associated integral Euler-Lagrange equations are presented. A numerical method allowing to show some solutions concerning the case of bias extension test is implemented in Mathematica and the obtained results are discussed.

Mit zunehmendem Alter zeigt das Verbundverhalten von Multifilamentgarnen aus alkaliresistentem Glas (AR-Glas) oder Kohlenstoff in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der zementgebundenen Matrix eine sehr unterschiedliche Entwicklung. Während bei AR-Glas teilweise drastische Verluste des Leistungsvermögens zu verzeichnen sind, treten diese bei Kohlefasern nicht auf. Zur Untersuchung der Phänomene wurden beidseitige Garnauszugversuche durchgeführt und die Interphase zwischen Filamenten und Matrix im Rasterelektronenmikroskop (ESEM) untersucht. Die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften stehen in Zusammenhang mit verschieden ausgeprägten Mikrostrukturen der Interphasen. Welche Ursachen die unterschiedliche morphologische Entwicklung der Interphasen hat, ist Gegenstand aktueller Arbeiten.

Les tunnels profonds sont souvent construits dans les roches sédimentaires et métamorphiques stratifiées qui présentent habituellement des propriétés anisotropes en raison de leur structure et des propriétés des constituants. Le présent travail vise à étudier les tunnels profonds dans un massif rocheux anisotrope élastique en portant une attention particulière sur les effets des couplages hydromécaniques par des approches analytiques et numériques. Une solution analytique pour un tunnel creusé dans un massif rocheux anisotrope saturé est développée en tenant compte du couplage hydro-mécanique dans le régime permanent. Cette solution analytique est utilisée pour réaliser une série d’études paramétriques afin d'évaluer les effets des différents paramètres du matériau anisotrope sur le comportement du tunnel. Dans un deuxième temps la solution analytique est élargie pour décrire le comportement du tunnel pendant la phase transitoire hydraulique. Afin de compléter ces études analytiques qui prennent en compte seulement un couplage unilatéral (dans le sens que seul le comportement hydraulique influence le comportement mécanique et pas l’inverse) de l’analyse numérique avec un couplage complet, ont été réalisés. Une application de la solution analytique sur la méthode de convergence-confinement est aussi bien abordée qui peut prendre en compte l'influence du front de taille du tunnel sur le travail du soutènement ainsi que sur le massif. La solution obtenue peut servir comme un outil de dimensionnement rapide des tunnels en milieux poreux en le combinant avec des approches de dimensionnement comme celle de convergence confinement. / Deep tunnels are often built in the sedimentary and metamorphic foliated rocks which exhibits usually the anisotropic properties due to the presence of the discontinuity. The analysis of rock and liner stresses due to tunnel construction with the assumption of homogeneous and isotropic rock would be incorrect. The present thesis aims to deal with the deep tunnel in anisotropic rock with a particular emphasis on the effects of hydraulic phenomenon on the mechanical responses or reciprocal effects of hydraulic and mechanical phenomena by combining analytical and numerical approach. On that point of view, a closed-formed solution for tunnel excavated in saturated anisotropic ground is developed taking into account the hydromechanical coupling in steady-state. Based on the analytical solution obtained, parametric studies are conducted to evaluate the effects of different parameters of the anisotropic material on the tunnel behavior. The thesis considers also to extend the analytical solution with a time-dependent behavior which takes into account the impact of the pore pressure distribution on mechanical response over time, i.e., one way coupling modeling. In addition, some numerical analysis based on fully-coupled modeling, i.e., two ways coupling, are conducted which are considered as the complete solution for the analytical solution. An application of the closed-form solution on convergence-confinement method is as well referred which can take into account the influence of the tunnel face on the work of the support as well as the massif. The obtained solution could be used as a quick tool to calibrate tunnels in porous media by combining with design approaches such as convergence-confinement method.

