Le bâtiment quel qu'il soit (industrie, tertiaire, domestique), s'électrifie toujours plus pour répondre entre autre au besoin de l'efficacité énergétique. Ainsi de nombreux équipements, en particulier d'électronique de puissance ou encore d'actionneurs sont présents et produisent des perturbations électromagnétiques tant conduites que rayonnées véhiculées ou propagées par les câblages électriques et dispositifs de protection, dimensionnés pour 50Hz et non les hautes fréquences. Ceci est à l’origine de la problématique CEM dans le bâtiment. La méthodologie de modélisation proposée consiste à chercher un schéma équivalent pour chaque constituant ou composant d’une installation. L’accès aux paramètres localisés de chacun est un des points fort de la méthode, tout en permettant l’association avec d’autres composants (couplages). Les modèles ainsi générés sont implantés automatiquement dans un logiciel circuit, en l’occurrence Spice, permettant la résolution et l’association d’autres équipements électriques complexes. La modélisation des différents composants, principalement le circuit de mise à la terre, permet la simulation et l’analyse de plusieurs configurations qui devraient nous permettre de dicter des règles de conception pour rendre plus robuste le bâtiment moderne fortement électrifié. / In order to answer the need for energy efficiency, building, whatever it is (industrial, commercial, domestic), still electrifies more and more. Hence many equipment, in particular power electronic or actuators are introduced and produce conducted and radiated electromagnetic disturbances. They propagate via cabling and protection devices which have been sized for 50Hz and not for high frequencies generated by the equipment. This constitutes the EMC problematic for building.The proposed modeling methodology is to evaluate an electrical equivalent circuit for each installation’s component. Access to lumped parameters of each component is one of the highlights of this method, allowing the other components association (couplings). The generated models are implemented in a circuit software such as Spice, enabling the resolution and the association of other electrical components.The modeling of the components, mainly the grounding circuit, allows the simulation of different configurations. The analysis of several configurations should help the elaboration of design rules to make today buildings more efficient.

Cette thèse porte sur l’utilisation de présoutènements pour réduire les tassements, c’est-à-dire la mise en place de boulons au front et d’une voute parapluie au-dessus du front. Elle cherche à fournir des outils pour évaluer l’impact des techniques de construction sur les tassements au moyen de calculs numériques par éléments finis. Une attention particulière est portée aux conséquences des choix de simulation sur les résultats obtenus.Le chapitre 1 présente une comparaison de différentes approches de simulation du creusement d’un tunnel peu profond en déformation plane. Les résultats ne justifient pas de privilégier les approches alternatives par rapport à l’approche classique qui utilise des forces de déconfinement. D’autre part, la disposition des présoutènements impose de réaliser des modélisations tridimensionnelles. Dans toute la suite du mémoire, on se place donc dans le cadre tridimensionnel. Dans un premier temps, le chapitre 2 présente une étude de l’influence de la géométrie du front de taille d’un tunnel sur sa stabilité : on compare le cas d’un front de taille vertical et d’un front de taille incliné ou courbe.Le chapitre 3 porte sur la prise en compte dans les simulations numériques du renforcement du front de taille par boulonnage. Nous avons comparé différentes approches, et montrer l’apport des modélisations qui prennent en compte de manière détaillée l’interaction sol-boulon, pour la simulation d’essais effectués en centrifugeuse.Dans le chapitre 4, on étudie l’influence des boulons au front sur les tassements. Nous avons cherché à discuter l’utilité de décrire en détail certains aspects du processus de construction, comme le cycle de renouvellement des boulons au front. Nous avons également discuté l’influence de la distance de pose du radier en arrière du front.Le chapitre 5 étudie l’influence de la voute parapluie sur les tassements. Nous avons établi une modélisation qui prend en compte la géométrie conique de la voute parapluie et du soutènement et le cycle de renouvellement des tubes de la voute. Enfin, on a proposé une modélisation originale du procédé de réduction des tassements au moyen d’injections réalisées à partir des tubes de la voute, appelé « présoutènement actif ».Les résultats fournissent des éléments pour le dimensionnement des procédés de présoutènements, en montrant, par exemple qu’il existe une valeur limite à partir de laquelle il n’est plus utile d’augmenter le nombre de boulons ou de tubes. Ils montrent également que certains choix de modélisation ont peu d’influence sur les tassements, ce qui justifie de prendre en compte des hypothèses qui simplifient la réalisation pratique des études numériques.La thèse a été financée par le projet FUI Newtun, piloté par Solétanche-Bachy / This thesis focuses on the use of pre-reinforcements to reduce the settlements, namely the reinforcement of the tunnel face by bolts, or the installation of a pipe-roof umbrella placed above the face. It seeks to provide tools to evaluate the influence of the construction techniques on the settlements by means of finite element simulations. A special attention is paid to the consequences of the choices of simulation on the numerical results obtained.Chapter 1 