Icing has since long been identified as a serious issue in the aeronautical world. Ice build up, due to the presence of supercooled water droplets in clouds, leads to degradation of aerodynamic and/or air intake performances, among other undesirable consequences. Hence aircraft manufacturers must comply with certifications and regulations regarding flight safety in icing conditions. In order to do so, ice protection systems are used. Due to the multi-physical context within which these systems operate, numerical simulation can be a valuable asset. The present work deals with the numerical modelling of electro-thermal ice protection systems. It is built around the development of three modules. Two of them are dedicated to modelling heat transfer in the system and in the ice block. The other one models the mechanical behaviour of ice and fracture. Hence, the mechanical properties of atmospheric ice are reviewed in order to identify some mechanical parameters relevant to the fracture model. The fracture mechanics numerical method is used to investigate possible ice shedding mechanisms, that is to say the mechanisms leading to the detachement of ice, which are not yet well understood. The final goal of this work is to propose a completely coupled 2nd generation simulation methodology for electro-thermal ice protection systems. Hence the feasibility of a coupled thermal computation with ice shedding prediction based on the developed modules is shown. / Le givrage a depuis longtemps été identifié comme une problématique sérieuse dans le monde aéronautique.L’accrétion de givre, due à la présence de gouttelettes d’eau surfondue dans les nuages, dégrade les performances aérodynamiques et le rendement des entrées d’air parmi d’autres conséquences néfastes. Ainsi, les avionneurs sont sujets à des règles de certifications concernant la capacité à voler en conditions givrantes. Pour se faire, des systèmes de protection contre le givre sont utilisés. En raison de la complexité des phénomènes physiques mis en jeux, la simulation numérique constitue un atout lors de la phase de conception. Ce travail de thèse porte sur la modélisation et la simulation numérique des systèmes électrothermiques de protection contre le givre. Il s’articule autour de trois approches de modélisation, qui ont donné lieu au développement de trois modules. Deux d’entre eux sont dédiés à la simulation du transfert de chaleur dans le système et dans la glace (changement de phase). Le troisième est lié à la modélisation du comportement mécanique du givre atmosphérique avec fissuration. Ainsi, les propriétés mécaniques du givre atmosphérique sont revues de façon à pouvoir identifier les paramètres intervenant dans le modèle de fissuration. Ce modèle est ensuite utilisé pour étudier les mécanismes possibles de détachement du givre, qui ne sont à l’heure actuelle pas encore bien compris. Le but final de ce travail est de proposer une méthodologie de simulation couplée pour les systèmes électrothermiques de protection contre le givre. Ainsi, la faisabilité d’un calcul couplé thermique-fissuration avec prédiction de détachement de givre est présentée.

Les matériaux composites à matrice thermoplastique occupent de plus en plus un large domaine d'application grâce à leur aptitude à être recyclés et à être assemblés par fusion du polymère, encore appelée soudage. Parmi ces modes d'assemblage, le soudage laser propose de meilleures alternatives. Car, outre le fait qu'elle assure une meilleure tenue mécanique et un meilleur aspect esthétique, cette technique d'assemblage ne crée pas d'endommagement au sein du composite, à l'instar de certaines méthodes comme le rivetage, le vissage ou le boulonnage.L'objectif de ce travail est de proposer un modèle de rupture probabiliste de l'assemblage par faisceau laser d'un composite thermoplastique à fibres continues.Une description fine du matériau est d'abord effectuée par une approche multi-échelles dont le but était de pouvoir prédire le comportement macroscopique du composite de base connaissant les fluctuations locales de sa microstructure.La caractérisation mécanique de l'assemblage est ensuite effectuée par des essais multiaxiaux au moyen d'un dispositif spécifiques (Arcan-Mines) qui prend en compte l'état de confinement du joint soudé. Ce qui a permis de proposer un modèle de comportement élasto-plastique basé sur le critère de Drucker-Prager généralisé.Des tests par émission acoustique ont permis de faire l'hypothèse de l'existence d'un maillon faible au sein du joint soudé. La rupture est alors évaluée par le modèle statistique de Weibull. Un critère de rupture probabiliste basé sur le premier et le second