La calotte polaire du Groenland retient dans ses glaces une contribution potentielle au niveau des mers de 7,3 mètres. Alors que des changements importants sont observés à l'heure actuelle, réaliser des projections sur son état futur à l'échelle pluri-centennal est devenu une priorité. La modélisation numérique 3D est l'un des outils pour effectuer ces projections. Ce travail incorpore largement l'utilisation des carottages profonds du Groenland, qui rassemblent une grande part d'information sur les états passés. Ainsi, l'accent est ici mis sur les validités des reconstructions effectuant constamment des aller-retour entre observations et simulations. La robustesse de ces reconstructions et des projections futures est largement questionnée au travers de nombreuses expériences de sensibilité. La calibration du modèle de glace en utilisant des contraintes sur les informations de la dernière déglaciation permet de proposer des scénarios sur l'état de la calotte au cours du précédent interglaciaire, l'Eémien, potentiel analogue pour le climat futur. / The Greenland ice sheet represents a potential sea level rise contribution of 7.3 meters. When drastic changes are recently observed, multi-centennal futur projections are urgently needed. 3D numerical modelling is one of the tools to realize these projections. This work intensively incorporates the use of Greenland deep ice core drillings, which represent an important amount of information of past states of the ice sheet. The validity of the reconstructions are thus assured by constant back and forth between observations and simulations. Robustness of these reconstructions and of future projections are largely questionned through wide sensitivity experiments. The ice sheet model calibration is performed during the last deglaciation considering the numerous constraints during this period. Given that, scenarios of ice sheet states during the whole last climatic cycle, in particular during the last interglacial, the Eemian, potential analogue for a future climate.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle joué par les zones de cisaillement sur la localisation de la déformation et de l'exhumation de la croûte inférieure grâce à une série de modèles numériques thermomécaniques 2D et 3D que nous avons appliqué à deux cas d'étude: le craton ouest-africain (WAC) et les zones de failles alpines en Nouvelle Zélande. En ce qui concerne la localisation de la déformation dans la croûte supérieure, différentes orientations pour un système de décrochement en ramification ont été testées. Sous un régime compressif, les résultats montrent que les zones de failles internes, ainsi que les unités de roches présentes entre ces failles réagissent de façon plus fragile que les unités rocheuses présentes à l'extérieur de ces domaines. Pour le cas d'un régime de déformation en cisaillement simple, nous avons exploré le processus de réorganisation qui s'est produit aux limites de deux plaques (i.e. Australie et Pacifique) au sud de la Nouvelle-Zélande. Les modèles montrent que la déformation se concentre le long des zones de cisaillement étroites, situées au centre du modèle, lorsque les coefficients d'amollissement sont élevés. Inversement, la contrainte cisaillante ressort de façon plus diffuse à travers le modèle lorsque les coefficients d'amollissement sont faibles. Les cisaillements s'expriment alors sur l'ensemble du modèle bien que les taux de cisaillement restent les plus élevés sur les bordures du modèle. Afin de tester l'impact de failles héritées et de bassins préexistants sur l'exhumation de la croûte inférieure, des modèles 2D et 3D ont été testés avec différentes conditions aux limites (traduisant extension, transtension et compression). * En contexte extensif, dans les portions Est et Ouest des corridors fortement métamorphisés du Nord-Ouest Ghana, des roches partiellement fondues, issues de la croûte inférieure, ont pu être exhumées au sein des croûtes moyenne à supérieure. Dans la partie centrale du domaine de Bolé-Bulenga, des roches très métamorphisées ont été exhumées grâce au couplage de deux mécanismes: (1) la concentration de roches partiellement fondues entre les failles de Jirapa et de Bolé-Nangodi; ces failles convergent vers le sud, induisant un rétrécissement de l'espace disponible pour accueillir ce matériel fondu; (2) la concentration de roches partiellement fondues dans la partie centrale, induite par un jeu de failles héritées d'orientation Est-Ouest. * En contexte de transtension, dans le terrane de Sefwi au Sud-Ouest Ghana, le domaine de Kukuom-Juaboso (KJD), composé majoritairement par des roches à faciès de type amphibolite à