presents a comparison between different approaches of simulation for the excavation of a shallow tunnel in plane strain. The results show that the alternative approaches do not give better results, in terms of width of the predicted settlement trough, than the classical approach based on excavation forces. On the other hand, the implementation of the pre-reinforcements imposes to carry out three-dimensional simulations. In this context, ones discusses, in chapter 2, the influence of the geometry of the tunnel face of a tunnel on his stability: we compare the case of a vertical tunnel face and with an inclined or curved tunnel face.Chapter 3 focuses on the techniques that can be used to take into account in the numerical simulations the reinforcement of the tunnel face by bolting. We have compared different approaches, and showed that models that take into account in more detail the soil-bolt interaction give better results for the simulation of centrifuge tests.In Chapter 4, we discuss the influence of the bolts on the settlements. We have discussed the utility of taking into account in the simulation some aspect of the construction process, such as the renewal of the bolts. Also, we have discussed the influence of the distance between the tunnel face and the invert.Chapter 5 studies the influence of the pipe umbrella on the settlements. We have established a model that takes into account the conical geometry of the pipe umbrella and the lining, and the cycle of renewal of the pipes. In the last place, we have proposed an original modelling of the technique of aiming at reducing the settlements by means of injections carried out from the pipes, called “active pre-reinforcement”.The results provide some elements for the design of the pre-reinforcement elements, and show for example that there exists a threshold value above which it is not useful to increase the number of bolts or of pipes. On the other hand, they show that some choices of simulation have little influence on the computed settlements, which justifies some assumptions that can be useful to reduce the complexity of three dimensional numerical models.The thesis has been funded by the project FUI Newtun (under the coordination of Solétanche-Bachy)

Cette thèse traite de la morphodynamique pluri-décennale des environnements sableux soumis à l’action combinée des courants de marée et des vagues. Dans ces travaux, une approche de modélisation numérique basée sur les processus hydro-sédimentaires est utilisée, celle-ci étant combinée à des données collectées au sein du laboratoire LIENSs au cours de ces dernières années sur différents sites ateliers (i.e. données bathymétriques, hydrodynamiques, et sismiques). Afin de réaliser des simulations morphodynamiques de ce type d’environnement côtier, deux principaux développements ont été apportés au modèle : (1) la prise en compte de l’hétérogénéité granulométrique du sédiment, et (2) le calcul de l’évolution du fond suivant un schéma numérique basé sur le formalisme WENO et adapté à un maillage de type non-structuré. La première application du système de modélisation a concerné l'évolution rétrospective du banc de sable estuarien de la Longe de Boyard, situé en baie de Marennes-Oléron, sur la période 1960 à 2000. Les résultats de ce travail ont tout d'abord montré qu'en dépit de la morphologie globale du banc indiquant une dominance de la marée, la contribution des vagues était essentielle pour expliquer son évolution pluri-décennale. La rythmicité de l’accrétion sédimentaire observée et simulée dans la partie sud du banc a ensuite pu être analysée d'un point de vue stratigraphique, grâce à la prise en compte de l'hétérogénéité granulométrique du sédiment dans le modèle. Le lien entre la rythmicité des variations granulométriques du sédiment dans cette zone et la saisonnalité du climat de vagues a ainsi été mis en évidence. La seconde application du système de modélisation a concerné l’évolution de la flèche sableuse d'Arçay, située sur le littoral vendéen. Les résultats de simulation morphodynamique suggèrent que l’évolution de cette flèche, principalement contrôlée par les vagues, présente un comportement combinant allo-cyclicité et auto-cyclicité. / This work considers the pluri-decadal morphodynamic modeling of sandy coastal environments subjected to tides and waves. A process-based numerical model is used, together with a collection of field data from the LIENSs laboratory (i.e. bathymetric, hydrodynamic, and seismic data). To simulate the morphodynamic of these environments, two main numerical developments have been added to the model : (1) the sediment heterogeneity, and (2) the bed evolution computation following a WENO-based scheme adapted to unstructured grids. The first model application concerns the 40-year hindcast (period 1960 to 2000) of a wide estuary mouth sandbank located in the Marennes-Oléron bay : the Longe de Boyard sandbank. Numerical results suggest that this sandbank long-term evolution is strongly controlled by waves, in spite of its global tide-dominated morphology. Rhythmic nature of sediment accretion, which is observed and modeled in the south part of the bank, was then analyzed from a stratigraphic point of view thanks to the integration of sediment heterogeneity into the model. Grain size rhythmic variations in this area appeared to be related to local wave climate seasonality. The second model application considers the Arçay sandspit evolution (Vendée coast). Morphodynamic results suggest that this sandspit evolution, mainly controlled by waves, is characterized by a combination of both autogenic and external-influenced behaviors.