Si un béton classique est constitué d'éléments de granulométrie décroissante, en commençant par les granulats, le spectre granulométrique se poursuit avec la poudre de ciment puis parfois avec un matériau de granulométrie encore plus fine comme une fumée de silice (récupérée par exemple au niveau des filtres électrostatiques dans l'industrie de l'acier). L'obtention d'un spectre granulométrique continu et étendu vers les faibles granulométries permet d'améliorer la compacité, donc les performances mécaniques. L'idée de base de cette thèse a été d'utiliser comme éléments de granulométrie fine des fillers à base de calcaire. Ces fillers ont des granulométries très fines qui leur permettent de remplir les micro-fissure généralement présentes à l'intérieur du béton. La surface rugueuse des grains de ces fillers permet de modifier le coefficient de frottement entre les lèvres de chaque fissure. Le résultat souhaité est celui de produire un béton qui dissipe par frottement plus d'énergie par rapport à un béton standard. Un béton de ce type pourrait avoir des applications importantes dans l'ingénierie civile, surtout pour ce qui concerne l'absorption des vibrations dans la ville et les constructions en régions séismiques. Les théories des milieux continus généralisés permettent de tenir compte de l’effet de la microstructure des matériaux sur leur comportement macroscopique et, en particulier, de décrire la dissipation d’énergie dans le béton sujet à des chargements cycliques. Un modèle continu généralisé avec une variable cinématique supplémentaire a été développé dans le cadre de cette thèse qui permet de décrire le glissement relatif des lèvres des fissures dans le béton à l'échelle microscopique. La relation entre ces micro-mouvements au niveau des lèvres de fissures et la dissipation d'énergie observée à l'échelle macroscopique a ensuite été étudiée. Les équations en forme forte qui dérivent de cette modélisation continue sont obtenues à l'aide d'un principe variationnel de Hamilton-Rayleigh dans lequel on a intégré la nature dynamique du problème ainsi que la possibilité de décrire des phénomènes de dissipation au niveau microscopique. Le modèle obtenu permet de décrire les cycles d'hystérésis typiques du béton sujet à des chargement cycliques et ses paramètres ont été calés sur des essais menés au LGCIE de l'INSA de Lyon. Des études paramétriques concernant les paramètres reliés à la microstructure du matériau ont permis d'identifier l'effet que l'addition des micro-fillers a sur le comportement mécanique global du béton lorsque il est sujet à des chargement dynamiques. / In this thesis, a two-degrees-of-freedom, non-linear model is introduced aiming to describe internal friction phenomena which have been observed in some modified concrete specimens undergoing slow dynamic compression loads and having various amplitudes but never inducing large strains. The motivation for the theoretical effort presented here arose because of the experimental evidence described in some papers in which dissipation loops for concrete-type materials are shown to have peculiar characteristics. Since viscoelastic models –linear or non-linear– do not seem suitable to describe either qualitatively or quantitatively the measured dissipation loops, it is proposed to introduce a micro-mechanism of Coulomb-type internal dissipation associated to the relative motion of the faces of the micro-cracks present in the material. In addition, numerical simulations, showing that the proposed model is suitable to describe some of the available experimental evidences, is presented. These numerical simulations motivate further developments of the considered model and supply a tool for the design of subsequent experimental campaigns. Furthermore, the effect of micro-particle additives such as calcium carbonate on internal dissipation of concrete was experimentally investigated. The damping performance of concrete can be improved by adding to the mixture different kinds of micro-particles with suitable size which fill the pores of the matrix and change the contact interaction between internal surfaces of voids. It was determined that the energy dissipation of the concrete increases with the increasing content of micro particles at least when the concrete matrix is “soft” enough to allow microscopic motions. On the other hand, the increasing percentage of micro-particles addition can affect the mechanical strength of the material. Thus, there is a reasonable compromise in incorporating these micro-particles to obtain higher damping with- out weakening the mechanical properties. Several concrete mixes were prepared by mixing cement powder with different percentages of micro-fillers. A concrete mix without addition of micro-particles was molded as a reference material for the sake of comparison. All these specimens were tested under cyclic loading in order to evaluate energy dissipation starting from the area of a dissipation loop detected in the diagram relative to a representative cycle. The experimental determination of the dissipated energy shows a significant increase in the damping capability of the cement-based materials with micro-filler compared to the standard concrete. The experimental results presented seem to indicate that the proposed model is suitable to describe the mechanical behavior of modified and unmodified concrete, provided that the introduced parameters are suitably tuned in order to best fit the available experimental data.