migmatitique, semble s'être mis en place sous forme d'intrusions au sein d'une zone relais située entre les zones de cisaillements de Kenyase et de Ketésso. Ces deux zones de cisaillement sont marquées par un stade de croissance puis de maturation qui semblent être reliés aux phases de déformation D1 puis D2 reconnues régionalement. L'exhumation régionale des roches très métamorphisées dans le terrane de Sefwi s'est probablement produite en moins de 5 Ma. * En régime compressif, l'impact joué par les bassins volcano-sédimentaires sur le processus d'exhumation de la croûte inférieure a été testé numériquement. Les modèles suggèrent que de multiples injections de magmas granitoïdiques, dérivant soit de matériaux subductés, soit d'une fusion de produits crustaux ou de matériel mantellique accumulés en profondeur, ont pu être canalisées au sein de diapirs avant de venir nourrir la croûte supérieure. Ce modèle suggère également une asymétrie des structures entre la croûte supérieure d'une part, et la croûte inférieure à moyenne d'autre part: i.e. (i) les bassins de roches vertes faiblement métamorphisés de la croûte supérieure reposent sur les diapirs métamorphisés et (ii) les bassins de roches vertes très métamorphisés constituent le soubassement des dômes granitoïdiques de la croûte supérieure. / The objective of this thesis is to explore the role shear zones play in localization of deformation and exhumation of the lower crust by using a series of 2D and 3D thermo-mechanical numerical models using the West African Craton (WAC) and the Alpine Fault zones as study areas. With respect to the localization of deformation in the upper crust, different orientations of a system of branched strike-slip faults were studied. Under compression boundary conditions, the results show that the internal fault zones as well as the host rocks in between the faults behave as relatively weaker domains than the external regions. Under simple shear boundary conditions, we explored the process of self-organization of the Australian-Pacific plate boundary fault in southern New Zealand. The models show that deformation is focused along narrow high-strain shear zones in the centre of the model when the softening coefficients are high, whereas the strain is more diffuse with many shear zones spread over the model and possibly some high-strain shear zones focused near one border at lower softening coefficients. Regarding the role pre-existing faults and basins play in exhumation of the partially molten lower crust, 2D and 3D models with different boundary conditions were tested (including extension, transtension and compression). * Under extension, in the Eastern and Western parts of the high grade rock corridors in NW Ghana, partially molten rocks exhumed from the lower into middle-upper crustal levels are interpreted to have been dominantly facilitated by the km-scale high-strain corridors. In the central part of the Bole-Bulenga domain, the high grade rocks are interpreted to have been exhumed as a result of a coupling between two mechanisms: (1) the concentration of partially molten rocks between the Jirapa and Bole-Nangodi faults increases due to the reduction in space from north to south; (2) the concentration of lower partially molten rocks in the central part, as a result of inherited orthogonal (E-W) faults. * Under transtension, in the Sefwi terrane of SW Ghana, the Kukuom-Juaboso domain (KJD) composed of up to amphibolite-migmatite facies could result from the concentration of upwelling partially molten rocks in the relay zone between the Ketesso and Kenyase shear zones during transtension. The two shear zones probably underwent two main stages for growth and maturation from the D1 to D2 deformation phases. The regional exhumation of the high grade rocks in the Sefwi terrane probably occurred within a duration of less than 5 Ma. * Under compression, the role of volcano-sedimentary basin on spatial-temporal evolution of the lower crust exhumation was tested. The models suggest that a series of sheet-like granitoids possibly derived from either subducted mélanges, lower crust and/or mantle melting accumulated at depths of the subcontinental mantle would channel along diapirs before feeding the upper crust. When the granitoids arrive at the solidified lids of the diapirs, they would favour migrating horizontally and intruding into the upper crust through weakening zones between the diapirs. This model also suggests an asymmetry of structures between the upper and middle-lower crust, with the dome-like granitoids overlying high-grade sedimentary synforms and high-grade diapirs underlying low-grade greenstone belts.

