Offshore on-bottom pipelines are subjected to cycles of thermal and pressure-induced axial expansion, which can cause them to buckle laterally. For an elegant and cost-effective solution, lateral buckling is allowed in a controlled manner. Of the various design parameters, the soil resistance has the greatest associated uncertainty. Previous studies of lateral pipe-soil interaction have used laboratory model tests and continuum-based numerical methods. However, they are economically and computationally expensive, and have mostly been restricted to pipes on undrained clay. To overcome this limitation, this thesis introduces the distinct element method (DEM) as a novel numerical tool for the study of lateral pipe-soil interaction for partially embedded offshore pipelines on sandy seabeds. The DEM directly models the particulate nature of sandy soils, allowing large displacements of discrete bodies and providing insights into the mechanics of the soil at a particle level. Pipe{soil interaction is studied by DEM analyses through four separate research stages: (i) mechanical characterisation of the soil, (ii) specimen preparation and pipeline implementation, (iii) small displacement pipe loading tests and (iv) large displacement pipe loading tests. The soil is modelled as an assembly of spherical particles exchanging contact forces, energy and momentum when they interact. At the microscopic scale, a novel moment-relative rotation contact law is introduced to account for the irregular shape of real sand grains. At a macroscopic scale, the mechanical behaviour of the sand is calibrated using experimental triaxial test data. Additional work includes the numerical preparation of a soil assembly and the implementation of a pipeline object in the open-source DEM code Yade. A novel specimen preparation technique is developed to assemble a homogeneous sample at a desired relative density. The pipeline is implemented as a cylindrical body with a continuously curved surface and a specific mass. Small displacement loading tests are performed, with a segment of the pipeline interacting with a 3D prismatic soil domain, replicating plane strain conditions. The influence of particle size, domain thickness, loading velocity and damping are investigated. The findings provide valuable recommendations for performing DEM simulations of this problem, balancing numerical accuracy and computational effort. Large displacement loading tests are performed to validate the DEM approach and to obtain detailed insights into the nature of the pipe-soil interaction. Monotonic vertical and lateral loading simulations are quantitatively compared with laboratory results. To replicate realistic loading conditions of the pipeline on the seabed, cyclic large displacement tests are also performed. Both the monotonic and the cyclic tests show a good level of agreement with experimental results obtained in previous research. Moreover, the numerical analyses provide insights into the evolution of particle motion and the failure mechanism within the soil.

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

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

Pour une meilleure gestion de l’eau, la Directive Cadre sur l’Eau requiert la prise en compte des relations entre les masses d’eau superficielles et souterraines. Dans ce cadre, la dynamique des échanges entre eaux de surface et eaux souterraines est étudiée, pour un aquifère alluvial du Rhône. Deux approches sont utilisées: une analyse des séries temporelles de niveaux de nappes et de rivières, à l’aide de techniques de traitement du signal, et des modèles d’écoulements numériques, déterministes, à base physique. Ces techniques sont mises en œuvre sur un secteur (Péage-de-Roussillon) à forts enjeux socio-économiques pour l’usage de la ressource en eau. Les résultats sont analysés du point de vue de leurs complémentarités.Une analyse en composantes principales, à partir des signaux piézométriques, a montré que les fluctuations de niveaux du Rhône expliquent la majeure partie des variations de niveau de la nappe. Les analyses corrélatoires et spectrales, ont permis de caractériser la relation existant entre les niveaux du Rhône et de la nappe. Des comportements particuliers de l’hydrosystème ont été identifiés : colmatage du fond des cours d’eau, écoulements transverses aux cours d’eau,…. Ces comportements ont ensuite pu être étudiés, plus en détail, à l’aide d’un modèle hydrodynamique de la nappe qui intègre un module de calcul des écoulements surfaciques. Le modèle permet également de quantifier les flux échangés entre la nappe et le cours d’eau. / For better water management, the Water Framework Directive requires to take into account the relationships between surface water and groundwater bodies.In this frame, the exchanges dynamic between surface water and groundwater is studied, for a Rhône alluvial aquifer. Two sets of tools are employed: a time series analysis of groundwater and rivers levels, using signal processing techniques, and numerical flow models, deterministic and physically based. These techniques are implemented on an area (Péage-de-Roussillon) with high socio-economic stakes regarding water resources. The complementarities among the results are analysed.A principal component analysis, based on piezometric head signals, showed that the fluctuations of the Rhône water level explain most of the groundwater variations. Correlative and spectral analysis were used to characterise the relationship between the Rhône and the groundwater level. Specific behaviours of the hydrosystem were identified: clogging of river beds, transversal flows below river beds,… These behaviours were then studied, in details, using a hydrodynamic model of the aquifer, which incorporates a surface runoff calculation module. The model also allows quantifying the exchange rates between rivers and groundwater.