invariant du tenseur des contraintes est finalement proposé. / Thermoplastic composite materials are more and more used in many fields of application as a result of their recyclability and their joining capabilities by polymer fusion, witch is called welding. Among these assembly types, the laser welding offers better alternatives. Because, beyond the high level mechanical strength and the good aesthetic appearance it provides, this assembly technique will not create damage within the composite material, like certain methods such riveting, drilling or bolting.The purpose of this study is to propose a probabilistic failure model of laser beam assembly of a continuous fibres thermoplastic composite.A detailed description of the material is first performed by a multi-scale approach, which was aiming to predict the macroscopic behaviour of the based composite knowing the local fluctuations of its microstructure.The mechanical characterisation of the assembly is then conducted through multi-axial tests using a special device (Arcan-Mines) which takes into account the confinement of the laser weld seam. This enables proposing a generalized Drucker-Prager élasto-plastic model.Acoustic emission tests allowed making the assumption of weak link model within the weld seam. The failure is then evaluated through the Weibull statistical model.Probabilistic failure criterion based on the first and the second invariants of stress tensor is finally proposed

Le biofilm épilithique (anciennement périphyton), agrégat phototrophe d’organismes se développant sur le fond des cours d’eau, joue un rôle essentiel dans le fonctionnement des hydroécosystèmes fluviaux comme la Garonne. Pour améliorer la modélisation à l’échelle du tronçon de rivière de ces systèmes, il est nécessaire de prendre en compte les caractéristiques locales de l’écoulement notamment pour la prédiction de l’évolution de la biomasse. Les méthodes expérimentales actuelles ne permettent pas d’accéder aux grandeurs hydrodynamiques locales proches du fond rugueux, dans la zone dite de ’canopée’. Le travail présenté ici vise donc à compléter ces résultats par des simulations numériques directes, avec une méthode de frontières immergées, d’écoulements turbulents de couche limite hydrauliquement rugueuse formée d’hémisphères. L’objectif est double : il s’agit d’une part de mettre en relation les motifs de colonisation et la croissance du biofilm observés expérimentalement aux caractéristiques locales de l’écoulement, et d’autre part, de quantifier les flux d’espèces chimiques entre la canopée et la pleine eau et ce, en fonction du type d’arrangement des obstacles formant le fond, du confinement et du nombre de Reynolds rugueux. Après avoir validé la méthode numérique sur des cas proches de ceux rencontrés dans les expériences, et vérifié que les grandeurs hydrodynamiques moyennes et turbulentes dans la pleine eau sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, plusieurs campagnes de simulations ont été réalisées pour deux types d’arrangements du fond (aligné et décalé), plusieurs confinements et une gamme de nombre de Reynolds rugueux représentatifs des écoulements en rivière. Ce travail a pu mettre en évidence que le biofilm colonise préférentiellement les zones de faible cisaillement local et un critère de colonisation a été déterminé. Des simulations avec transfert d’espèce chimique ont été réalisées pour différentes valeurs du nombre de Schmidt et ont permis de quantifier les flux d’échange en fonction de ce paramètre. / The epilithic biofilm, aggregate set of phototrophic organisms growing on the bed of rivers, plays an essential role in the functioning of hydro-ecosystems such as the Garonne river. To improve the modeling of these systems it is necessary to take into account the local conditions in the region close to the rough bottom, named ’canopy’. Direct numerical simulations with a immersed boundary method are used to simulate turbulent boundary layer flows with a rough wall composed of hemipheres. The aim of these simulations is twofold : (1) investigate the influence of local flow conditions on the biofilm colonization and growth processes and (2) quantify the transfers of chemical species between the canopy region and the main water column, for various hemispheres arrangement, confinement and turbulent Reynolds number encountered in natural rivers. This work allowed to show that biofilm colonization first occurs in low-to-moderate local shear stress at the hemisphere surface. Simulations with the transport of a passive scalar were performed for various Schmidt number, and gave an estimation of the mass fluxes as a function of this parameter.