Dans les chaînes de montagnes, les séismes de magnitudes intermédiaires à fortes (Mw>6) déclenchent systématiquement un grand nombre de glissements de terrain responsables de l'introduction de volumes massifs de sédiments dans le réseau fluviatile. L'évacuation progressive de ces sédiments hors de la zone épicentrale affecte la dynamique des rivières et provoque des aléas hydro-sédimentaires dans les plaines alluviales (avulsion des rivières, crues...). La quantification des transferts sédimentaires est essentielle pour mieux comprendre l'évolution des paysages à court et moyen terme (de l'heure au siècle) et permettre une gestion efficace des risques dans les zones d'accumulation. Cependant, les flux de sédiments grossiers étant difficiles à mesurer, les facteurs contrôlant l'évacuation des glissements de terrain restent à ce jour mal compris. Cette thèse a donc porté sur l'étude, via la modélisation, des paramètres influençant la mobilisation des glissements de terrain, la préservation de la capacité de transport la transition entre gorge et plaine alluviale et la dynamique court terme des cônes alluviaux soumis à de forts apports sédimentaires. Les approches développées sont appliquées au contexte de la côte Ouest de la Nouvelle Zélande où la probabilité d'occurrence d'un séisme de magnitude 8 est de 50% dans les 50 ans à venir. Cette problématique à été abordée analytiquement et via une approche numérique avec le modèle 2D d'évolution des paysages et des rivières, Eros. Avec l'approche analytique, nous démontrons que la conservation de la capacité de transport long terme à la transition entre gorges et plaines alluviales est généralement réalisée par le passage à un système en tresse. Nous identifions aussi la variabilité des débits comme facteur dominant de la capacité de transport long terme comparé à l'effet de la végétation riparienne. Avec l'approche numérique, nous utilisons Eros qui est composé 1. d'un modèle hydrodynamique 2D, 2. d'un modèle de transport/dépôt de sédiments et 3. de modèles gérant les flux latéraux d'érosion et de dépôt. La combinaison de ces éléments permet l'émergence de diverses géométries de rivières alluviales (droites/sinueuses ou en tresses) en fonction des forçages externes qu'elles subissent (débit d'eau, flux sédimentaires). L'application d'Eros à des cas naturels a nécessité la validation et la calibration de ses paramètres principaux à l'aide: 1. de solutions analytiques et 2. de la reproduction morphodynamique de systèmes naturels, tel que l'évolution de la rivière Poerua en Nouvelle Zélande suite au glissement de terrain du Mont Adams. Dans la partie aval du bassin, les simulations numériques démontrent les capacités du modèle 1) à prédire efficacement l'évolution de plaines alluviales soumises à plusieurs scénario d'apports sédimentaires massifs et 2) à générer des cartes de risques probabilistes. Dans la partie amont du bassin, les résultats mettent en évidence le rôle clef de la réduction dynamique de largeur des rivières par rapport à la largeur de la gorge fluviatile, sur l'accélération de l'évacuation des sédiments issus des glissements de terrain. Une loi unique caractérisant les temps d'export d'une distribution de glissements de terrain peut être définie en fonction du rapport entre volume de sédiment et capacité de transport initiale de la rivière, permettant ainsi d'estimer leur temps de résidence moyen à 5-30 ans pour un scénario de séisme de Mw=8 beaucoup plus faibles que ceux estimés précédemment (~100 ans). L'approche numérique développée dans ce travail suggère que l'étude de la réponse des chaînes de montagnes à un forçage sismique fort ne peut être effectuée efficacement qu'avec un modèle 2D capable de prendre en compte les non-linéarités entre écoulements des rivières, leurs géométries et le transport sédimentaire. Les résultats obtenus permettent une meilleure caractérisation de la dynamique des paysages à l'échelle du cycle sismique et des aléas à court terme. / In mountainous areas, intermediate to large earthquakes (Mw > 6) systematically trigger a large number of landslides supplying the fluvial network with massive volumes of sediment. The progressive evacuation of the sediment out of the epicentral area alters river dynamics and may cause hydro-sedimentary hazards in alluvial plains (river avulsion, inundations, bank erosion, ...). The quantification of sediment transfers is critical to better understand landscape evolution on short timescales (i.e. hours to centuries) and improve hazard management in deposition areas. However, the factors controlling the coarse sediment transfers are still poorly known due to a lack of field measurements and adequate numerical models. The aim of this work is thus to study, via numerical modeling, the parameters influencing landslides evacuation, the transport capacity variations at the gorge/alluvial plain transition and the short-term dynamics and hazards of alluvial fans. This work is set up in the context of the West Coast of New Zealand (NZ) which presents a 50% probability to experience a magnitude 8 earthquake in the next 50 years. This problematic has been addressed analytically and via a numerical approach. Using the analytical approach, we demonstrate that the conservation of long-term transport capacity at the bedrock gorge and alluvial plain transition usually implies the channel narrowing in the alluvial part that is generally realized by a transition to a braided system. We identify discharge variability