La météorologie tropicale est un élément majeur pour le fonctionnement de l’atmosphère et pour le climat terrestre. Le satellite Megha-Tropiques regroupe des instruments de télédétection utilisant des algorithmes de restitution complexes. Cette thèse participe à la mise au point de stratégies de validation de ces algorithmes par l’acquisition d’une meilleure connaissance de la phase glacée des systèmes convectifs de méso-échelle (MCS) tropicaux, en s’appuyant sur la campagne de mesures réalisée à Niamey au Niger à l’été 2010. De nombreux MCS à fort contenu en glace (IWC, Ice Water Content) ont été documentés à la fois par une instrumentation aéroportée, et par des radars au sol. Les informations obtenues grâce aux sondes aéroportées, et l’utilisation d’une loi masse-diamètre permettent de calculer une valeur de réflectivité Zin-situ. Le développement d’une méthode de colocalisation des mesures réalisées par les radars sol sur la trajectoire de l’avion a abouti à la validation du calcul de Zin-situ. La relation entre la réflectivité et l’IWC n’a pas été clairement observée pour le radar-précipitation du MIT. De plus, l’IWC est mieux documenté avec un radar-nuage qu’avec un radar-précipitation car ce dernier est trop sensible aux cristaux de grande taille. Les mesures in-situ s’avèrent donc indispensables pour obtenir l’information microphysique utile à la validation des algorithmes de restitution satellites et elles ne peuvent pas être remplacées par des mesures de réflectivités effectuées depuis le sol. L’utilisation du modèle numérique WRF (Weather Research and Forecasting) pourrait également permettre de connaître au mieux les MCS. Pour le cas d’étude analysé dans cette thèse, la modélisation a généré une ligne de grains mais n’a pas reproduit correctement toutes les caractéristiques du MCS réellement observé. Des différences dynamiques et microphysiques sont apparues. L’analyse du champ de réflectivité simulé grâce aux CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) a montré une sous-estimation de la réflectivité par rapport aux observations. L’utilisation du schéma microphysique de Morrison, plus complexe que celui de Thompson initialement employé, n’a pas permis d’améliorer les résultats. Les performances du modèle WRF ne sont pas encore suffisantes pour aider à la validation des algorithmes de restitution satellites. / Tropical meteorology is a major issue for atmospheric physics and earth’s climate. The Megha-Tropiques satellite combines several teledetection instruments which need complex restitution algorithms. This work contributes to the development of validation’s strategies for these algorithms. This requires a better knowledge of the tropical mesoscale convective systems’ (MCS) ice phase. In this thesis, we use data from the Niamey’s (Niger) campaign, which took place during summer 2010. Numerous MCS with high Ice Water Content (IWC) were analyzed with an airborne instrumentation and ground radars. Reflectivity Zin-situ is calculated using airborne microphysic probes’ information and a mass-diameter relationship. A spatial and temporal interpolation technique is developed to colocalize the aircraft position with ground radar measurements. This method leads to the validation of Zin-situ calculation. The relationship between reflectivity and IWC is not satisfactory for the MIT precipitation radar. Moreover, the cloud radar gives better informations about the IWC than the precipitation radar. Indeed, precipitation radars are too sensitive to large ice crystals. Therefore, in-situ measurements are essential to get microphysic information in order to validate restitution algorithms used by satellites. They can’t be replaced by ground based reflectivity measurements. The WRF (Weather Research and Forecasting) model was used in order to get a better knowledge of MCS. In this work, we analyzed one case study. For this case, WRF generates a typical squall line but it doesn’t correctly reproduce every observed characteristics. Several dynamical and microphysical differences appear between simulation and observations. The simulated reflectivity field is analyzed by CFAD (Contoured Frequency by Altitude Diagrams) and it shows a general underestimated reflectivity compared to the observations. The Thompson microphysic scheme is replaced by the more complex Morrison scheme, but this modification doesn’t improve the results of the simulation. Consequently, the WRF model isn’t yet efficient enough to help with the restitution algorithms’ validation.