En tribologie, la modélisation numérique est aujourd'hui un outil indispensable pour étudier un contact afin de pallier les limites expérimentales. Pour comprendre de mieux en mieux les phénomènes mis en jeu, les modèles ne se situent plus à une seule échelle, mais en font intervenir plusieurs, rendant plus que jamais le concept de triplet tribologique incontournable. Travaillant avec cette philosophie et en se basant sur l'approche Non Smooth Contact Dynamics, dont nous rappelons les grandes lignes, nous proposons de franchir deux cas: proposer des modèles offrant des résultats quantitatifs et mettre en place les premières pièces d'une homogénéisation au niveau du contact (VER). Dans le premier cas, l'étude du couplage éléments finis/éléments discrets au sein d'une même simulation a pour but de proposer des modèles plus "réalistes". Même si l’interface utilisée est déjà présente au coeur du contact et ne va pas évoluer, elle permet de mettre en évidence l’utilisation d’outil de mesure permettant de lier le mouvement des particules aux instabilités dynamiques et permet d’avoir des résultats qualitatifs mais aussi quantitatifs puisque la comparaison avec les taux de contraintes expérimentaux sont en très bonne adéquation. Dans le second cas, le VER sous sollicitations tribologiques est étudié afin d'étendre les techniques d'homogénéisation aux problèmes de contact afin de s'affranchir de la description des interfaces aux grandes échelles en trouvant un moyen d'homogénéiser le comportement hétérogène de l'interface et de le faire dialoguer avec le comportement continu des corps en contact en faisant remonter, dans un sens, des grandeurs moyennées à l'échelle microscopique à l'échelle macroscopique des premiers corps et dans l'autre sens, se servir des données locales à l'échelle macroscopique comme conditions limites à l'échelle microscopique. / In tribology, the numerical modeling has become an indispensable tool for studying a contact to overcome the experimental limitations. To have a better understanding of the phenomena involved, the models are no longer located at a single scale, but involve several ones, more than ever, making the concept of tribological triplet as a unavoidable concept. Working with this philosophy and approach based on the Non Smooth Contact Dynamics framework, which we remind some outlines, we propose to cross two steps~: model that can offer quantitative results and that implement the first ingredient to perform a homogenization at a contact level. In the first case, the study of coupling finite elements/discrete elements within the same simulation aims to propose models that are more "realistic". Even if the interface is already present in the contact and not going to evolves, it can highlight the use of measurement tool of spot particles via dynamic instabilities and allows to have not only qualitative results but also quantitative ones since the comparison with the experimental strain rates are in very good agreement. In the second case, the study of VER in tribological charges is performed to extend the homogenization techniques to contact problems in order to overcome the interface description on large scales by finding a way to homogenize the heterogeneous behavior of the interface and make a dialogue with the continue behavior of bodies in contact by send up, in a sense, average values of the microscopic scale to the macroscopic scale and in the other sense, use local data of the macroscopic scale as boundary conditions at the microscopic scale.

Les aubes de turboréacteurs sont aujourd’hui sujets à de nouvelles technologiques novatrices : les matériaux composites tissées 3D. Ces modifications matériaux permettent des réductions de masse significatives, et conduisent à des performances énergétiques et environnementales accrues. Ces structures tissées possèdent généralement des architectures complexes et requièrent une bonne caractérisation mécanique. Des outils de modélisation textile et d’homogénéisation ont été développés, la géométrie et les propriétés physiques de l’architecture tissée y sont analysées. Toutefois, il est important de prévoir les endommagements engendrés dans ces matériaux au niveau des zones de contact soumises à du fretting. En effet, les pieds d’aubes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d’endommagements : l’amorçage et propagation de fissures et l’usure des surfaces en contact. Quantifier ces endommagements requiert une analyse fine du contact à partir d’un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Pour mener à bien cet objectif, un code semi-analytique permettant aujourd’hui de traiter des problèmes hétérogènes de contacts élasto-plastiques est développé. La méthode d’inclusion équivalente proposée au sens d’Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour décrire l’effet des hétérogénéités (cavités, inclusions, fibres ou torons). L’un des corps en contact peut contenir de multiples hétérogénéités de formes parallélépipédiques, ellipsoïdales, et ses formes dégénérées (ellipsoïde oblate, ellipsoïde prolate, sphère, cylindre, disque plat,...). Cette méthode est modifiée et améliorée afin de prendre en compte les influences mutuelles entre les inclusions hétérogènes voisines, et la décohésion à