as the dominant factor of alluvial river long term transport capacity compared to riparian vegetation. To explore the role of channel self-organization on coarse sediment transport, we use Eros, a 2D morphodynamic model able to simulate landscape evolution improved by a new 2D hydrodynamic model. Combined with a sediment transport/deposition model and lateral fluxes modeling (bank erosion and transverse deposition), Eros allows for the emergence of diverse alluvial river regimes and geometries (e.g. straight/sinuous and braided channels) as a function of the external forcing experienced by the river (water and sediment fluxes). The application of Eros on natural cases has required the validation and calibration of its principal parameters using analytical solutions and the morphodynamic reproduction of natural systems such as the evolution of the Poerua river in New Zealand following the Mount Adams landslide. In the downstream part of the catchment, the ensemble numerical simulations demonstrate Eros abilities to 1) efficiently predict the morphodynamic evolution of alluvial fans submitted to different scenarios of large sediment supplies and 2) generate probabilistic risk maps. In the upstream part, the results highlight the dominant role of dynamic river narrowing reducing export times of landslide-derived sediments. We define a new law characterizing export times as a function of landslide volume and pre-landslide transport capacity that predicts mean residence times for a M8 earthquake in a mountain range of 5-30 yr, much lower than previous estimations of ~ 100 yr. The numerical approach developed in this work suggests that the study of mountain ranges response to severe landslide disruption can only be addressed with a 2D model able to account for the non-linearities between river flow, channel geometry and sediment transport. The results allow for a better characterization of landscape dynamics at the scale of a seismic cycle and hydro-sedimentary hazards in the short term.

Dans cette thèse, nous avons développé un code de simulation numérique directe pour l’étude des écoulements particulaires. Le schéma numérique est basé sur une technique de domaines fictifs. Le code est validé sur de nombreux cas test puis nous l’avons utilisé pour étudier la sédimentation de particules bidimensionnelles en milieu confiné. Trois cas ont été analysés : sédimentation d’une particule unique, d’un doublet de particules et d’un grand nombre de particules. Dans le premier cas nous retrouvons le phénomène de survitesse qui apparaît pour une particule excentrée à bas nombre de Reynolds. Nous montrons que cette survitesse est très sensible à l’inertie du fluide : elle diminue lorsqu’on augmente le nombre de Reynolds. Cet effet est retardé par le confinement. Dans le cas d’un doublet de particules, nous retrouvons les comportements complexes observés dans la littérature (hystérésis, cascade sous-harmonique et chaos). Nous montrons qu’une nouvelle série de bifurcations et un nouvel attracteur apparaissent pour des particules plus pesantes. Il s’agit là d’une transition vers le chaos par la voie de la quasi-périodicité. Nous donnons le diagramme de bifurcation étendu. La nouvelle branche correspond à une structure horizontale qui conduit à une sédimentation lente. Dans le cas d’un grand nombre de particules, nous montrons que la vitesse de chute de l’interface fluide-particules suit une loi de type Richardson-Zaki, mais avec un exposant d’environ 4. Comme pour des sphères, la valeur de cet exposant dépend du confinement. Enfin, nous observons un phénomène de blocage, inattendu pour des particules non-cohésives, dû au caractère bidimensionnel de la suspension / In the present thesis, a fully-resolved numerical code has been developed for the analysis of particle-laden flows. A fictitious domain method is used. First, this numerical tool has been validated by using classical benchmarks. It has then been used to simulate the complex sedimentation of particles in three generic two-dimensional configurations: a single particle, a particle pair and a large number of particles in a confined domain. In the first case, the peak-velocity of an off-centred inclusion is recovered at low-Reynolds number. It is shown that this peak-velocity is very sensitive to fluid inertia: the peak-velocity decreases when the Reynolds number increases. This effect is delayed by the confinement. The very complex dynamics of a pair of particles sedimenting in a confined domain, observed in the litterature, is recovered (hysteresis, period-doubling cascade and chaos). It is shown that a new series of bifurcations, leading to a new attractor, emerges when the non-dimensional particle weight is increased. This new transition corresponds to a quasi-periodic route. The extended bifurcation diagram is given. The new branch discovered in this work corresponds to a nearly horizontal particle doublet, with a slow settling velocity. In the case of the settling of large number of particles, a RZ-like law is recovered for the sedimentation velocity of the fluid-particle interface. The exponent is close to 4, in contrast with the case of spheres. Finally, the sedimentation velocity at the end of the settling process is observed to be significantly reduced, like for cohesive sediments. This unexpected behaviour is related to the two-dimensionality of the suspension