Les présents travaux, à caractère expérimental et numérique, visent à approfondir la connaissance du comportement de structures en béton armé renforcées/réparées par matériau composite à matrice minérale. Ils s’inscrivent dans le cadre du projet FUI KENTREC qui vise la formulation, le développement, la caractérisation et la validation d’un nouveau revêtement d’étanchéité pour réservoirs d’eau potable. L’objectif principal de cette thèse est donc la mise au point d’un composite à matrice minérale qui réponde au cahier des charges établi sur la base de la destination de ce matériau, à savoir, l’étanchéité des réservoirs d’eau potable. La mise au point comprend la formulation du matériau, l’évaluation de ses performances mécaniques, ainsi que la qualification des performances atteintes quant au renforcement de structures en béton armé. Deux échelles d’étude ont donc été retenues dans le cadre de la partie expérimentale, l’échelle du matériau, dans le but de formuler une matrice de « TRC » (Textile Reinforced Concrete) en fonction du cahier des charges, et l’échelle de la structure, avec l’application de ce matériau pour le renforcement et la réparation de structures en béton et en béton armé. Une campagne expérimentale de flexion portant sur des éprouvettes en béton et sur douze « poutres » en béton armé a permis, au-delà de la mise en exergue des bonnes performances en termes de capacité portante, d’analyser à l’échelle locale l’efficacité du composite à ponter la fissure et d’endiguer son ouverture. L’application visée étant l’utilisation de ce composite en milieu humide (réservoirs d’eau), les effets de deux différentes conditions de conservation de la structure renforcée/réparée par composite, avec soit l’immersion dans l’eau soit dans l’air, sont étudiés. Pour la partie numérique, ce travail vise à établir une modélisation des structures en béton ou en béton armé renforcées par ce type de composite TRC. La modélisation établie, s’appuie sur des lois de comportement non-linéaires des matériaux constitutifs (béton, acier, composite TRC) est confrontée à plusieurs échelles, aux résultats expérimentaux. La bonne concordance qualitative et quantitative entre le modèle proposé et les résultats expérimentaux au niveau des courbes charge-flèche, permet de valider la modélisation proposée à l’échelle globale. Au niveau local, on constate une assez bonne concordance du numérique et de l’expérimental, au niveau de la déformation de l’acier longitudinal, du béton, du composite, du schéma de fissuration, du champ de déplacement horizontal. Enfin, une étude paramétrique a permis d’évaluer l’influence de l’épaisseur du renfort composite TRC sur le comportement global et local de la structure. / This study, using both experimental and numerical approaches, will help to better understand the behavior of structure strengthened/repaired by composite based on mineral matrix. It especially focuses on the study of a new coating for drinkable water reservoirs without bisphenol A. The main objective of this thesis is development of a mineral matrix composite. Feasibility, performances and behavior of composite are examined. The experimental program involves different levels of analysis. At material level, the formulation and characterization of a mineral matrix are studied. At structure level, the application of this composite for the strengthening and repair of concrete and reinforced concrete structures is considered. A bending experiment on concrete specimens and the study of twelve reinforced concrete beams submitted to four point bending load, allows presenting good disposition in terms of bearing capacity. Secondly, the local analysis highlights the efficacy of the composite to bridge the crack and stop opening propagation. The effect of two different conservation conditions of beams with TRC (immersion in water compared to in air) was studied. The objective is evaluating the pertinence of TRC conserving in the water environment to apply in the concrete water reservoir structure. The effect evaluation of load history of structures on the efficacy strengthened/repaired of TRC composite is presented. It seems that the pre-cracking does not influence on the qualitative and quantitative behavior of the structure. Concerning the numerical approach, this work aims to establish a numerical model of concrete structure and reinforced concrete structure strengthened/repaired by TRC composite materials. The model, which is based on non-linear behavior laws for the constitutive materials (concrete, steel and TRC composite), is compared, at several scales, with experimental results. The good agreement, both qualitative and quantitative, between the model used and the results as expressed in the load-deflection curves validates the proposed model at a global scale. At local level (longitudinal deformation of the steel, deformation of the concrete, deformation of the TRC, cracks opening…) the digital-experimental comparison confirms a good qualitative and, the quantitative agreement. Finally, the parametric study allows to evaluate the influence of the thickness of the composite TRC (indirectly, the reinforcement ratio of beam), and the influence of the pre-cracking configuration on the global and local behavior of the structure.