l’interface hétérogénéité/matrice. Un premier couplage avec un modèle de contact aube/disque Eléments Finis permet de prendre en compte les effets de structures. Cette méthode est analogue à un zoom structural lorsqu’un maillage fin est nécessaire dans des zones de contact à fort gradient de contraintes soumises à un endommagement de type fretting. Un second couplage avec le logiciel WiseTex permet de décrire la géométrie réelle du tissage du composite, les propriétés matériaux des fibres et de la matrice. Une segmentation fine du modèle permet de discrétiser les mèches en de multiples hétérogénéités ellipsoïdales équivalentes et d’appliquer la méthode d’inclusion équivalente modifiée. A partir de cette mise en donnée d’un matériau composite tissé revêtu, des calculs de contact tridimensionnel multiéchelle en situation de fretting sont réalisés avec succès. / New baseline turbofan engines feature advanced blade technology made of 3D woven composites for a significant reduction in weight and an increase in energy and environmental performance. Woven structures generally have complex architectures wich require high level of mechanical model. Modeling textile and homogenization tools have been developed to provide precisely the geometry and physical properties of the woven architecture. However, it is important to predict the damage mode under contact zone which are subjected to fretting. Indeed, the blade roots of turbofan engines are damaged by fretting phenomenon. Fretting modes generate two kinds of damage : (i) the initiation and propagation cracks, (ii) wear on contact surfaces. Quantify these two kinds of damage requires a detailed contact analysis from a robust and fast contact solver. In order to reach this goal, a semi-analytical solver allows to solve heterogeneous elasto-plastic contact problems. Equivalent inclusion method in the sense of Eshelby allows to describe accurately the effect of inhomogeneities (cavities, inclusions, fibers or strands). Only one of contact bodies contains multiple heterogeneous of cuboïdal and ellipsoidal shapes, and their degenerated forms (oblate spheroid, prolate ellipsoid, sphere, cylinder, flat disk,...). This method is modified and improved in order to take into account the mutual influence between neighboring heterogeneous inclusions and decohesion at the interface heterogeneity/matrix. A first coupling with a finite element model of blade/disk contact allows to take into account the effects of structure. This method is analogous to a structural zoom when structural fine mesh is necessary within areas of high contact stress gradient subjected to fretting. A second coupling with the software WiseTex allows to describe the geometry of the actual weaving of the composite, the material properties of the fibers and the matrix. A fine segmentation of the numerical model allows to discretize reinforcements to multiple equivalent ellipsoidal heterogeneities and to apply the modified equivalent inclusion method. Three-dimensional simulation of frictional contact model are successfully completed from these data of a coating woven composite.

Cette thèse a pour objectif de caractériser les processus dominants dans l'évolution morphologique d'une retenue de forme allongée. Ces retenues sont caractérisées par une dimension longitudinale prédominante par rapport à la dimension transversale. La thèse s'est appuyée sur le cas de la retenue de Génissiat, située au cœur d'une série d'aménagements hydro-électriques sur le Haut-Rhône et soumise à des opérations régulières de chasses hydrauliques. Une analyse hydro-morphologique basée sur l'interprétation des évolutions morphologiques et des conditions d'écoulement a été réalisée. A partir de cette analyse, un découpage de la retenue en tronçons a permis de mettre en évidence la dynamique spatiale des sédiments au sein de la retenue. Une analyse de la dynamique spatio-temporelle du transport des sédiments a permis de quantifier et de caractériser les flux de transportés et leurs incertitudes. La contribution des processus associés au transport des différentes classes granulométriques (sables et sédiments fins) a alors été évaluée. Enfin, deux modèles numériques unidimensionnels ont été développés afin de simuler les processus dominants pour le transport des sédiments fins et des sédiments grossiers. Les résultats de modélisation ont montré la capacité des modèles à reproduire les évolutions morphologiques et les flux transportés, avec des valeurs simulées comprises dans les plages d'incertitude de mesure. La partie amont de la retenue apparait ainsi nettement dominée par le transport de sable alors que la partie aval est dominée par le transport de fines. Finalement, les modèles ont été appliqués pour tester différents protocoles de gestion de la retenue dans le but d'établir des règles d'exploitation permettant de limiter le comblement de la retenue et les impacts environnementaux à l'échelle d'évènements de chasse et sur le long terme / This PhD thesis aimed to characterize the main processes responsible for the morphological evolution of an elongated reservoir, characterized by predominant longitudinal dimensions. It was based on the case study of the Genissiat reservoir, located in a series of hydropower