L’écoulement dans les turbomachines est tri-dimensionnel et instationnaire. Actuellement, les concepteurs de moteurs cherchent à réduire l’encombrement et le poids des machines. En conséquence, les interactions entre les roues, appelées interactions rotor-stator, sont renforcées. Parmi elles, l’effet potentiel remontant n’est désormais plus négligeable malgré sa rapide atténuation spatiale. Dans cette étude, cet effet potentiel remontant a été analysé sur une configuration spécialement conçue : une grille linéaire d’aubes de turbine, suivie de barreaux défilants en aval à une distance de 20% de corde axiale, simulant des aubes de rotor en aval. La grande échelle du banc d’essais facilite l’étude du comportement de la couche limite des aubes de la grille. Des mesures de pression et d’anémométrie laser à deux composantes, synchronisées avec le défilement des barreaux aval sont réalisées. Le nombre de Reynolds, basé sur la corde, est 1.6 × 105. Une grille de turbulence placée en amont de la grille d’Aube afin de pouvoir augmenter le taux de turbulence amont a été utilisée. Des résultats de mesures en absence de cette grille (faible taux de turbulence amont) sont également présentés et analysés. Une modélisation numérique, basée sur un calcul laminaire avec un préconditionnement basse vitesse pour la même configuration, a montré la déformation des lignes de courant de l’écoulement dans le canal inter-aubes, en fonction de la position du barreau aval. La distribution de pression autour de l’aube est également périodiquement modifiée. Les résultats stationnaires expérimentaux, en absence de tout barreau aval, ont révélé un décollement de la couche limite à l’extrados de l’aube à bas taux de turbulence amont(Tu−am = 1.2%) qui est supprimé à haut taux de turbulence amont (Tu−am = 4.2%) ; la couche limite commence alors sa transition par un mode by-pass. Aucun effet instationnaire dans la couche limite n’a été observé à l’intrados, quel que soit le taux de turbulence amont. L’étude instationnaire, avec le défilement des barreaux en aval, a permis de mettre en évidence un décollement périodique de la couche limite à l’extrados à bas taux de turbulence amont (Tu−am = 1.8%). Dans ce cas, la couche limite suit deux modes de transition au cours d’une période : une transition par décollement et une transition bypass. Au contraire, dans le cas à fort taux de turbulence amont (Tu−am = 4.0%), aucun décollement de la couche limite n’a été décelé. La couche limite est sujette à l’effet instationnaire à l’extrados. Elle est devenue turbulente au bord de fuite à tout instant par un mode by-pass. Cette étude a montré que l’effet potentiel issu d’un roue en aval est du même ordre de grandeur que les effets de sillage et doit être pris en compte dans l’analyse des phénomènes. Par des méthodes d’indexation de roues, le décollement de la couche limite pourrait être supprimé. / Turbomachinery designers wish to reduce the size and weight of engines. One way of achieving this is by reducing the distance between rotor and stator elements. In doing so, the rotor-stator interaction becomes more significant. In particular, the long-range influence of pressure potential is no longer negligible, and affects both upstream and downstream flow. Previously, only downstream interactions of blade wakes were considered important. Here we examine the upstream potential effect generated by downstream moving cylindrical rods on an upstream low pressure turbine blade. A large scale rectilinear blade cascade was constructed to improve access to the boundary layer. The Reynolds number, based on the chord, was 1.6 × 105. Pressure measurements and two-dimensional Laser Doppler Anemometry around the blade were performed to study the boundary layer behavior. Recorded data points are phase averaged with the downstream moving cylindrical rods. A grid is placed upstream of the blade cascade to increase the inlet turbulence intensity. A numerical investigation, based on a laminar simulation with low velocity preconditioning method was carried out on the same configuration. The flow streamlines and the pressure distribution around the blade were found to depend strongly on the downstream rod position. No unsteady effects in the boundary layer of the pressure side were observed, for the inlet turbulence intensities used in our study. Steady experimental results revealed a boundary layer separation bubble on the blade suction side at a low turbulence intensity (Tu−in = 1.2%), whereas the boundary layer became turbulent via by-pass transition at a higher turbulence intensity (Tu−in = 4.2%).It is seen that, in the unsteady configuration, at a low turbulence intensity (Tu−in =1.8%), the laminar boundary layer experiences separation once per rod period. Two transition modes were identified that alternate during a rod period : a separation transition mode and a by-pass mode, which were conditioned by the downstream rod position. Ata higher turbulence intensity (Tu−in = 4.0%), no boundary layer separation occurred thereby following a bypass transition mode during an entire rod period. The experimental results presented here demonstrate the large influence of the downstream potential effect generated by a downstream row on the upstream blade boundary layer behavior. In order to improve the efficiency of engines, this effect and its interaction with the wake effect must be taken into account in turbomachinery design.