Ce travail de thèse porte sur le développement des nouveaux verres bioactifs de comblement osseux. Ils sont élaborés par fusion dans le système quaternaire : SiO2-CaO-Na2O-P2O5. Deux éléments chimiques (bore et fluor), ont été incorporés au sein du réseau vitreux. L’effet de la quantité des éléments ajoutés dans le verre, sur le comportement physico-chimique, mécanique et physiologique a été mené par plusieurs techniques originales. L’intégration du bore ou du fluor au sein de la matrice vitreuse, influe sur les caractéristiques thermiques des verres synthétisés. Les performances mécaniques en termes de résistance mécanique, module de Young, module de cisaillement, rigidité et dureté ont été développé par l’incorporation du fluor dans la structure vitreuse. L’effet inverse a été manifesté pour les verres à base du bore. Des essais ''in vitro'' ont prouvé que la présence du bore accélère la dissolution de la matrice vitreuse, la cinétique et la cristallisation de la couche d’hydroxyapatite. Tandis que l’ajout du fluor retarde ces phénomènes physiologiques. / This thesis focuses on the development of new bioactive glasses for use as bone filling. They are synthetized by the melting method in the quaternary system CaO-SiO2-Na2O-P2O5. Two chemical elements (boron and fluor), have been incorporated in the glass network. The amount added effect, of elements, in the glass, on the physico-chemical, mechanical and physiological behaviour was led by several original techniques. The boron or fluor integration in the glass matrix, affect the thermal characteristics of the synthesized glasses. The mechanical performance in terms of: mechanical strength, Young's modulus, shear modulus, rigidity and hardness, have been developed by the fluor incorporation into the glass structure. The opposite effect was manifested for boron based glasses. In vitro tests have showed that the boron presence accelerates the vitreous matrix dissolution, the kinetics and the crystallization of the hydroxyapatite layer. While the fluor addition retards these physiological phenomena.

Durant les différentes phases du stockage profond des déchets radio-actifs exothermiques (excavation, exploitation) jusqu'à la fermeture définitive, la roche hôte sera soumise à des sollicitations mécaniques, hydriques et thermiques couplées. Afin de connaître et de modéliser le comportement à court et long terme des dispositifs de stockage, une investigation approfondie du comportement de la roche est nécessaire afin de compléter les données existantes. C'est dans ce but que cette étude du comportement thermo-hydro-mécanique de la formation argileuse du Callovo-Oxfordien (COx) considérée par l'ANDRA comme roche hôte potentielle, a été développée. Dans un premier temps le comportement en compression–gonflement de l'argilite du COx a été étudié par la réalisation d'un programme d'essais oedométriques haute pression. Les résultats, interprétés en termes de couplage endommagement-gonflement, ont montré que l'ampleur du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Dans un second temps, le comportement hydromécanique et thermo-hydro-mécanique de l'argilite saturée sous une contrainte moyenne proche de l'in-situ a été étudié à l'aide de cellules à faible chemin de drainage (10 mm), dont une cellule isotrope et une cellule triaxiale à cylindre creux avec mesures locales d'un type nouveau. Ces appareils ont permis de résoudre deux problèmes difficiles typiques des argilites de très faible perméabilité : i) une saturation préalable correcte, attestée par de bonnes valeurs du coefficient de Skempton et ii) de bonnes conditions de drainage. Les paramètres caractéristiques du comportement de l'argilite à température ambiante (coefficients de Skempton et de Biot, compressibilité drainée et non-drainée) ont été déterminés à partir d'essais de compression isotrope qui ont également confirmé l'isotropie transverse du matériau. La cohérence des paramètres obtenus a été vérifiée dans un cadre poro-élastique saturé. Deux aspects du comportement thermo-hydro-mécanique de l'argilite du COx ont été étudiés à l'aide d'essais de chauffage et de compression volumique en température (80°C) : les effets de la température sur le comportement intrinsèque de l'argilite et le phénomène de pressurisation thermique. Un essai de chauffage drainé sous contrainte in-situ a mis en évidence, apparemment pour la première fois, un comportement plastique contractant de l'argilite (comme les argiles normalement consolidées), non pris en compte dans les modélisations thermo-élastiques actuelles des systèmes de stockage profond. Un autre élément nouveau et important observé est l'augmentation de la compressibilité avec la température, à la différence des argiles. L'étude de la pressurisation