Le dioxyde de soufre (SO2) est un des principaux gaz émis lors des éruptions volcaniques. Au Piton de la Fournaise (La Réunion) environ 230 kT de SO2 ont été libérés pour la seule éruption d'avril 2007. Ces émissions ont provoqué d'importants problèmes sanitaires associés à des dégradations des infrastructures et des écosystèmes. Les mesures de SO2 réalisées par l'ORA ont relevé des concentrations supérieures aux seuils critiques pour la santé mais pas aux périodes où l'éruption était la plus intense. SO2 étude consiste à utiliser le modèle meso-échelle atmosphérique Meso-NH pour simuler le transport de SO2 entre le 2 et le 7 avril, avec une attention portée sur l'influence des flux de chaleur provenant des coulées de lave. Trois domaines sont imbriqués de 2 km à 100m de résolution horizontale. Cette étude de modélisation couple simultanément (i) la dynamique atmosphérique de méso-échelle Meso-NH, (ii) un module de chimie en phase gazeuse et phase aqueuse, et (iii) un modèle de surface simulant une propagation de coulée de lave. Tous les flux (chaleur, vapeur, SO2, CO2 et HCl) sont déclenchés en ligne et sont fonction de la dynamique du front de propagation. Nos simulations reproduisent les observations des concentrations en surface de SO2 pour cette période et diverses analyses de sensibilité montrent que la distribution de soufre a été principalement contrôlée par le flux de chaleur de lave. Les dernières simulations incluent la modélisation du panache de vapeur d'eau lors de l'entrée de la lave en mer. Enfin, deux tests de sensibilités ont été réalisés sur la journée du 5 avril afin d'analyser les interactions dynamiques entre les différentes convections : au cratère et au-dessus de la lave (flux de chaleur sensible) et lors de l'entrée de la lave en mer (flux de chaleur latente). / Sulphur dioxide (SO2) is one of the main gases emitted during volcanic eruptions. The Reunion Island experienced its biggest eruption of Piton de la Fournaise Volcano during April 2007 and this event degassed more than 230 kt of SO2. Theses emissions led to important health issues, accompanied by environmental and infrastructure degradations. SO2 measurements made by the ORA noted higher concentrations than the critical threshold for health but not to periods when the eruption was the most intense. Our study is to use the atmospheric mesoscale model Meso-NH to simulate the transport of SO2 between 2 and 7April, with a focus on the influence of heat flow from lava flows. Three domains are nested from 2km to 100m of horizontal resolution. This modeling study torque simultaneously (i) atmospheric dynamics of mesoscale Meso-NH, (ii) a chemistry module in the gas phase and aqueous phase, and (iii) a surface model simulating a lava flow spread. All flow (heat,vapor, SO2, CO2 and HCl) are triggered online and are function of the dynamics of thepropagation front. Our simulations reproduce the observations of surface concentrations of SO2 for that period and various sensitivity analyzes show that the sulfur distribution was mainly controlled by the lava heat flow. The latest simulations include the modeling of the Laze plume when the lava meet the sea. Finally, two sensitivity tests were performed on the day of April 5 to analyze the dynamic interactions between convections: the crater andover the lava (sensible heat flux) and at the entry of lava into the sea (latent heat flux).