L'atmosphère de Saturne subit d'importantes variations saisonnières d'insolation, à cause de son obliquité, de son excentricité et de l'ombre de ses anneaux. Dans la stratosphère (de 20 hPa à 10-4 hPa), les échelles de temps photochimiques et radiatives sont du même ordre de grandeur que la période de révolution de Saturne (29,5 ans). On s'attend donc à mesurer des variations saisonnières et méridiennes significatives de la température et des espèces produites par la photochimie (en particulier C2H6, C2H2 et C3H8) dans cette région. Grâce à sa durée (2004-2017), la mission Cassini est l'occasion inédite de suivre l'évolution saisonnière de l'atmosphère de Saturne.Au cours de ma thèse, j'ai analysé des observations au limbe Cassini/CIRS car elles permettent de sonder à la fois la structure méridienne et verticale de la stratosphère de Saturne. Ainsi, j'ai mesuré les variations saisonnières de la température et des abondances de C2H6, C2H2 et C3H8. J'ai également contribué au développement d'un modèle radiatif-convectif et d'un GCM (Global Climate Model) de l'atmosphère de Saturne. Les prédictions de ces modèles sont comparées avec les températures mesurées avec CIRS, de façon à étudier les processus radiatifs et dynamiques qui contribuent à l'évolution saisonnière. Les simulations numériques réalisées avec ce GCM m'ont également permis d'étudier la propagation des ondes atmosphérique ainsi que les effets de l'ombre des anneaux sur l'atmosphère de Saturne. Par ailleurs, la comparaison entre les distributions de C2H6, C2H2 et C3H8 et des modèles photochimiques (Moses et Greathouse 2005, Hue et al. 2015) donne des indications sur le transport méridien. / Saturn's atmosphere undergoes important seasonal variations of insolation, due to its obliquity, its eccentricity and the shadow of its rings. In the stratosphere (from 20 hPa to 10-4 hPa), radiative and photochemical timescales are in the same order as Saturn's revolution period (29.5 ans). Hence, significative seasonal and meridional variations of temperature and photochemical by-products (especially C2H6, C2H2, and C3H8) are expected. Because of its duration (2004-2017), the Cassini mission is an unprecedented opportunity to monitor the seasonal evolution of Saturn's atmosphere. During my PhD, I analysed Cassini/CIRS limb observations as they probe the meridional and vertical structure of Saturn's stratosphere. Hence, I measured seasonal variations of temperature and abundances of C2H6, C2H2, and C3H8. I also contributed to the development of a radiative-convective model and a GCM (Global Climate Model) of Saturn's atmosphere. The predictions of these models are compared with the temperatures measured from CIRS observations, in order to study the radiative and dynamical processes which contribute to the seasonal evolution. Numerical simulations performed with the GCM also allowed me to study atmospheric waves propagation and the effects of rings shadowing in Saturn's atmosphere. Besides, comparison between C2H6, C2H2, and C3H8 distributions and photochemical models (Moses and Greathouse 2005, Hue et al., 2015) give insights on meridional transport.