L’essai de chargement d’une pointe pénétrométrique (Cone Loading Test, essai CLT) est un nouvel essai de reconnaissance des sols in situ, qui constitue une amélioration majeure de l’essai de pénétration statique avec une pointe piézocône (CPTu). L’essai de chargement de pointe consiste à interrompre la pénétration classique (EN ISO 22476-1) à une cote souhaitée et à réaliser un chargement par paliers successifs de la pointe jusqu’à la rupture du sol.La courbe de chargement, reliant la pression appliquée sur la pointe au tassement de celle-ci,est riche en renseignements sur la déformabilité des sols. L’essai permet donc une caractérisation améliorée des sols en fournissant des paramètres de déformabilité aussi bien que les paramètres de résistance obtenus lors d’un essai de pénétration statique classique.La validation de la méthode d’essai et de son protocole expérimental, a été effectuée selon trois voies complémentaires : expérimentale, numérique et physique. Au niveau expérimental, plusieurs campagnes d’essais ont été réalisées en choisissant des sites intéressants pour le projet et contenants une importante base de données (essais in situ,au laboratoire, essais de pieux, essais sismiques…) comme le site des argiles des Flandres de Merville, un site sableux à Utrecht aux Pays-Bas, et un site sableux à Limelette en Belgique.Les résultats des différentes campagnes ont montré qu’il est possible d’avoir des courbes de chargement exploitables pour le calcul d’un module de déformation, utilisable et comparable en tout point aux modules obtenus par d’autres types d’essais. L’essai est adapté à un panel de sol très varié. Il est plus représentatif de l’état initial dans le sol que d’autres types d’essais.Par ailleurs les conditions aux limites sont bien maîtrisées.Au niveau numérique, une large étude paramétrique a été menée avec le logiciel Plaxis, pour tester l’influence de la géométrie de la pointe, du type de chargement, du modèle de comportement, des paramètres du sol, ainsi que des conditions initiales et au limite du problème. Des essais CLT ont été également réalisés sur des modèles réduits en centrifugeuse, pour tester l’influence de quelques paramètres comme la vitesse de chargement, la géométrie de l’embout de la pointe, la densité du massif ainsi que le niveau de g. Ces essais ont été associés à des essais de chargement de pieu instrumenté et des essais de fondations superficielles et profondes afin de pouvoir relier les paramètres mécaniques de l’essai CLT au comportement des ouvrages. En considérant que la pointe du pénétromètre est un modèle réduit de pieu, une retombée directe de l’essai CLT est sa capacité d’être un outil de dimensionnement de fondations. A cet effet, une méthode directe utilisant la résistance de pointe et le frottement latéral limite de l’essai CLT a été proposée pour calculer la capacité portante et prédire le tassement d’un pieu.Cette méthode consiste en une nouvelle approche transformant les courbes de chargement et celles de mobilisation de frottement d’un essai CLT point par point en courbe charge-déplacement d’un pieu (courbes t-z). / The Cone Loading Test (CLT) is a new in situ test, which constitutes a major improvement to the piezocone penetration test (CPTu). The cone loading test consists in stopping the penetration (EN ISO 22476-1) at a desired depth, and carrying out a loading of the cone by successive load steps until the ground failure.The obtained loading curve, which relates the pressure applied on the cone in each step, to the cone settlement, is rich in information regarding soil deformability. Therefore, the test allows improved soil characterization by providing deformability parameters as well as the strength parameters obtained during a CPT test.The validation of the cone loading test method was conducted by three complementary approaches: experimental, numerical and physical.Several test campaigns were conducted on different sites such as the Merville site (Flanders clay), and two sandy sites in Utrecht (The Netherlands), and Limelette (Belgium). The results of these campaigns have shown that loading curves can be obtained for a modulus calculation, which is comparable to the other investigation tests moduli. The test is suitable for varied soil types. It is more representative of the initial soil state than other test types. Furthermore the boundary conditions are well controlled.In the numerical approach performed with Plaxis finite element modelling software, an important parametric study was done, in order to test the influence of cone geometry, loading type, behaviour model, soil parameters, initial conditions and boundary problem. CLT tests were also performed on reduced scale models in a geotechnical centrifuge. The objective was to test the influence of some parameters such as the loading rate, the cone geometry, the soil density and the level of g. These tests were associated with instrumented pile loading tests as well as shallow and deep foundation tests in order to link the mechanical parameters of the CLT test to the structures’ behaviour. By considering that the cone penetrometer is a reduced pile model, a very practical and interesting outcome is the potential of the cone loading test to be a foundations dimensioning tool. For this purpose, a direct method using the cone resistance and limit side friction of the CLT was proposed to calculate the bearing capacity, and predict the pile settlement. Thismethod is a new approach transforming the loading curves and those of friction mobilization of a CLT, point by point to a load-settlement curve of a pile (t-z curves).