.Dans cette thèse, il a été étudié la structure des milieux poreux, en particulier sur des sols sableux et un paquet virtuel de sphères; Sur la base de références bibliographiques, nos propres outils ont été créés pour calculer la porosité, la surface spécifique et la distribution de la taille des pores. Nous avons construit un algorithme pour résoudre l'équation de diffusion de l'advection directement sur la structure du milieu poreux (en utilisant un résultat d'image 3D du scan $ mu $ CT du support poreux). Nous avons utilisé l'opérateur de division pour calculer la partie advective avec une méthode de volume fini (FV), mettant en œuvre un schéma de réduction de la variation totale (TVD). La partie diffusion a été calculée en utilisant une méthode de FV et avec l’aide du logiciel MUMPS pour résoudre le système linéaire résultant. A partir du champ de concentration obtenu avec l’algorithme et suivant une méthode de moyenne volumique, nous avons calculé les propriétés macroscopiques de: dispersivité et coefficient de dispersion à Pe = 223,23,2.3,0,23 pour un échantillon de sable de Fontainbleau NE34. Nous avons observé que ces résultats dépendent de la qualité de l'image 3D. Les propriétés structurelles et de transport ont été étudiées à l'aide d'images 3D à différentes résolutions. Les images à différentes résolutions ont été appelées images redimensionnées, elles ont été générées numériquement et prises directement à partir du micro CT scan. Comme premier résultat, nous avons proposé un critère basé sur la distribution de la taille des pores pour déterminer si une résolution d'image 3D convient ou non au calcul de la perméabilité d'un matériau granulaire avec une méthode de volume fini (FV). Dans un deuxième résultat, nous avons montré comment les propriétés des macros de transport de soluté sont moins affectées par une détérioration de la résolution que la propriété d’écoulement de la perméabilité (les deux cas sont calculés par une méthode FV). Et comme troisième résultat, nous avons montré qu'une image numérique redimensionnée préserve davantage le comportement des propriétés macroscopiques qu'une image réelle redimensionnée. / In this thesis it was studied the structure of the porous media, particularly on a sandy soils and a virtual pack of spheres; based on bibliographic references here were generated our own tools to compute the porosity, specific surface and pore size distribution. We built an algorithm to solve advection diffusion equation directly on the porous media structure (using a 3D image result of the $mu $ CT scan of the porous media). We used the splitting operator to compute the advective part with a Finite Volume (FV) method, implementing a Total Variation Diminishing (TVD) scheme. The diffusion part was computed using with a FV method with the assistance of the MUMPS software to solve the resulting linear system. From the concentration field obtained with the algorithm and following a volume averaging method, we computed the macroscopic properties of: dispersivity and dispersion coefficient at Pe=223,23,2.3,0.23 for a sample of Fontainbleau NE34 sand. We observing that these results depend on the quality of the 3D image, structural and transport properties were studied using 3D images at different resolutions. The images at different resolutions were called rescaled images, and they were generated numerically and taken directly from the micro CT scan. As a first result we proposed a criterion based on the pore size distribution to assess if a 3D image resolution is suitable or not for permeability computation of a granular material with a finite volume (FV) method. As a second result we showed how the solute transport macro properties are less affected by a deterioration of the resolution than the flow property of permeability (both cases computed through a FV method). And as a third result we showed that a numerical rescaled image preserve the behavior of the macroscopic properties more than a real rescaled image

Résumé : Plusieurs tremblements de terre passés ont montré que face aux séismes, les ponts peuvent être les points faibles d’un réseau de transport. Néanmoins, les retours des expériences postsismiques ainsi que les études théoriques et expérimentales effectuées par les chercheurs et les ingénieurs de la pratique ont permis de faire évoluer les règles de l'art relatives au comportement sismique des ponts. Un des résultats de cette évolution est le dimensionnement basé sur la performance sismique (DBPS). En bref, le DBPS tente de concevoir des structures qui atteindront un état limite de performance déterminé lorsqu’ils sont soumis à un séisme d’une intensité donné. Toutefois, dans l'optique du DBPS, il est primordial de situer les états limites des composantes principales des ponts, principalement des piliers, de manière mesurable plutôt que phénoménologique. Lors du développement de courbes de fragilité des ponts au Québec, il est apparu que les états limites des piliers de ponts n'étaient pas clairement définis. Un programme de recherche expérimental a donc été conçu pour déterminer les états limites des piliers de pont en béton armé. Le projet comprend l’essai d’un