Ce travail a pour objectif d'identifier et de modéliser les mécanismes physico-chimiques régissant les écoulements d'eau et les transferts de solutés dans un milieu poreux consolidé fissuré.<br />Un dispositif expérimental original a été mis en place, où un milieu fissuré modèle est reproduit en empilant des cubes poreux consolidés de 5 cm de côté : le « cube ». En parallèle, des études sont menées sur des colonnes du milieu poreux consolidé homogène. La même technique de traçage anionique est utilisée dans les deux cas. Selon une approche de dynamique des systèmes, on sollicite le dispositif avec des créneaux de concentration en traceur, pour obtenir des courbes de percée. Après avoir identifié bilan de masse et temps de séjour, nous avons calé les modèles CD et MIM sur les données expérimentales. <br />Le modèle MIM permet de reproduire les courbes expérimentales sur le milieu poreux consolidé homogène de façon plus satisfaisante que le modèle CD. On obtient une fraction d'eau mobile en cohérence avec la géométrie du milieu poreux. L'étude de l'influence de la vitesse de l'écoulement met en évidence un régime de dispersion d'interférence. L'influence de la longueur d'observation n'a pas pu être mise en évidence dans ce cas.<br />Nous avons par contre mis en évidence un effet de l'échelle d'observation sur le milieu poreux et fissuré en comparant les résultats obtenus sur un petit « cube » et un grand « cube ». Le modèle CD n'est pas satisfaisant dans ce cas. Si le modèle MIM permet de reproduire les courbes de percée expérimentales, il n'a pas été possible de caler des paramètres uniques pour toutes les expériences.

Ce travail concerne l'utilisation de la technique de Fracturation Hydraulique (FH) pour exploiter l'énergie géothermique des réservoirs profonds de roches sèches chaudes (HDR). La fracturation hydraulique est réalisée par injection de fluides géothermiques dans des réservoirs partiellement fracturés de faible perméabilité. Les fluides à haute pression sont destinés à faire évoluer les fissures et leur connectivité. Les valeurs de débit/pression auxquelles les fluides géothermiques doivent être pompés, ainsi que le calendrier de pompage pour initier la fracturation hydraulique, dépendent principalement des conditions géostatiques existantes (contraintes géostatiques, pression fluide et température initiales de l'HDR) ainsi que des propriétés des fissures de l'HDR (longueur, épaisseur, densité et distribution directionnelle initiales moyennes de fissures). Tous ces éléments, en sus de leurs effets sur la stabilité des forages, sont analysés dans cette recherche. Des modèles de fracturation, qui sont capables de suivre l'évolution des fissures dans toutes les orientations spatiales possibles, sont utilisés pour obtenir le tenseur anisotrope de perméabilité. Ces modèles sont intégrés dans un code domestique d'éléments finis qui est développé pour résoudre des problèmes aux limites thermo-poroélastiques. Pour supprimer/diminuer les oscillations qui accompagnent les solutions paraboliques et/ou hyperboliques lors de la convection forcée, plusieurs techniques de stabilisation ont dû être implémentées.

Il existe plusieurs modèles mathématiques pour décrire le comportement dynamique et acoustique des matériaux poreux. Ces modèles se basent sur l'introduction de plusieurs paramètres géométriques décrivant la structure du matériau poreux. La porosité, la résistivité statique, la tortuosité, les longueurs caractéristiques visqueuse et thermique et la perméabilité thermique sont les paramètres géométriques utilisés par exemple dans le modèle de Johnson-Lafarge. La détermination de ces six paramètres est un problème délicat, mais pourtant nécessaire pour la modélisation des matériaux poreux.Il existe des méthodes directes pour mesurer ces paramètres qui peuvent être plus ou moins couteuses et efficaces. Une alternative efficace et accessible aux méthodes directes est la méthode inverse qui est le sujet de ce mémoire. Cette méthode consiste à utiliser les données recueillies par un tube d'impédance, comme l'impédance de surface, pour remonter aux paramètres géométriques par inversion du modèle de Johnson-Lafarge.

Au cours de ce travail, un dispositif de mesure couplé manométrique-calorimétrique a été développé pour déterminer simultanément les isothermes et les enthalpies d'adsorption dans des intervalles élevés de pression et température. Ce dispositif couplé comprend un calorimètre Calvet C80 (de setaram) associé à un dispositif manométrique développé in-situ. Il permet d'étudier les phénomènes d'adsorption de gaz sur des solides poreux pour des températures comprises entre 303.15K à 423.15K et des pressions comprises entre 0 et 2.5MPa. Dans un premier temps, une description complète de l'appareillage et des protocoles expérimentaux sont exposés. Dans un second temps, la fiabilité et la reproductibilité de ce dispositif a été testée en réalisant des mesures sur un échantillon poreux benchmark (Filtrasorb F400) à 318.15K. Les mesures ont été complétées, à différentes températures, avec celles obtenues par méthode gravimétrique afin d'établir des informations à haute température et haute pression. Ces dispositifs ont permis d'étudier l'adsorption de fluide supercritique (azote N2, méthane CH4, dioxyde de carbone CO2) dans des charbons actifs et des silices microporeuse ou mésoporeuse. L'adsorption du méthane dans une roche de type (TGR) a été également étudiée. Ces résultats expérimentaux sont utilisés pour l'étude des interactions fluide/substrat à prendre en compte dans la simulation moléculaire ou la théorie DFT.