La lombalgie est un problème de santé commun qui touche une grande partie de la population des pays industrialisés. Au cours des années, la modélisation numérique a été largement étudiée pour étudier la biomécanique du rachis lombaire pour aider fortement les cliniciens dans le diagnostic et les traitements de cette pathologie. Ce travail présente une méthodologie pour la modélisation éléments finis spécifique au patient prenant en compte à la fois la géométrie individualisée et les propriétés des matériaux des structures biologiques. Dans cette étude, le maillage est piloté par des connaissances des matériaux personnalisées qui sont extraites de l'imagerie médicale avancée. En outre, un logiciel convivial comprenant du traitement d'images, des maillages « material-driven » et de l'affectation des propriétés des matériaux, nommé C3M pour le «Computed Material-driven Mesh Model», a été développé pour générer efficacement des modèles FE spécifiques aux sujets à partir d'images médicales. Ce procédé est appliqué pour générer un modèle FE spécifique au patient du rachis lombaire à partir d'images issues par Résonance Magnétique (IRM) ou par tomodensitométrie 3D (CT). Cette approche ouvre une nouvelle perspective pour améliorer le processus de maillage à l'aide de connaissances du matériel dérivées d'images médicales. Le modèle proposé permet un assemblage précis et simple de vertèbres et des disques intervertébraux en tenant en compte à la fois la géométrie et les propriétés mécaniques des matériaux reflétant la spécificité du patient. / Low back pain is a common health problem which impacts a large part of the population in industrialized countries. Over the years, numerical modeling has been widely studied to investigate the biomechanics of lumbar spine for strongly assisting clinicians in diagnosis and treatments of this spinal pathology. In recent years, there has been a growing interest in researching and developing patient specific computer modeling which has proven its ability to provide great promises for developing realistic model of individual subject. However, still the specificity of these models is not fully described or is often limited to patient geometry. In fact, few models consider appropriate material properties derived from tissue characterization obtained from medical images. Furthermore, patient specific models can be obtained with geometry and mechanical properties derived from CT, but few from MRI which is well-suited for examining soft tissues. Therefore, development of the high-fidelity, patient-specific finite element model of the lumbar spine still presents the challenge. In this context of patient-specific finite element modeling, mesh generation is a crucial issue which requires an accurate representation of the geometry with well-shaped and sized elements and a relevant distribution of materials. This work presents a methodology for patient-specific finite element modeling which takes both individualized geometry and material properties of biological structures into consideration. In this study, the mesh is driven by personalized material knowledge which is extracted from advanced medical imaging. Additionally, a user-friendly program including image processing, material-driven meshing and material properties assignment, named C3M for “Computed Material-driven Mesh Model”, has been developed to generate efficiently subject-specific FE models derived from medical images. This process is applied to generate a patient specific FE model of lumbar spine based on both MRI and CT images. This approach opens a new direction to improve the meshing process using material knowledge derived from medical images. The proposed model allows an accurate and straightforward assembly of vertebrae and IVDs considering both geometry and material properties reflecting patient-specificity.

Les roches mères marines présentent des hétérogénéités spatiales et temporelles de répartition et de qualité. Leur dépôt et leurs variations sont des phénomènes complexes résultant de l’interaction de plusieurs processus. Ces derniers ont fait l’objet de nombreuses études, mais le débat sur leurs impacts relatifs reste vif. L’évolution des outils de modélisation numérique permet désormais une approche quantitative et ouvre la voie à l’étude des couplages entre ces processus. La bonne connaissance géologique acquise sur les bassins sédimentaires du Jurassique inférieur d’Europe et la présence de plusieurs niveaux de roche mère en font un cas idéal pour caractériser les processus gouvernant la distribution de la matière organique (MO). Cette thèse présente l’étude et la modélisation numérique de ces bassins qui ont permis de déterminer l’influence relative des facteurs de contrôle de la distribution de la MO à différentes échelles. Ces travaux apportent de nouveaux éléments au débat portant sur le rôle relatif de ces processus. L’impact primordial de la morphologie des bassins mis en avant va à l’encontre de la littérature dominante dans laquelle la production et la conservation de la MO occultent les autres facteurs. Ces deux processus jouent à l’évidence un rôle important, mais les modalités de leur expression sont entièrement dépendantes de la morphologie des bassins. L’ensemble de ces travaux met en avant la nécessité d’élargir le débat pour une meilleure compréhension de la distribution globale des roches mères, en testant la même approche modélisatrice sur d’autres intervalles riches en MO, dans d’autres contextes paléogéographiques et pour d’autres types de kérogène. / Marine source-rocks have heterogeneities both in their distribution and quality over time and space. The deposition of these organic-rich sediments and their variations are complex phenomena resulting from the convergence of several processes which were the subject of many studies. However, the debate on their relative roles and impacts remains strong. The evolution of numerical modelling tools now allows a quantitative approach and new studies about the interaction between these processes. Because of their general context and the presence of several source-rocks, the Lower Jurassic sedimentary basins of Europe are an ideal case to characterize the processes governing the distribution of organic matter (OM). This thesis present the study and the numerical modelling of these basins which allowed to determine the relative influence of the control factors of the OM distribution at various scales. These works bring new elements into the debate about the relative role of these processes. The primary impact of the basin morphology highlighted by these works goes against the dominant literature in which the production and preservation of OM conceal the other factors. Both of these processes obviously play an important role in the distribution of organic-rich layers, but their setting are entirely dependent on the basin morphology. All this work highlights the need to widen the debate for a better understanding of the source rock global distribution, by using the same modelling approach with others organic-rich intervals, others palaeogeographic contexts and for others kind of kerogens.