poteau en béton armé à échelle réelle soumis à des cycles de chargement latéral en plus d’une charge axiale constante représentative du niveau de chargement réel. Le poteau reproduit les propriétés exactes des piliers du pont Chemin des Dalles (Trois-Rivières, Québec). Ce projet de recherche vise à améliorer l’évaluation de la fragilité sismique des ponts actuels du réseau routier québécois et à optimiser le dimensionnement sismique des futures structures selon l’approche basée sur la performance sismique. En particulier, le projet cherche à répondre aux incertitudes importantes qui subsistent sur la description quantitative des états limites des piliers de ponts en béton armé, particulièrement au niveau des déformations associées. / Abstract : Several past earthquakes have shown that bridges can be the weak points of a transport network. Nevertheless, returns of the post-seismic experiences as well as theoretical and experimental studies made by researchers and practice engineers allowed the art rules evolution related to the seismic behavior of bridges. One result of this evolution is the seismic performance based design (DBPS). In brief, the DBPS tries to design structures which will reach a certain limit state of performance when they are submitted to an earthquake of a given intensity. However, in the optics of the DBPS, it is essential to define the limit states of the main components of bridges, mainly for columns, in a measurable way rather than phenomenological. During the development of the fragility curves of bridges in Québec, it seemed that the limit states of the bridges columns were not clearly defined. An experimental research program was thus designed to determine the limit states of the reinforced concrete bridge columns. The project includes the testing of a large-scale reinforced concrete bridge column submitted to lateral cycles load in addition to a constant axial load which represented the real dead load level. The column reproduces the exact properties of the Chemin des Dalles bridge columns (Trois-Rivières, Québec). This research project aims to improve the evaluation of the seismic fragility of existing bridges of Québec road network and optimize the seismic design for future structures according to the performance based seismic approach. In particular, the project seeks to address the significant uncertainties which remain on the quantitative description of the limit states of the reinforced concrete bridge columns, particularly at the associated deformations level.

Il existe aujourd'hui un enjeu sociétal majeur à s'intéresser à la propagation du son en milieu extérieur et notamment, dans notre contexte, à diminuer l'incertitude sur l'estimation des niveaux sonores et améliorer ainsi la précision des diverses analyses, du bureau d'étude à l'institut de recherche. Dans le cadre de l'acoustique environnementale, l'influence des conditions météorologiques sur la propagation acoustique en milieu extérieur peut être importante. Il est donc nécessaire d'appréhender et de quantifier les phénomènes météorologiques de micro-échelles que l'on observe dans la couche limite atmosphérique. Dans ce but, le modèle météorologique de recherche de Météo-France (Meso-NH) a été utilisé. Après avoir comparé les résultats de ce modèle à très fine résolution (de l'ordre du mètre) à l'aide des bases de données de deux campagnes expérimentales (Lannemezan 2005 et la Station de Long Terme), il s'est avéré nécessaire de développer cet outil en intégrant la prise en compte de la force de traînée des arbres. Dès lors, les résultats issus de Meso-NH sur les champs de vent, de température et d'énergie cinétique turbulente aparraissent satisfaisants. Ces informations sont par la suite utilisées en données d'entrée du modèle de propagation acoustique. Le modèle acoustique temporel utilisé est basé sur la méthode Transmission Line Matrix (TLM). Son développement a été effectué dans le but d'être appliqué à la propagation acoustique en milieu extérieur : prise en compte du relief, de différents types de sol, des conditions atmosphériques, etc. La validation numérique de la méthode TLM, par comparaison avec d'autres modèles (analytique et numérique de type Equation Parabolique), a permis de montrer la pertinence de son utilisation dans le cadre de l'acoustique environnementale. Enfin, à l'aide de ces modèles, des niveaux sonores simulés sous différentes conditions de propagation (favorables, défavorables, homogènes) ont été comparés aux mesures in-situ réalisées lors de la campagne expérimentale de Lannemezan 2005. Les résultats se sont avérés très satisfaisants au regard de la variabilité des phénomènes observés. Cependant, l'utilisation des champs issus d'un modèle micrométéorologique de type Meso-NH reste délicate du fait de la forte sensibilité du niveau sonore aux profils verticaux de célérité du son. L'étude de faisabilité sur une expérience plus complexe (la Station de Long Terme) est encourageante et, à condition de disposer d'importants moyens de calculs, elle permet de considérer la TLM comme une nouvelle méthode de référence et ainsi, d'envisager d'élargir son domaine d'utilisation à d'autres applications.