plants on the French Upper Rhone River and regularly subjected to flushing operations. A fluvial geomorphological analysis based on morphological evolutions and hydraulic conditions was performed. A longitudinal delineation of the reservoir allowed to highlight the spatial dynamics of the reservoir. Sediment fluxes in the reservoir and their uncertainties were quantified and qualified and evidenced the contribution of transport processes associated to sand and fine sediments. Two one-dimensional numerical models were developed to simulate the main processes for fine sediment and coarse sediment transport, respectively. Numerical results showed that these models were able to reproduce morphological evolutions and sediment fluxes, with differences between simulated and measured values lower than the measurement uncertainties. It appeared that the upstream part of the reservoir is dominated by sand transport while the downstream part of the reservoir is dominant by silt and clay sediment transport. Finally, the models were used to simulate predictive scenarios and to evaluate the impact of the operating rules on sediment dynamics. Some enhancements to current operating rules were proposed to limit reservoir sedimentation and downstream ecological impacts related to flushing events and long-term management

L’instabilité des cavités souterraines (mines, carrières, tunnels,…) peut induire les mouvements de terrains d’amplitude suffisante pour endommager les bâtiments et les infrastructures en surface. Les méthodes traditionnelles, utilisées dans les pratiques d’ingénieur pour prévoir les déformations dans les structures, sont basées sur les caractéristiques des mouvements de terrain en condition de terrain vierge sans prendre en compte l’effet de la présence des structures en surface. L’objectif de cette thèse est de prédire les déformations des ouvrages en tenant compte de l’influence de l’interaction sol-structure, d’une part ; et d’évaluer la performance d’une solution de protection (tranchée périphérique), d’autre part. Cela a été achevé par la réalisation d’études paramétriques utilisant deux approches complémentaires : une approche expérimentale à l’aide d’un modèle réduit physique 3D sous gravité normale et une modélisation numérique 3D par la méthode des éléments finis. En particulier l’effet d’un certain nombre de paramètres géométriques et mécaniques a pu être investigué dans l’étude de l’interaction sol-structure : la position de la structure par rapport à la cuvette d’affaissement, le poids de la structure et la raideur relative entre le sol et la structure. Concernant l’étude de l’efficacité de tranchées périphériques, l’effet de la position de la structure, de la position de la tranchée vis-à-vis de la structure et de la rigidité de la tranchée a été analysé. Les résultats obtenus ont abouti à une meilleure compréhension du problème d’interaction sol-structure et ont montré l’importance de cet effet qui doit être pris en compte dans l’évaluation de la vulnérabilité du bâti. Le transfert des mouvements du sol à la structure est faible (moins de 2,5%), dans le cas modélisé : structure rigide et interface glissante. Les différents résultats ont permis par ailleurs de mettre en évidence l’efficacité de la tranchée périphérique pour réduire les sollicitations affectant les structures. La tranchée doit être remplie avec un matériau très déformable et surtout placée à une distance de l’ordre d’un mètre de la structure. / The instability of underground cavities due to mining or tunneling activities can induce surface ground movements which damage overlying buildings and infrastructures. The conventional design methods, used in engineering practices to assess the structure’s deformations, are based on greendfield ground movements without taking into account the effect of the surface structure. The objective of this thesis is to predict the building deformations by taking the in-fluence of the soil-structure interaction into consideration, and to evaluate the performance of a mitigation technique (peripheral trench). This has been achieved by performing parametric studies using both the experimental approach by means of a 3D small-scale physical model under earth gravity condition and the 3D finite element numerical modeling. In particular the effect of building position, building weight, and relative stiffness of building and underlying soil has been investigated in the soil-structure interaction study. Concerning the trench effectiveness analysis, the effect of building position, trench position relatively to the building, and the trench stiffness has been investigated. The results of these investigations have led to a better understanding of the soil-structure interaction problem and have pointed out the importance of this effect which should be taken into account for building damage assessment. The transfer of ground movements to the buildings is low (less than 2.5%) for the modeled case: stiff structure and sliding contact. In addition, the results have proved the effectiveness of the peripheral trench to reduce the ground movements affecting the buildings. The trench should be filled with a very deformable material and located at a distance of around one meter from the building.