Les écoulements (ou coulées) pyroclastiques (PFs) sont des mélanges concentrés de gaz et de particules à haute température qui représentent l’aléa volcanique le plus meurtrier qui soit. La protection des populations nécessite la mise au point de cartes des menaces précises, qui requièrent une connaissance fine de ces phénomènes. Cependant, les causes et les conséquences de l’érosion/incorporation associée aux PFs au cours de leur mise en place restent encore largement méconnues. Cette thèse se propose de caractériser la capacité érosive des PFs, de définir des mécanismes d’érosion, et de quantifier leurs impacts sur les budgets éruptifs et sur l’aléa associé. Pour cela, cette étude se concentre sur les PFs de volumes modestes mis en place pendant l’éruption d’août 2006 du volcan Tungurahua (Equateur) et adopte une démarche double, basée sur des investigations sédimentologiques et texturales des dépôts, couplées à la modélisation numérique. Une méthode originale, basée sur l’analyse d’images haute résolution corrigées par stéréologie, sur des études texturales détaillées des dépôts, et sur des bilans massiques de matière, permet de déterminer la granulométrie, la composition lithologique et la morphologie des produits sur l’ensemble de leur gamme de taille. Le calcul des bilans de matière montre que près de 50 wt. % des dépôts de PFs sont composés de matériaux non-juvéniles incorporés lors de la mise en place. Ces derniers proviennent principalement de la partie supérieure du volcan. La pente est ainsi le paramètre contrôlant au premier ordre l’intensité de l’érosion. Les budgets éruptifs complets indiquent un VEI de 3 (0,09 km 3 ) pour l’éruption, et soulignent l’importance de considérer séparément les matériaux juvéniles et non-juvéniles pour estimer la taille d’une éruption. L’étude détaillée des constituants met en évidence une ségrégation dynamique des clastes par densité au cours du transport, avec un taux de sédimentation de ≈10 cm.s -1 . Les données lithologiques, granulométriques et morphologiques démontrent la présence de phénomènes de fragmentation-abrasion des clastes pendant leur transport. Les clastes massifs (ex : laves anciennes) sont le principal agent de fragmentation des clastes scoriacés (ex : bombes). Des populations granulométriques fines, capables d’être transférées depuis l’écoulement dense principal vers les déferlantes et/ou le panache co-pyroclastique sont produites pendant toute la durée de la mise en place. Les modèles numériques basés sur une nouvelle loi d’érosion développée ici (et intégrée au code VolcFlow), démontrent la capacité de la rhéologie plastique à reproduire des PFs érosifs. L’érosion est associée à des variations dynamiques du rapport des contraintes normales/cisaillantes pendant la mise en place des écoulements, provoquées par des fluctuations d’épaisseur lors de phases de décélération. Le front fin des PFs, fortement frictionnel et érosif, est poussé par une tête et un corps plus épais, tous deux non érosifs. L’incorporation s’accompagne d’une augmentation de distance de parcours de l’ordre de 10-30% en fonction du taux d’incorporation, qui dépend de la quantité de matière affouillable disponible sur le volcan avant l’éruption. Ces résultats montrent que l’érosion peut avoir un rôle majeur sur les zones impactées par les PFs, et soulignent l’importance de prendre en compte cette capacité lors de la définition de l’aléa, ainsi que pour les études futures. / Pyroclastic flows (PFs) are hot mixtures of gas and particles that represent the most deadly volcanic hazard. To protect the populations, it is necessary to work on precise risk maps, which require having a deep knowledge of these phenomena. However, the causes and consequences of erosion and incorporation of non-juvenile material during PFs emplacement remain poorly known. This thesis aims at characterizing the erosive capacity of pyroclastic flows, defining erosion mechanisms and quantifying their impact on eruptive budgets and associated hazards. Here, we focus on small-volume PFs and use an approach based on field and textural investigations coupled with numerical modeling of PFs emplacement. The August 2006 PF-forming eruption of Tungurahua volcano (Ecuador) is used as a case-study for this work.An original method, based on high-resolution, stereologically-corrected image analyses, detailed textural analyses of PFs deposits and mass budget, enables determining the grain size distribution and the componentry of PFs products along their entire clast size range. Volume calculation and mass budgets show that about 50 wt. % of the whole deposit consists of non-juvenile materials incorporated during PFs emplacement, and mostly coming from the upper part of the volcano. The slope is a prevailing parameter that controls PFs erosive power. Eruptive budgets support a VEI 3 event (0.09 km 3 ) for the 2006 eruption of Tungurahua and highlight the importance of separating juvenile from non-juvenile material. Detailed analyses of deposits’ componentry suggest a strong dynamic density-driven segregation of the clasts during PFs emplacement, associated with sedimentation rates of ≈10 cm.s -1 . Lateral