Les phénomènes électrocinétiques créés à l'échelle microscopique par le passage d'ondes sismiques à travers des milieux poreux saturés en fluides génèrent des conversions entre énergies sismique et électromagnétique observables à l'échelle macroscopique. Nous avons étudié ces couplages à la fois sur un plan expérimental et théorique dans le but de déterminer leur utilisation potentielle pour la détection et la caractérisation du contenu en fluides des milieux poreux superficiels. Nous présentons dans un premier temps une série d'expériences de terrain effectuées pour enregistrer, à l'aide d'antennes électriques reliées à un système d'acquisition sismique multitrace, les champs électriques transitoires générés par une perturbation sismique du milieu. Après atténuation du bruit généré par les lignes à haute tension grâce à des filtres adaptés, deux effets sismo-électriques ont été identifiés: i) un champ électrique dominant qui accompagne les ondes slsmiques, et ii), des perturbations électromagnétiques précursives, de faIble amplitude, présentant une inversion de polarité de part et d'autre de la source sismique avec peu ou pas de décalage temporel le long du dispositif récepteur. Par la suite, nous détaillons les aspects théoriques de la propagation couplée des ondes sismiques et électromagnétiques dans des milieux poreux saturés en utilisant les équations obtenues par Pride (1994), qui combinent la théorie de Biot aux équations de Maxwell via des équations de transport. Nous avons résolu ces équations à l'aide d'un programme de simulation numérique dans le but de générer des sismogrammes, des électrogrammes et des magnétogrammes synthétiques. Ceci nous a permis d'étudier de manière détaillée les effets sismo-électriques, d'interpréter nos données et de mettre en évidence des applications potentielles d'enregistrements simultanés des champs d'ondes sismiques, électriques et magnétiques pour la caractérisation des couches poreuses superficielles.

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La détermination des paramètres d'un milieu poreux, notamment de la porosité, de la perméabilité et des propriétés du fluide saturant est un enjeu important pour des problèmes hydrologiques, pétroliers ou de risques naturels. L'objectif principal de ce travail est d'estimer ces propriétés à partir des ondes sismiques réfléchies.<br />Les théories poro-élastiques (Biot,1956) nécessitent de nombreux paramètres pour caractériser les milieux poreux et conduisent à des propriétés particulières des ondes sismiques (deux ondes de compression, atténuation intrinsèquement définies,...). Ces équations sont résolues pour un milieu poreux stratifié plan saturé par un fluide homogène par une méthode de réflectivité associée à une intégration en nombre d'ondes discrets. Ce programme de simulation est tout d'abord utilisé pour estimer la sensibilité des ondes réfléchies à la localisation et à la concentration du dioxyde de carbone dans le cas d'un stockage dans un aquifère marin profond. La sensibilité de la réponse sismique aux différents paramètres du milieu poreux est ensuite établie de manière plus systématique par le calcul analytique des dérivées de Fréchet des sismogrammes et leur mise en oeuvre numérique. Les applications numériques réalisées indiquent que les paramètres primordiaux à déterminer sont la porosité et la consolidation.<br />Ces opérateurs de sensibilité ont ensuite été intégrés dans un code d'inversion de formes d'ondes complètes (algorithme de Quasi-Newton). Les calculs d'inversion réalisés à partir de données synthétiques indiquent que les distributions de porosité et les paramètres caractérisant le solide et le fluide (densité et modules mécaniques) peuvent être correctement reconstruits lorsque les autres paramètres sont bien déterminés.<br />Cependant, l'inversion de plusieurs paramètres reste un problème difficile du fait des couplages sismiques existant entre eux. Il est cependant possible de résoudre des problèmes complexes en ne considérant qu'un seul paramètre pour le fluide (saturation) et un pour les minéraux (lithologie), ou en effectuant des inversions différentielles pour suivre des variations du fluide.<br />La méthode d'inversion est finalement appliquée à un jeu de données réelles acquis sur le site côtier de Maguelonne dans l'Hérault. Les variations du milieu peuvent être reconstruites en utilisant de l'information a priori venant de forages.