thermique (engendrée par la faible perméabilité de l'argilite et la forte différence entre les coefficients de dilatation thermique de l'eau et de la phase solide), a été réalisée à l'aide d'essais de chauffage non drainés, suite à une analyse détaillée des effets perturbateurs du système de mesure lors de variations de pression et de température (peut-être à considérer également dans les mesures in-situ). Le coefficient de pressurisation thermique s'est révélé être très sensible aux variations de température et de contrainte, il diminue de 0,14 à 0,1 MPa/°C entre 25 et 80°C. La nature des différentes réponses hydro-mécaniques et thermo-hydro-mécaniques obtenues au cours de ce travail permettront une interprétation et une modélisation plus précises du comportement du massif d'argilite autour des galeries, dans des zones qui sont pour la plupart saturées, sauf à proximité immédiate des galeries (quelques décimètres) / During the different phases of the exothermic radioactive waste deep disposal (excavation, operation) and after permanent closure, the host rock is submitted to various coupled mechanical, hydraulic and thermal phenomena. Hence, a thorough investigation of the thermo-hydro-mechanical behaviour of the rock is necessary to complete existing data and to better understand and model the short and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) clay formation in Bure (Meuse/Haute-Marne - M/HM), considered by ANDRA as a potential host rock in France.In this work, the compression – swelling behaviour of the COx claystone was first investigated by carrying out a series of high-pressure oedometric tests. The results, interpreted in terms of coupling between damage and swelling, showed that the magnitude of swelling was linked to the density of the fissures created during compression. In a second step, the hydromechanical and thermo-hydro-mechanical behaviour of the saturated claystone under a mean stress close to the in situ one were investigated by using two devices with short drainage path (10 mm), namely a isotropic cell and a newly designed hollow cylinder triaxial cell with local displacement measurements. These devices helped to solve two majors problems related to testing very low permeability materials : i) a satisfactory previous sample saturation (indicated by good Skempton values) and ii) satisfactory drainage conditions. Some typical constitutive parameters (Skempton and Biot's coefficients, drained and undrained compressibility coefficients) have been determined at ambient temperature through isotropic compression tests that also confirmed the transverse isotropy of the claystone. The consistency of the obtained parameters has been checked in a saturated poroelastic framework. Two aspects of the thermo-hydro-mechanical behaviour of the COx claystone have then been investigated through different heating tests and through drained and undrained isotropic compression tests at elevated temperature (80°C) : the effects of temperature on the behaviour of claystone and thermal pressurization. A drained heating test under in-situ stress conditions evidenced, probably for first time, a plastic contractant response of the claystone (like normally consolidated clays), a feature not considered in the presently conducted numerical modelling of deep disposal systems. Another new important observed feature is the increase in drained compressibility of the COx claystone with temperature, not observed in clays. The investigation of thermal pressurization (caused by the low claystone permeability and by the significant difference in thermal expansion between water and the solid phase) has been carried out by means of undrained heating tests, after a detailed analysis of the major effects of the measurement system (which should perhaps be also analyzed when performing in-situ measurements). The thermal pressurization coefficient appeared to be quite sensitive to changes in temperature and stress, it decreased between 0.14 and 0.1 MPa/°C between 25 and 80°C. It is believed that the different thermo-hydro-mechanical volumetric responses obtained here allow a better interpretation and modelling of the behaviour of the claystone formation around the galleries in areas that are mostly saturated, except close to the galleries (a few decimetres)