Dans les années 80, de nouvelles techniques, basées sur la mise en place de système de présoutènements à l’avant du front de taille, se sont développées dans le domaine du creusement de tunnels dans des terrains difficiles. Ce travail de thèse représente une contribution à l’étude des effets de deux types de présoutènements mis en œuvre, le boulonnage au front et la voûte parapluie, sur les déformations du massif et sur la valeur du taux de déconfinement. L’objectif étant d’améliorer les méthodes de prévision des tassements en surface pour les tunnels réalisés avec des techniques de présoutènements. Pour atteindre ce but, l’étude s’est basée sur deux étapes principales : dans un premier temps, une participation active au suivi régulier des déformations enregistrées sur le chantier du tube sud de Toulon ; dans un deuxième temps, l’élaboration d’analyses en retour à l’aide de modélisations numériques calées sur les observations collectées sur le chantier. Le suivi des déformations du massif et la mise en place de deux sections ins-trumentées ont permis d’acquérir une importante base de données sur laquelle les simulations numériques ont été validées. Les mesures enregistrées in situ ont mis en évidence que le champ de déformation provoqué par le creusement du tunnel est tridimensionnel. L’analyse de l’évolution des mouvements en surface a également conduit à proposer une expression analytique de prévision des tassements de surface, qui a été ensuite utilisée pour le pilotage du creusement du tunnel. Des analyses en retour, basées sur les mesures enregistrées in situ, ont été réalisées avec des simulations numériques bidimensionnelles et tridimensionnelles. L’approche 2D a souligné la forte influence du choix de la valeur du taux de déconfinement sur les résultats numériques. Afin de lever cette incertitude, un modèle 3D a été mis au point et a permis d’étudier l’influence des différents systèmes de (pré)soutènements sur la réaction du massif encaissant. Le boulonnage au front de taille et la distance de retard du contreradier ont montré avoir un rôle prépondérant sur le développement des mouvements dans le massif. Des calculs bidimensionnels ont été effectués en parallèle et les résultats ont été calés sur ceux du calcul 3D afin de trouver le taux de déconfinement correspondant à chaque configuration de (pré)soutènement testée. Les deux approches numériques, 2D et 3D, ont enfin été calées sur une section du tunnel de Toulon et la correspondance très satisfaisante avec les mesures in situ a permis de valider nos simulations. Une réflexion finale sur les résultats obtenus semble montrer que le taux de décon-finement est beaucoup plus influencé par le phasage des travaux et le présoutènement, que par les caractéristiques géomécaniques intrinsèques du massif. / During the 80s, new technologies, based on face reinforcement systems, were developed in the field of tunnels excavation in complex soils. The following thesis is a further contribution to the analysis on the effects of two types of pre-reinforcements, tunnel face bolting and pipe umbrella, in the massif deformations and in the stress release value. The aim being to improve methodologies of surface settlements prevision for tunnels built through pre-reinforcement techniques, this study has been divided into two main steps. At first, deformations monitoring registered on site during the Toulon south tube excavation has been actively followed. Secondly, back analysis based on ob-servations collected on site has been elaborated using numerical modelling. The numerical simulations have been validated thanks to an important database obtained by deformations monitoring and by setting up two instrumental sections. Measures registered on site have shown that the deformation field caused by tunnel excavation is tridimensional. Furthermore, analysis on surface movement evolution has led to an analytical expression for surface settlements predictions, which has been used for tunnelling process adaptation. Afterwards, back analyses based on measures registered on site have been realised using bi-dimensional and tri-dimensional numerical simulations. The 2D approach stressed out the strong impact of the stress release value on numerical results. For this reason, a 3D model has been built and eventually used to study reinforcement systems influence on the ground mass reaction. Tunnel face bolting and tunnel invert position have shown to be of huge importance for the ground movements development. At the same time, bi-dimentional calculations have been made and results have been fitted on 3D calculation ones. This operation has permitted to find the stress release value corresponding to each pre-reinforcement configuration tested before. Finally, both 2D and 3D numerical approaches have been fitted on one area of Toulon tunnel and the satisfactory matching with measures taken on site has validated our simulations. In conclusion, one further analysis on results seems to show that stress release value is much more influenced by workflow steps and pre- reinforcement than by ground geomechanical characteristics.