L’objectif de ce travail est de développer un modèle multi-physique et multi-échelle de Régénérateur Magnétique Actif en vue d’optimiser le fonctionnement d’un système de réfrigération magnétique. Le modèle numérique développé lors de cette thèse est un modèle multi-physique et multi-échelle qui prend en compte trois phénomènes distincts (le magnétisme, la fluidique et le transfert de chaleur), chacun à une échelle différente (micro-échelle, mini-échelle et macro-échelle). Une étude expérimentale a été menée afin de déterminer les propriétés thermophysiques des matériaux magnétocaloriques et d’intégrer les résultats de ces mesures dans le modèle numérique. Le modèle a été validé par une comparaison avec des données expérimentales et les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre les résultats du modèle et les mesures. Enfin, le modèle a été exploité par une analyse de sensibilité des paramètres en vue d’étudier le fonctionnement ainsi que les performances du système. Ce modèle permettra d’identifier une stratégie de conception optimale d’un Régénérateur Magnétique Actif afin de concevoir des systèmes de réfrigération magnétique performants. / The objective of this work is the developing of a multi-physics and multi-scale numerical model of an Active Magnetic Regenerator in order to optimize the operation of a magnetic refrigeration system. The numerical model developed in this thesis is a multi-physics and multi-scale model that takes into account simultaneously three distinct phenomena (magnetism, fluid flow and heat transfer), each on a different scale (micro-scale, mini-scale scale and macro-scale). An experimental study was conducted to determine the thermophysical properties of magnetocaloric materials and integrate the results of these measurements in the numerical model. The model has been validated by comparison with experimental data and the results showed a good correlation between the model results and measurements. Finally, the model was exploited by an analysis of parameter sensitivity allowing studying the operation and performance of the system. This model will identify an optimal design strategy of an Active Magnetic Regenerator in order to design high-performance magnetic refrigeration systems.

Les modèles numériques sont un outil complémentaire pour la prédiction de la corrosion. L'objectif de cette thèse est de développer un modèle de corrosion reposant sur la méthode des automates cellulaires pour l'étude de l'évolution morphologique des surfaces, ainsi que de la cinétique de corrosion. Le modèle développé couple les demi-réactions électrochimiques d'oxydation et de réduction. Au niveau cinétique, la simulation par automates cellulaires peut alors reproduire les courbes intensité-potentiel d'une réaction redox sur électrode inerte. L'échelle spatio-temporelle choisie décrit des phénomènes de corrosion à l'échelle mésoscopique, niveau intermédiaire par rapport aux approches habituelles. Dans notre modèle, les probabilités rendent compte de la nature stochastique des réactions anodiques et cathodiques. Cette étude nous a permis de décrire l'évolution de la morphologie de la corrosion dans différents contextes: corrosion généralisée, corrosion par piqûre et corrosion en milieu confiné. Deux régimes de corrosion ont été observés: un régime de corrosion uniforme dans lequel les demi-réactions sont distribuées de manière homogène suivi par un régime de corrosion localisée, caractérisé par une séparation spatiale des zones cathodiques et anodiques. / Numerical modelling is complementary tool for corrosion prediction. The objective of this work is to develop a corrosion model by means of a probabilistic cellular automata approach at a mesoscopic scale. In this work, we study the morphological evolution and kinetics of corrosion. This model couples electrochemical oxydation and reduction reactions. Regarding kinetics, cellular automata models are able to describe current as a function of the applied potential for a redox reaction on an inert electrode. The inclusion of probabilities allows the description of the stochastic nature of anodic and cathodic reactions. Corrosion morphology has been studied in different context: generalised corrosion, pitting corrosion and corrosion in an occluded environment. A general tendency of two regimes is found. A first regime of uniform corrosion where the anodic and cathodic reactions occur homogeneously over the surface. A second regime of localized corrosion when there is a spatial separation of anodic and cathodic zones, with an increase of anodic reaction rate.