Die Arbeit stützt sich überwiegend auf die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen. Einaxiale Zugversuche an scheibenförmigen Probekörpern bildeten die Basis für die Beschreibung des Tragverhaltens in Form von Spannungs-Dehnungs-Linien. Da die Durchführung von Zugversuchen bekanntlich nicht ganz problemlos ist, wird der Versuchsaufbau besonders sorgfältig dargestellt. Mängel und deren Auswirkung auf die Versuchsergebnisse werden ausführlich diskutiert. Für die Beurteilung der Verbundeigenschaften der Bewehrung ist der Umfang der Kontaktfläche mit der Matrix ein wichtiger Parameter. Es wurde ein Verfahren für die Ermittlung dieser und anderer geometrischen Eigenschaften der Bewehrung entwickelt. Elektronische Aufnahmen von klassischen Dünnschliffen werden dazu mit einem digitalen Bildauswerteprogramm analysiert. Die Berücksichtigung einer Vielzahl von Einflüssen ermöglicht erstmals die reproduzierbare Bestimmung des Umfanges der Kontaktfläche zwischen den Fasern und der Matrix sowie die Querschnittsfläche der Faserbündel in der Matrix ohne subjektive Einflüsse. Das Tragverhalten von unidirektionalen und textilen Bewehrungen aus AR-Glas Filamentgarnen wird mit experimentellen Methoden untersucht. Die Basis bilden in einaxialen Zugversuchen an Dehnkörpern aufgenommene Spannungs-Dehnungs-Linien. Schon bei einer Bewehrung aus unidirektionalen Multifilamentgarnen treten Phänomene auf, die von Bewehrungen aus kompakten, homogenen Querschnitten (Stäben oder Drähten) nicht bekannt sind. Die Multifilamentgarne können selbst schon als Verbundwerkstoff bezeichnet werden, dessen Eigenschaften in einem großen Wertebereich variieren. Mit der textilen Verarbeitung von Multifilamentgarnen werden die (Verbund¬¬-)Eigenschaften entscheidend verändert. Ganz wesentlich ist das Hinzufügen von weiteren Faserscharen und den für die Herstellung der Textilien notwendigen Nähgarnen. Durch die Verarbeitung ändern sich auch Form und Packungsdichte der Multifilamentgarne. Das Zusammenspiel all dieser Einflüsse und die Variationsmöglichkeiten bei der Kombination aller Parameter führen zu einem teilweise deutlich verändertem Tragverhalten des textilbewehrten Betons gegenüber unidirektional bewehrtem Beton. Auf der Basis einfach handhabbarer Modelle wird versucht, Charakteristika des Tragverhaltens zu erklären. Beim textilbewehrten Beton ist jedoch oft kein eindeutiger Zusammenhang erkennbar, weil sich mehrere Einflüsse überlagern. Trotzdem ist es gelungen, zahlreiche, für den textilbewehrten Beton typische Besonderheiten aufzuzeigen und deren Ursachen zu klären. Den Abschluss bilden Überlegungen zur Optimierung der textilen Bewehrungen, die sich aus den beobachteten Phänomenen und deren Ursachen ableiten. / This thesis is mainly based on results of experimental methods. Uniaxial tension tests on strain specimens provide a basis for a description of the load bearing behaviour in the form of stress-strain-curves. It is well known, that the accomplishment of tension tests causes several problems. Therefore the test set-up is described in detail. Deficiencies and their impact on test results are discussed extensively. For the assessment of bond properties the perimeter of the contact area between fibres and matrix is a crucial parameter. A new procedure has been developed for estimating this and other geometrical properties of the reinforcement. Digital images of traditional thin section petrography are analysed with digital image analysis software. The consideration of a multitude of influences enables a reproducible determination of the perimeter of the contact area between fibres and matrix as well as the cross sectional area of the fibre bundles for the first time without subjective influences. The load bearing behaviour of unidirectional fabric reinforcement made from AR-glass filament yarns is examined with experimental methods. Stress-strain-curves from uniaxial tension tests on strain specimen provide a basis. Reinforcements of unidirectional multi filament yarns show already phenomenon?s that are not known from reinforcements with compact homogeneous cross sections (bars or wires). Multi filament yarns could be indicated as an composite material itself whose properties vary in a wide range. During fabric production with textile technologies the (bond-)properties are subject to crucial changes. The adding of extra layers of yarns and needle thread required for connecting these layers are of vital importance. Textile processing changes shape and packing density of the multi filament yarns. The interaction of all these influences and the possible range of combining all parameters lead to pronounced changes in the mechanical properties of textile reinforced concrete also compared to unidirectional fibre reinforcement. Using simple to handle models this work attempts to explain characteristics of the mechanical behaviour. However, for textile reinforced concrete there is often not a clear connection visible. Although numerous typical characteristics of textile reinforced concrete and their causes has been identified. Finally some considerations for optimising fabric reinforcements are given, which has been derived from observed phenomenons and their causes.