De nombreuses incertitudes interviennent lors de l’évaluation de l’aléa de départ des éboulements rocheux. Ce mémoire se propose de les étudier, en suivant la typologie de Baecher & Christian (2005) qui identifie (1) l’incertitude de décision, (2) l’incertitude de connaissance et (3) l’incertitude aléatoire. L’incertitude de décision intervient au travers de l’évaluation de l’aléa par expertise. Nous avons mis au point une expérimentation visant à étudier l’influence du niveau d’expertise de la personne en charge de l’étude et de la méthode utilisée (qualitative et quantitative) sur l’évaluation de l’aléa. Nous avons montré que l’utilisation d’une méthode qualitative permet de guider la pensée et de réduire la dispersion des niveaux d’aléas finaux, ce qui n’est pas le cas d’une méthode quantitative. Nous montrons également que dans des cas spectaculaires, l’expérience de l’ingénieur lui permet de ne pas surévaluer l’aléa, et que pour des cas plus classiques, il n’y a pas d’influence du niveau d’expertise dès lors que la méthode est suffisamment détaillée. L’incertitude aléatoire se manifeste par la variabilité temporelle des éboulements rocheux. Un travail sur des bases de données a été entrepris. Il a permis de mettre en évidence une corrélation statistique entre les éboulements rocheux et certains facteurs météorologiques (pluies et températures). Une méthode évaluant la probabilité d’occurrence des éboulements en fonction de l’intensité des pluies ou la valeur des températures a alors été développée. Elle peut être considérée comme un outil d’aide à la décision dans la gestion du risque. Un travail sur ces bases de données a également permis de montrer l’existence d’une composante de bruit de fond aléatoire, ne montrant aucune corrélation statistique, caractérisée par le fait que le temps qui sépare deux chutes de blocs suit une loi de Poisson. L’incertitude de connaissance résulte d’un manque d’informations concernant, en particulier, les facteurs préparatoires. Afin de mieux appréhender ces incertitudes, des modèles numériques (éléments distincts - UDEC) de glissement d’un bloc sur un plan incliné, dépendants de la présence et de la proportion de ponts rocheux, ont été réalisés. Ils ont permis de montrer l’existence de deux phases dans la rupture, contrôlées par les reports des contraintes le long du joint entre le bloc et le plan, à mesure que de la rupture des ponts rocheux se propage. Cependant, ces deux phases ne se retrouvent pas dans l’étude des déplacements du bloc. Nous montrons également l’influence de la position des ponts rocheux sur la vitesse de propagation de la rupture en fonction de la pente. Ces travaux fournissent un outil opérationnel et des indications sur le processus d’évaluation de l’aléa qui pourraient aider l’ingénieur en charge d’une étude d’aléa à justifier et à affiner son estimation / The present dissertation proposes to study uncertainties in rockfall hazard assessment process, on the basis of the Baecher & Christian typology (2005), which identifies (1) decision uncertainties, (2) knowledge uncertainties, and (3) natural variability. Decision uncertainties are due to the subjectivity of experts’ assessment. An experiment has been realized in order to evaluate the influence of the expertise level, and the chosen method (qualitative or quantitative) on the rockfall hazard. The rockfall hazard levels obtained by the qualitative method are quite uniform while the quantitative method produces more disparate results. We have shown that, classically, the expertise level has no influence on the assessment if the method is precisely detailed. In the case of spectacular sites, experts do not overestimate the hazard. The natural variability is associated to the temporal variability of the rockfalls. We have studied the statistical correlation between meteorological and rockfall databases. We have developed a method that takes into account the probability of occurrence of the studied triggering factor (rainfalls and temperatures). This new approach is easy to use, and also helps to determine the conditional probability of rockfall according to a given meteorological factor. This approach will help to optimize risk management in studied areas based on their meteorological conditions. A work on these databases also has allowed the unpredictability of the rockfalls to be highlighted. Indeed, the delay between two rockfalls follows a Poisson distribution. Knowledge uncertainties may concern the preparatory factors. We have studied them with numerical models of a rock block sliding along a planar joint, depending on the proportion and position of rock bridges (distinct elements - UDEC). Two stages of the failure process have been highlighted; they have been controlled by the stress redistribution induced by the failure, and the propagation of the rock bridges. However, these two phases are not identified when studying block displacements. We also have shown the influence of the position of rock bridges on the propagation of failure. This research provides an operational tool, and guidelines on assessment process that may help engineers in charge of a rockfall risk analysis to justify and refine the obtained risk estimations