Ce travail de thèse porte sur l'amélioration du forçage atmosphérique utilisé pour réaliser des simulations numériques inter-annuelles globales de l'état physique de l'océan durant les 5 dernières décennies. Après une étude détaillant et comparant le comportement<br />de diverses paramétrisations utilisées pour estimer les flux de surface servant de conditions limites, le modèle de circulation générale de l'océan et des glaces de mer NEMO est utilisé sur sa configuration à 2° de résolution pour valider des jeux de données atmosphériques spécialement destinés au forçage des modèles haute résolution du projet DRAKKAR. Ces jeux de données combinent, sur une période allant de 1958 à 2004, des champs atmosphériques de surface corrigés issus de ERA-40, une recalibration des radiations satellitaires de L'ISCCP ainsi que des précipitations incorporant différents produits globaux. Divers diagnostics confirment que ces nouveaux forçages mènent à une meilleure simulation de certaines caractéristiques clefs de la circulation océanique globale.

Une structure en béton doit assurer des fonctions structurales qui vont au delà de la simple résistance. Dans ce cadre, la fissuration du béton armé joue un rôle primordial sur la durabilité, l'étanchéité et même la sûreté des structures. La structure poreuse du béton rend naturellement possible la pénétration au cours du temps d'espèces délétères. En outre, sous l'effet des chargements mécaniques et des conditions environnementales au sens large, le béton se fissure. Les fissures constituent, elles aussi, des voies préférentielles pour la pénétration de fluides ou d'agents agressifs et ajoutent de manière significative leur contribution à la dégradation des performances structurelles. Dans la thèse une stratégie de modélisation macroscopique probabiliste du couplage entre fissuration et transferts de fluides dans les structures en béton est présentée. Le béton est modélisé comme un milieu poreux saturé d'eau tandis que la fissuration (mécanique) est modélisée au travers d'une approche numérique probabiliste tenant compte de l'hétérogénéité naturelle du matériau et des effets d'échelle qu'elle induit. L'hypothèse physique de base du modèle de fissuration est que chaque élément fini peut être considéré comme représentatif d'un volume de matière hétérogène dont le comportement est géré par son degré d'hétérogénéité, défini comme le rapport entre le volume élémentaire et un volume représentatif de l'hétérogénéité du matériau. Dans la formulation développée, les propriétés mécaniques du matériau sont considérées comme des variables aléatoires (non corrélés) distribuées dans les éléments du maillage selon des distributions statistiques validées expérimentalement. Une approche par analyse inverse permet d'accéder aux paramètres de fonctions de distribution qui, selon les hypothèses du modèle, varient en fonction de la dimension des éléments finis. Le couplage fissuration-transfert est traité de manière faible, sous l'hypothèse d'absence d'interaction entre les deux processus (à savoir que la fissuration de l'élément fini, d'origine mécanique, induit une variation locale de sa perméabilité). L'utilisation d'une loi de Poiseuille modifiée et adaptée expérimentalement selon un protocole développé dans le cadre de la thèse permet de mettre en relation une telle variation avec l'ouverture de fissure et de prendre en compte, de manière macroscopique, les principales causes d'écart entre l'écoulement idéalisé, représenté par la loi de Pouiselle, et l'écoulement dans des fissures réelles. Une approche de type Monte-Carlo permet de valider les résultats des simulations mécaniques et hydriques. Les capacités de la stratégie de modélisation proposée en termes de prédiction des débits d'eau en milieu fissuré sont explorées au travers de la simulation d'essais de perméabilité sous charge sur des éprouvettes cylindriques soumises à du fendage. Ces essais sont utilisés dans le cadre du protocole expérimentale. Une première validation à l'échelle d'un élément structurel multifissuré est presentée. Elle consiste en la simulation d'un essai (récemment proposé dans la littérature) developpé pour l'étude de l'impact de la fissuration sur les propriétés de transfert de tirants en béton armé