Ce travail de recherche a pour objectif de présenter la conception de tunnels au moyen de la méthode hyperstatique aux coefficients de réaction (HRM). Les modèles développés par la méthode HRM sont tout d'abord proposés pour étudier le comportement de tunnels en forme de fer à cheval inversée dans différentes conditions, par exemple en considérant deux cas de charge, deux géométries différentes de revêtement de tunnel, deux cas de coefficients de réaction différents, changement de la rigidité des coefficients de réaction, conditions de sol multicouches, surcharges en surface et sol saturés. Les modèles présentés permettent d’aboutir à des prévisions qualitatives avec une efficacité de calcul élevée par rapport à la modélisation numérique en différences finies. Une analyse paramétrique est ensuite réalisée pour estimer le comportement du revêtement de tunnel en forme de fer à cheval dans un grand nombre de cas couvrant les conditions généralement rencontrées dans la pratique. Ensuite, en prenant comme exemple un tunnel métropolitain à deux voies, une série de fonctions mathématiques est déduite et utilisée dans le processus d'optimisation d’un tunnel de forme complexe, ce qui offre aux concepteurs de tunnels un support théorique leur permettant de choisir la forme optimale du tunnel à mettre en oeuvre. L’effet de différents paramètres, tels que le coefficient des terres au repos, le module d’Young du sol, la profondeur du tunnel, les surcharges en surface, sur les efforts internes et la forme du tunnel. Dans la dernière partie du manuscrit, l’influence d’un changement de température sur les efforts dans le revêtement d’un tunnel circulaire au moyen de la méthode HRM est étudiée en tenant compte de différents facteurs, tels que l’épaisseur du revêtement de tunnel, le module d’élasticité du revêtement et le coefficient de dilatation thermique du sol. / This research work aims to present the design of tunnel by means of the Hyperstatic Reaction Method (HRM). The models developed by the HRM method are firstly proposed for investigating the behaviour of U-shaped tunnels under different conditions, considering two load cases, two different geometries of U-shaped tunnel lining, two different cases of springs, change of the spring stiffness, multi-layered soil conditions, surcharge loading, and saturated soil masses. The presented models permit to obtain good predictions with a high computational efficiency in comparison to finite difference numerical modelling. Then a parametric analysis has permitted to estimate the U-shaped tunnel lining behaviour in a large number of cases which cover the conditions that are generally encountered in practice. Thereafter, taking a twin-lane metro tunnel as an example, a series of mathematical functions used in the optimization progress of sub-rectangular tunnel shape is deduced, which gives to tunnel designers a theoretical support to choose the optimal sub-rectangular tunnel shape. The effect of different parameters, like the lateral earth pressure factor, soil Young’s modulus, tunnel depth, surface loads, on the internal forces and shape of sub-rectangular tunnel is then given. In the last part of the manuscript, the influence of a temperature change on the lining forces of circular tunnel by means of the HRM method is investigated, considering different factors, such as the tunnel lining thickness, lining elastic modulus and ground coefficient of thermal expansion.