Les data centers sont des infrastructures qui hébergent un grand nombre d’équipements informatiques. Plus de 99% de la puissance électrique consommée par les composants électroniques est transformée en chaleur. Pour assurer leur bon fonctionnement il est donc nécessaire de les refroidir. Cette opération est majoritairement réalisée par l’emploi de systèmes de climatisation à air très énergivores. De plus, la densité de puissance dissipée au sein des baies informatiques est en augmentation permanente. Nous arrivons alors aux limites de l’utilisation de l’air comme fluide caloporteur pour le refroidissement. Les études réalisées durant cette thèse concernent l’amélioration de l’efficacité énergétique des systèmes de refroidissement des baies électroniques par l’exploitation de liquides comme fluides caloporteurs. Cette approche permet de bénéficier de coefficients d’échanges thermiques et de capacités de refroidissement plus importants, avec des perspectives plus viables pour la revalorisation de la chaleur issue des data centers.Durant la thèse, quatre solutions de refroidissement ont été évaluées. Des expérimentations ont été menées à l’échelle de serveurs et d’une baie informatique. Une instrumentation conséquente permet de mettre en évidence le bon refroidissement des composants et de déterminer des indicateurs d’efficacité énergétique des systèmes étudiés. A partir des résultats expérimentaux, deux modèles numériques sont développés par une approche nodale et une identification des paramètres par méthode inverse. Ces modèles pourront être dupliqués à l’échelle d’une salle informatique afin de quantifier les gains potentiels de deux solutions de refroidissement liquide. / Data centers are facilities that house a large numbers of computer equipment. More than 99% of the electrical power consumed by the electronic components is converted into heat. To ensure their good working, it is necessary to keep them under their recommended temperatures. This is mainly achieved by the use of air conditioning systems which consume a lot of electrical power. In addition, the power density of computer racks is constantly increasing. So the limits of air as a coolant for electronic equipment cooling are reached.Studies conducted during this thesis concern the improvement of energy efficiency of cooling systems for electronic rack by using liquids as heat transfer fluids. This approach gives higher heat exchange coefficients and larger cooling capacity with more viable aspects for the recovering of heat from data centers.Four cooling solutions are evaluated. Experiments are conducted on several servers and on a computer rack. A consistent instrumentation helps to highlight the efficiency of components cooling and allows us to identify energy efficiency indicators of the studied systems. From the experimental results, two numerical models are developed by a nodal approach and a parameter identification by inverse method is carried out. These models can be duplicated at the scale of a data center room in order to quantify the potential gains of two liquid cooling solutions.