L’état de contrainte des galeries et tunnels souterrains évolue dans le temps, tout d’abord en raison de l’avancement du front de taille lors de la construction, mais aussi en raison des changements graduels des propriétés du terrain ou des caractéristiques mécaniques des matériaux constitutifs de l’ouvrage (réduction de la cohésion, vieillissement). Ces changements sont causés par des actions combinées comme: les processus d’altération dus aux infiltrations des eaux météoriques et de réseaux concessionnaires, mais aussi par l’apparition des fissures qui induisent par ailleurs des redistributions de contraintes et de déformations, ainsi que par le fluage des matériaux. Dans cette étude, un travail préliminaire, nous permet de quantifier l’état de contrainte initial lors de la construction des ouvrages. Notre approche basée sur la modélisation éléments finis 2D permet de simuler l’état d’équilibre interne des excavations, nos résultats sont en adéquation avec ceux issus des méthodes analytiques de la littérature. Cet état initial est ensuite calibré via une modélisation 3D. Puis, une macro-modélisation à base d’éléments finis nous permet d’envisager différents scénarios de détérioration des soutènements, notamment à l’extrados des galeries de couloirs d’accès et tunnels de ligne de métro Parisien. Un des scénarios étudié prend en considération la réduction de la résistance mécanique du piédroit et de la zone interface entre le sol et la paroi, ainsi que le fluage de l’encaissant et du revêtement. En utilisant une loi qui permet de simuler la perte de cohésion, paramètre qui évolue en fonction de la déformation inélastique et en fonction du temps, le comportement mécanique des zones dégradées est ainsi reproduit par un modèle viscoplastique de type adoucissant ou à écrouissage négatif. Nous mettons bien en exergue les processus de dégradation observés sur ces galeries durant leur exploitation. Les différentes modélisations permettent de mieux évaluer l’état des différents composants de l’ouvrage selon le type de dégradation et selon le temps traduisant ainsi son vieillissement. Elles permettent également de jauger la sensibilité et la pertinence de différents paramètres. In fine, nous évaluons les pathologies de ces structures, ce qui permet de fournir des indicateurs quant à la gestion de ce patrimoine. / The stress state of underground tunnels and galleries evolves over time , firstly because of the advancement of the working face during construction , then due to gradual changes in soil properties and mechanical properties of materials component of the infrastructures (reduction of cohesion, aging). These changes are caused by combined actions such as: weathering processes due to infiltration of meteoric waters and concessionaires networks, but also by the cracks appearance that induce further redistribution of stress and strain, and the creep. A particular attention is paid to the determination of the initial state of stresses applied on the structure right after the construction. In order to approach this initial stress state which corresponds to the construction phase of underground structures, we propose a methodology based on comparing the numerical model with analytical methods taken from literature. Then we compare 2D and 3D numerical models. Thereafter, a macro- modeling based on the finite elements method allows considering different scenarios of the tunnel-linings deterioration, specifically at the extrados of the galleries and Paris metro line tunnels. One of the studied cases takes into account the mechanical strength loss of the abutment and the interface between the ground and the wall area including their creeps. Therefore, Elasto-viscoplastic with strain softening constitutive model is used in this study to reproduce the degraded zone behavior. The numerical models show that we can reproduce the underground structure behavior during degradation and assess the state of different structure components. The approach used here for the Parisian metro tunnels may be used by the other underground structures managers.