Dans le cadre d’un programme de recherche mené par le GISOS (Groupement d’Intérêt Scientifique de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains), le site pilote de Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France) a fait l’objet d’une importante instrumentation géophysique et géotechnique pour assurer la surveillance d’une cavité saline à 200 m de profondeur, depuis son état stationnaire jusqu’à l’effondrement des terrains du recouvrement. Les objectifs principaux de cette thèse consistaient à : 1) valider la technique de surveillance basée sur l’écoute microsismique dans un contexte salin, et 2) modéliser numériquement le comportement mécanique complexe du recouvrement, particulièrement l’initiation des microfissures et leur propagation. L’analyse de la sismicité induite enregistrée a permis de caractériser l’état initial de la cavité en terme d’activité microsismique. Deux types d’événements ont été identifiés : les événements isolés correspondant aux ruptures localisées, et les événements en rafale, d’une dizaine de secondes de durée. D’après les résultats de localisation d’hypocentres, la totalité de la sismicité enregistrée est générée au niveau de la cavité dans le gisement de sel, ou bien dans les faciès marneux qui composent le toit immédiat de la cavité actuelle. Les déclenchements en rafale seraient liés à des phénomènes de délitement puis de décrochement de blocs de marne, suivis des chutes de blocs dans la cavité remplie de saumure. Le travail de modélisation numérique a été focalisé sur la possibilité de rendre compte de l’endommagement dans les couches fragiles du recouvrement. Nous avons mis en oeuvre un modèle géomécanique hybride à l’échelle du site pilote qui intègre les différentes formations géologiques présentes dans le recouvrement, ainsi que l’initiation, la propagation et la coalescence des microfissures dans le banc raide, à l’aide des logiciels FLAC et PFC2D. La calibration du modèle discret PFC2D pour reproduire le comportement en traction du banc raide a été vérifiée numériquement à l’échelle du site pilote. Cette vérification a été basée sur la comparaison, en termes de la réponse élastique et d’apparition des ruptures dans le banc raide, entre l’approche hybride FLACPFC 2D et la modélisation purement continue avec FLAC. Le modèle hybride ainsi défini pourra être utilisé dans le cadre d’une retro-analyse une fois que les mesures in-situ, notamment les enregistrements microsismiques et les données de déformation, seront disponibles à Cerville-Buissoncourt / Within the framework of a research program carried out by the GISOS (Scientific Grouping of Research Interest on the Impact and Safety of Underground Works), the pilot site of Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France) was the subject of a large geophysical and geotechnical instrumentation to ensure the monitoring of a salt cavity at 200 m depth, from its stationary state to the final overburden collapse. The main objectives of this work consisted on : 1) the validation of the microseismic monitoring technique in a salt mine environment, and 2) the numerical modelling of the mechanical behavior of the overburden, particularly the initiation and the propagation of microcracks. The analysis of the recorded induced seismicity allowed to characterize the initial state of the cavity in terms of microseismic activity. Two types of events were identified : isolated events corresponding to localized ruptures, and swarms of events, of tens of seconds of duration. According to hypocenter location results, the totality of the recorded seismicity is generated either in the cavity surroundings within the salt layer, or in the marly facies of the current cavity roof. Swarms would be related to delamination of clayley marls in the immediate roof, followed by rock debris falling in the brine filled cavity. The numerical modelling was focused on the possibility of accounting for the damage in the fragile layers of the overburden. We implemented a hybrid geomechanical model of the pilot site which integrates the various geological formations present in the overburden, as well as the initiation, the propagation and the coalescence of microcracks in the stiff layer, using FLAC and PFC2D softwares. The calibration of the discrete PFC2D model to reproduce the tensile behaviour of the stiff layer was numerically checked on the site scale. The validation was based on the comparison, in terms of the elastic response and the damage onset in the stiff layer, between the hybrid approach FLAC-PFC2D and the purely continuous modelling using FLAC. The hybrid model thus defined would be used for back-analysis studies once in-situ measurements, in particular microseismic recordings and deformation data, will be available at Cerville-Buissoncourt