Le confort thermique des habitants d'une ville est principalement affecté par l'îlot de chaleur urbain. Ce phénomène se traduit par des températures plus chaudes en ville que dans sa périphérique, principalement la nuit. Il est causé par les relâchements de chaleur stockée dans les bâtiments et la route le jour mais aussi par des sources anthropiques comme le chauffage ou le trafic routier. L'îlot de chaleur urbain peut atteindre jusqu'à 10°C la nuit pour les plus grandes mégapoles. Mais au cœur d'un quartier, la variabilité de la température, en fonction des ombrages ou de la présence d'eau et de parcs peut aussi atteindre quelques degrés. Elle peut donc être de la même amplitude que l'îlot de chaleur urbain. L'objectif de cette thèse est d'étudier la variabilité de la température à l'échelle de la ville et à l'échelle de la rue. Le but est de mettre en place une chaîne de modélisation de la température à l'échelle de rue à partir de données de stations météorologiques opérationnelles en périphérie d'une ville. Cette chaîne de modélisation doit être rapide et faire appel à des données accessibles au plus grand nombre afin de pouvoir simuler des scénarios d'aménagement urbains sur le long terme en dehors des laboratoires de recherche. La première partie de la chaîne de modélisation s'appuie sur un modèle numérique physique, le générateur de climat urbain spatialisé, permettant de calculer l'îlot de chaleur à l'échelle du quartier à partir de données se situant en dehors d'une ville et d'un modèle de surface de ville comme le modèle TEB. La deuxième partie permet de modéliser statistiquement la variabilité de température à l'échelle de la rue à partir des conditions météorologiques simulées par le générateur au sein d'un quartier et d'une cartographie précise du tissu urbain du quartier considéré. Cette modélisation statistique s'appuie sur des campagnes de mesures effectuées en 2013 et 2014 dans des quartiers des villes de Marseille, Paris et Toulouse. / The thermal comfort of the inhabitants of a city is mainly affected by the urban heat island (difference in air temperature between urban and surrounding area. This effect is caused by anthropogenic sources, low vegetated areas and heat stored in buildings and roads during the night. The urban heat island can reach 10°C at night for the biggest cities. But inside a neighborhood, the temperature variability can reach a few degrees with the effect of the shadow of the trees or the presence of lake or parks. This variability may have the same magnitude than the urban heat island. The objective of this thesis is to study the temperature variability at the city-scale and at the street-scale. The aim of this PhD work is to develop a modeling chain of the temperature at the street-scale from data from operational weather stations located in airports.The modeling chain has to be fast in order to simulate long term urban planning scenarios and have a low computational cost in order to be run outside of atmospheric sciences laboratories. The first step of the modeling chain is the spatialized urban weather generator, a numerical physical scheme which calculated the urban heat island at the neighborhood scale from data of an operational weather station located outside of the city and with sur urban surface model TEB. The second part is a statistical model of temperature variability at the street scale calculated with meteorological data coming from the generator and a mapping of the urban tissue. The statistical model relies on field campaigns achieved in 2013 and 2014 in the neighborhoods of Marseille, Paris and Toulouse.

La congélation artificielle des terrains est une technique d'imperméabilisation et de renforcement des terrains régulièrement employée dans le génie civil et l'industrie minière. Dans un objectif de prédiction fiable de l'évolution de la congélation dans le milieu poreux, cette recherche propose deux nouveaux modèles numériques permettant la simulation du problème global de la congélation artificielle des terrains. Un premier modèle a pour objectif la représentation des mécanismes couplés thermo-hydrauliques associés à la congélation du matériau tandis qu'un deuxième modèle se concentre sur l'estimation des échanges de chaleur entre un puits de congélation et le terrain environnant. Le modèle thermo-hydraulique, en plus d'être cohérent sur le plan thermodynamique, a été vérifié à la fois par rapport à des solutions analytiques et par rapport à des résultats expérimentaux obtenus à grande échelle en conditions d'écoulements importants. Le modèle puits-terrain adopte une approche innovante par rapport à la bibliographie. Il permet de déterminer les conditions aux limites des modèles de congélation des terrains, difficiles à connaître en pratique, et d'optimiser les conditions opératoires du système grâce à des temps de simulation limités. De par les hypothèses considérées, leur fiabilité et leur praticité d'utilisation, ces deux modèles sont particulièrement adaptés à des sites industriels comme celui de la mine d'uranium de Cigar Lake (Canada) qui présente deux contraintes majeures : la présence potentielle d'écoulements importants et la forte hétérogénéité des terrains à congeler. Dans de tels contextes, des applications d'utilisation conjointe des deux modèles ou non sont présentées par rapport à des cas simples et au cas industriel de Cigar Lake. Ils peuvent ainsi être employés pour prédire l'évolution de la congélation