L'objectif de ce travail est d'analyser l'influence du renforcement du sol par la method Soil Mixing sur le comportement des fondations superficielles et profondes. Une étude numérique a été effectuée – avec des analyses éléments finis dans ABAQUS - dans le but d'acquérir une compréhension du fonctionnement et une estimation de la performance des fondations améliorées. Pour être en mesure d'utiliser des colonnes SM pour l'amélioration de la fondation, il est nécessaire de bien comprendre leur performance sous charge axiale statique. Par conséquent, une série de simulations reproduisant des essais de chargement d'une seule colonne, et d’un groupe de colonnes ont été réalisées. Les essais à pleine et petite échelle ont été modélisés et leurs résultats comparés avec les observations expérimentales. Un bon accord entre les prédictions numériques et les mesures confirme une bonne calibration des lois constitutives des sols, des colonnes et de l’interface sol/colonne en SM. En outre, cette étude a révélé que la colonne SM agit d'une manière similaire à un pieu en béton, son comportement est régi principalement par l'interface. Ensuite, la modélisation numérique d’une fondation superficielle à petite échelle a été menée. Deux types de renforcement ont été étudiés. Le premier consiste en une seule colonne, située au centre sous la semelle analysée. Le second cas correspond à un groupe de quatre colonnes SM. Deux densités de sol ont été analysés. L'objectif de la modélisation est d'identifier l'efficacité du renforcement en termes de capacité portante de la fondation et de la réduction de son déplacement vertical. Il a été trouvé que la densité du sable a un impact significatif sur le comportement de la semelle. La variation de densité a entraîné une différence significative entre les forces totales portées par les fondations. Mais, il a été constaté que le pourcentage de la force reprise par le sol par rapport à la force total, est indépendant de la densité. L'influence du renforcement obtenu par un groupe de colonnes SM sur une fondation profonde, a été étudiée. La modélisation numérique d'un seul pieu théorique installé dans le sol homogène, a été réalisée. L'objectif de l'étude est de détecter l'impact de divers paramètres, tels que la distance horizontale entre les colonnes de SM, la distance verticale entre les têtes de colonnes et la pointe de pieu, le diamètre et la longueur des éléments SM, sur la capacité portante de la fondation. On a montré que la distance entre les colonnes et leur diamètre ont la plus grande influence sur la force de charge, la longueur de renforcement conduit à une moindre influence. / The aim of this work is to analyse the influence of soil reinforcement executed by the Soil Mixing method on the behaviour of shallow and deep foundations. Numerical investigation has been carried out - with the use of Finite Element (FE) analyses in ABAQUS - in an attempt to identify the mechanisms guiding the performance of supported foundations. To be able to use SM columns as the foundation’s improvement, it is necessary to fully understand their performance under applied static, axial load. Therefore, a set of simulations reproducing loading tests of single and group of columns have been carried out. Full and small scale tests have been modelled and their results compared with experimental observations. Good agreement between numerical predictions and measurements, confirms proper calibration of the chosen constitutive laws of: soils, columns and interactions between them. Moreover, this study has revealed that the SM column acts in a similar way to concrete pile, hence its behaviour is governed mainly by the interface. Afterwards, numerical modelling of small scale shallow foundation has been accomplished. Two kinds of reinforcement have been investigated. The first one consists of a single column situated centrally under the analysed footing. The second kind of improvement involves group of four SM columns. Two densities of soil have been analysed. The goal of the modelling is to identify the efficiency of the reinforcement in terms of: bearing capacity of the foundation and reduction of its vertical displacement. Despite significant difference between total forces borne by the foundation tested on soil with different densities, it has been found that the percentage of the total force that was taken by the soil is density independent. The influence of reinforcement executed by group of SM columns on a deep foundation has been studied. Numerical modelling of a theoretical, single pile, installed in homogeneous soil, has been carried out. The aim of the investigation is to detect the impact of parameters such as: pattern of reinforcing elements, horizontal distance between SM columns, vertical distance between columns’ heads and tip of the pile, diameter and length of SM elements, on the bearing capacity of the foundation. It has been found that the distance between columns and their diameter has the biggest influence on the borne force. However, the length of the reinforcement has shown the least significant influence.