Les produits structuraux (poutres, poteaux…etc) en bois de hêtre reconstitué par collage, notamment le Bois Massif Reconstitué (BMR) présentent un fort potentiel tant au niveau de la performance mécanique que de la ressource disponible par comparaison aux essences résineuses. Par ailleurs, les normes européennes actuelles sont rédigées pour les essences résineuses et l’usage du bois de hêtre en structures est limité à la classe de service 1 et aux produits d’intérieur et d’ameublement. Le marché français montre une forte augmentation de l’importation de produits structuraux en bois reconstitué par collage, principalement d’Allemagne et d’Autriche. Au-delà du potentiel de résistance mécanique du hêtre, son utilisation comme bois d’œuvre contribuera positivement au bilan carbone pour l’environnement, par la réduction des transports des bois d’importation. Cependant, pour un usage structural, les produits en hêtre reconstitué par collage nécessitent de passer par une évaluation de leur performance, notamment la fiabilité des aboutages. Cette thèse présente une méthodologie expérimentale et numérique permettant l’analyse du comportement mécanique des poutres en BMR. La démarche a été appliquée avec succès dans le cadre de poutres constituées de 2 à 3 lamelles avec ou sans aboutages. Dans ce contexte, nous avons également réalisé une étude paramétrique pour étudier l’influence de plusieurs paramètres sur la résistance des aboutages. En fin, nous avons formulé le problème d’optimisation de la géométrie de l’enture multiple afin d’augmenter la résistance des aboutages et donc la résistance globale des poutres en BMR / Nowadays, adhesively reconstituted products made of beech timber appear to be of increasing interest for structural purposes due to its high strength/stiffness properties as compared to the most soft-wood species. Furthermore, beech timber is not recognized by most standards for structural uses and restricted to service class 1 and only the furniture, interior joinery and do-it-yourself sectors are still the major users. The French market shows great increasing imports of adhesively reconstituted structural products from Germany and Austria. Moreover, the use of local species, like beech, for the production of reconstituted structural elements could be better for the carbon balance, since it reduces import transportation. However, despite the high mechanical performance of beech timber, adhesively reconstituted products need to meet some requirements, such as the performance of finger-joints. This thesis presents experimental and numerical approaches to deal with the mechanical behaviour of adhesively reconstituted beech beams, for structural purposes. Two-layer and three-layer beams with or without finger-joints have been considered and successfully studied. In addition, a parametrical study has been undertaken to study the influence of several parameters on the mechanical resistance of finger-joints. We, finally, proposed an optimization of the finger-jointing geometry in order to increase the resistance of finger-joints

The thesis deals with the issue of simulation of treated wastewater irrigation by the HYDRUS 2D software. The first part of the thesis is designed as a literary research of academic information and knowledge. It aims at introducing the issue of treated wastewater utilization for the purpose of the irrigation with an emphasis on the Czech Republic. The following is an overview of important hydropedological characteristics of soils, the theoretical basis of numerical modeling of movement and transport of solutes in soil and the use of HYDRUS 2D software. The practical part is based on theoretical knowledge and demonstrates the creating process of mathematical model in program HYDRUS 2D, simulating the transport of input pollution in the soil profile. Wastewater used for irrigation was treated using a system of mechanical pretreatment and horizontal filters planted with macrophytes situated on a CW Drazovce. This work describes the calibration and subsequent application of calibrated models for monitored pollution parameters NH4+-N, P-PO4-3 and COD.

This master thesis deals with a design of a Drevnovice tunnel primary lining at planned high speed rail corridor connecting Brno and Přerov. The whole design as well as defining of the most suitable tunnel excavation method are described. Thesis also contains a breakdown of the excavation, construction technology and the scheduling of geotechnical monitoring procedures. The Plaxis 2D program, based on the finite element method, was used to create numerical models of two cross sections of the Dřevnovice tunnel. Based on mathematical modeling outputs, a static calculation of the primary lining was calculated.

The bachelor´s thesis deals with numerical modelling of energy losses in pipes in 3D. It shows the process of creation of mathematical model, used mathematical equations and numerical methods of their solution. The theory is applied on the creation of pipe model and their energy losses with using different turbulent models.