variations of lithological, grain size, and morphological data demonstrate the occurrence of componentry-driven clast fragmentation and abrasion processes. Massive components (e.g. old lavas) are the main grinding agents of scoriaceous components (e.g. bombs). During emplacement, these processes continuously create fine grained populations, which are transferred from the main dense flow to pyroclastic surge or Co-PF cloud. Numerical models of erosive PFs based on a new erosion law integrated into VolcFlow code show the ability of plastic rheology to reproduce natural erosion patterns of PFs. The erosion is produced by dynamic variations of normal stress / shear stress ratio during emplacement, due to thickness unsteadiness during flow deceleration. The thin, highly frictional and erosive front of PFs pulses is pushed by the thicker and non-erosive head and flow body. Incorporation implies longer PFs runouts of about 10-30%, depending on the amount of incorporated material, which is related to the quantity of erodible material available on the volcano’s flanks before the eruption. These results show that erosion has a significant role on PFs runouts, and thus in hazard assessment, which should be closely taken into account in future works.

Les écrans de filets pare-blocs sont des structures complexes hétérogènes formés d'un filet métallique maintenu par des câbles, des poteaux et des haubans munis de dissipateurs d'énergie. Le filet intercepte la trajectoire du bloc rocheux et résiste à sa perforation en dissipant l'énergie cinétique de l'impact dans les différents éléments de la structure. Le problème de modélisation posé par ces structures met en jeu de nombreuses non-linéarités tant matérielles que géométriques : l'impact dynamique rapide, les grandes déformations du filet et des câbles, les glissements et les frottements (dans le filet, du filet sur les câbles ou des câbles sur les supports), la plastification du filet ou des éléments dissipateurs, ainsi qu'un très grand nombre de paramètres géométriques ou technologiques (type de filet, type de dissipateur, type d'architecture de kit).Les travaux de doctorat présentés ici proposent deux nouvelles approches pour la modélisation numérique de deux principaux éléments du comportement des écrans de filets pare-blocs : les propriétés élastiques intrinsèques des filets et l'effet rideau, c'est-à-dire le glissement du filet sur les câbles de rives. Sur le premier point, il est à noter que les recherches qui ont été consacrées jusqu'à présent à l'étude du filet se concentrent pour l'essentiel sur des typologies particulières. Dans ce travail, les propriétés intrinsèques des différentes technologies de filets sont déterminées à l'aide de la méthode d'homogénéisation des milieux périodiques discrets dans laquelle chaque filet est remplacé par une membrane homogène. Une comparaison des comportements non-linéaires des principales technologies de filets est effectuée et met en évidence des différences remarquables dans la distribution des efforts aux bords de chaque filet et les caractéristiques des déformations. Concernant le deuxième point, plusieurs études ont montré l'importance de la modélisation des câbles glissants pour reproduire le comportement réel de la structure. Dans la deuxième partie de la thèse, l'effet rideau est modélisé. Un modèle analytique de câble glissant à « n » nœuds est développé. Ensuite, ce modèle est implémenté dans un algorithme numérique mettant en œuvre une utilisation avancée du logiciel de calcul par éléments finis code-aster en statique et en dynamique. Cet algorithme est validé par des calculs analytiques et les limites de la méthode utilisée sont exposées. Enfin, des tests numériques sont conduits sur des modèles de filets en tenant compte de l'effet rideau pour évaluer l'influence du modèle développé sur les résultats. Des remarques, observations et conseils sont déduits afin d'aboutir à un outil numérique d'aide à la conception des écrans de filets pare-blocs / Soft rockfall barriers are complex structures that generally consist of a metallic net supported by steel posts and cables with brake elements. Several experimental and numerical studies have been carried out to evaluate their behaviour and a technical agreement in EU was recently established to certify these barriers based on experimental tests. Actually, manufacturers develop rockfall kits with their own technical specificities. The objective of the present work is to determine the intrinsic properties of most common nets technologies and to investigate their influence on the overall mechanical behaviour of the structure. To this end, a comprehensive comparison between the local behaviours of the different nets is first presented using equivalent homogeneous membranes. Results derived for square nets under static concentrated loading illustrate the influence of the manufacturing technology on the deflection and stresses distribution. Then, a numerical and analytical model for the so-called “curtain effect” is developed and validated. It is focused on the capacity of the proposed methodology to study and evaluate the response of the whole barrier