dans le terrain en tenant compte des interactions thermo-hydrauliques, pour optimiser le système de congélation, ou encore pour évaluer l'impact sur la progression des zones congelées de conditions géologiques, hydrogéologiques et opératoires particulières. / Artificial ground freezing is a ground sealing and reinforcement technique regularly used in civil and mining engineering. In order to reliably predict the freezing evolution in the porous medium, this research offers two new numerical models allowing the simulation of the global problem of artificial ground freezing. A first model aims at representing the thermo-hydraulic coupled mechanisms associated with the material freezing while a second model focuses on the estimation of heat transfers between a freeze pipe and the surrounding ground. The thermo-hydraulic model, in addition to being thermodynamically consistent, has been verified both with respect to analytical solutions and large- scale experimental results obtained under conditions of high water flow velocity. The pipe-ground model adopts an innovative approach compared with literature. It allows to determine the boundary conditions of the ground freezing models, not readily available in practice, and to optimize the operating conditions of the system thanks to limited simulation times. By the considered assumptions, their reliability and their practicality, these two models are particularly well adapted to industrial sites like the uranium mine Cigar Lake (Canada) which presents two major constraints: the potential presence of high seepage-flow velocities and the strong ground heterogeneity. In these contexts, applications of the two models, jointly used or not, are presented with respect to simple cases and to the industrial case of Cigar Lake. They can be employed to predict the freezing evolution in the ground considering the thermo-hydraulic interactions, to optimize the freezing system, or to evaluate the impact of specific geological, hydrogeological and operating conditions on the freezing progress.

Le traitement des sols à la chaux est une méthode couramment utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques de sols aux performances insuffisantes. Cependant, ces améliorations mécaniques ne sont pas prises en compte dans les calculs de dimensionnement. Cette thèse propose une méthodologie pour pallier à ce problème. Un programme expérimental approfondi est réalisé afin de décrire avec précision le comportement mécanique d’un sol traité et les processus associés à la structuration introduite par le traitement. La composition chimique, et notamment la quantité de composés cimentaires hydratés, est déterminée par analyses thermogravimétriques et thermodifférentielles. Un couplage non-linéaire entre la quantité d’hydrates et la limite élastique se basant sur ces résultats expérimentaux est proposé. À partir de ces résultats, une nouvelle formulation a été développée afin de modéliser la dégradation de la structure en plasticité, et a servi au développement d’une nouvelle loi de comportement élasto-plastique basée sur le modèle de Cam Clay Modifié. Cette dernière a montré reproduire correctement les principaux traits de comportement spécifiques aux sols traités. Il est démontré que ce modèle est également adapté aux sols naturellement structurés. Afin de prendre en compte les effets du traitement et la présence de structure dans le dimensionnement, un programme basé sur la méthode des éléments finis, comprenant le pré- et le post-processing de la géométrie et des résultats du problème, a été développé. Une validation rigoureuse a confirmé l'implémentation correcte de la méthode et son potentiel pour l’optimisation du dimensionnement des ouvrages / The effects of lime treatment on the mechanical properties of soils are usually not accounted for in the design of geotechnical structures. As a result the potential of lime treatment has not been fully exploited. In this thesis, a comprehensive experimental program has been carried out to identity the key features of the mechanical behaviour of structured materials. The chemical modifications arising from lime treatment were quantified using thermal analysis methods. From these results a non-linear chemo-mechanical coupling was established between the concentration of cementitious compounds and the yield stress. Using these results, a new formulation to model the degradation of the structure at yield has been developed and implemented in a constitutive model for structured materials. This new model, developed in the framework of the Modified Cam Clay model, requires a limited number of additional parameters that all have a physical meaning and can all be determined from a single isotropic compression test. The model has proven to be successful in reproducing the key features of structured materials and for the modelling of the mechanical behaviour of lime treated specimens under various stress paths. Due to similarities in behaviour, it is shown that the formulation is also suitable for naturally structured soils. To account for a structured material in the design of geotechnical structures, a fully functional finite element program for elasto-plastic problems was developed including the pre- and post-processing of the results. A thorough validation has confirmed the good implementation of the finite element method and its suitability for the modelling of complex geometries involving structured materials