La thèse vise à quantifier les effets de la variabilité spatiale d'un milieux poreux sur l'évolution d'un système géochimique. Les réactions de dissolution ou de précipitation des minéraux modifient la structure microscopique du milieu, et par suite les caractéristiques hydrodynamiques du système, notamment la perméabilité. La variabilité spatiale du milieu initial peut-elle alors être à l'origine de la formation de digitations ou de chenaux ? La première partie traite du changement d'échelle, pour le passage d'une simulation géostatistique sur grille fine au calcul de transport sur un maillage plus grossier. Dans le cas du code Hytec, qui utilise un schéma aux volumes finis fondé sur une discrétisation en polygones de Voronoï, plusieurs méthodes de calcul de la perméabilité équivalente sont comparées, suivant différents critères. La deuxième partie aborde les calculs de transport réactif sur une famille de simulations géostatistiques du milieu. L'influence de la variabilité spatiale initiale sur l'évolution des systèmes est quantifiée à l'aide d'observables adaptées. Deux réactions distinctes sont étudiées, un cas de dissolution, de façon approfondie, et, plus rapidement, un cas de précipitation tendant au rééquilibrage du système.

La mouillabilité mixte ou partielle dans les milieux poreux influe considérablement sur le comportement des écoulements diphasiques. Dans le monde, la plupart des réserves pétrolières se situent dans des réservoirs possédant une mouillabilité hétérogène. Des études détaillées de l'influence de la mouillabilité partielle sur le comportement des écoulements dans les milieux poreux de type modèle micro fluidique sont par conséquent d'un intérêt majeur, tant pour la recherche fondamentale que pour les études appliquées. Nous avons développé une nouvelle technique permettant pour la première fois la modification et la structuration de la mouillabilité de surface dans les systèmes micro fluidique de type complexe, système d'une grande homogénéité et de haute qualité fabriqué en poly(dimethylsiloxane) (PDMS). Ces progrès obtenus dans le traitement des surfaces, nous ont permis d'étudier l'influence de la mouillabilité partielle sur le comportement des écoulements diphasiques et d'observer de nouveaux régimes d'écoulements. L'observation des régimes d'écoulement particuliers en fonction de la mouillabilité dans des carottes de roche nous a permis de développer une nouvelle technique de détection basée sur une visualisation optique de celle-ci. Ce concept de mesure d'écoulements par visualisation optique à l'échelle du pore fut étendu et un nouvel outil d'imagerie microscopique a été développé.

L'objectif de cette thèse est l'étude du problème de Cauchy pour les solutions faibles de trois problèmes (systèmes paraboliques dégénérés et fortement couplés) modélisant des écoulements diphasiques et compressibles en milieu poreux. La motivation de ce travail est un "benchmark" du GNR MoMaS pour l'étude de l'impact de l'écoulement du gaz d\^{u} à la corrosion des matériaux ferreux dans un site de stockage de déchets radioactifs. Cette thèse est divisée en trois chapitres indépendants. Premièrement, on s'intéresse à l'analyse mathématique d'un problème modélisant l'écoulement de deux phases immiscibles et en considérant qu'une phase est compressible et l'autre est incompressible (eau/gaz). Deuxièmement, on traite le cas général du déplacement de deux fluides compressibles et immiscibles dans un milieu poreux. Enfin, le dernier chapitre est consacré à la construction et à la convergence de la méthode des volumes finis pour le système eau-gaz sous l'hypothèse que la densité du gaz est une fonction de la pression globale.

Cette thèse porte sur l'étude du comportement hydromécanique des déchets biodégradables à deux échelles : au laboratoire et dans les sites de stockage. Après une introduction sur les Installations de Stockage et le traitement final des déchets(Chapt.1), les paramètres physiques, mécaniques et hydrauliques sont définis par analogie avec les milieux granulaires(Chapt.2).Les recherches présentées se rapportent d'une part aux propriétés de transfert et d'autre part aux propriétés mécaniques d'un déchet biodégradable. Des essais originaux de compression-perméabilité au gaz ont été réalisés sur des déchets jeunes et des déchets biodégradés au laboratoire dans le but de mesurer l'évolution de la conductivité au gaz en fonction du tassement et du degré de saturation en lixiviat (Chapt.3). Ces essais permettent de valider le modèle de double porosité proposé par Stoltz (Thèse 2009) (Chapt.4). Dans un deuxième temps, on s'intéresse aux propriétés mécaniques : une nouvelle version du logiciel ISPM est proposée, il s'agit d'un outil de modélisation destiné à la prévision du tassement des déchets -Olivier (Thèse 2003). Ce nouveau modèle appliqué à l'étude du tassement de deux alvéoles en service , a permis par méthode inverse de déterminer le coefficient de compressibilité secondaire de ces déchets (Chapt.5). Enfin, la résistance au cisaillement de déchets biodégradables issus de forages est caractérisée en fonction de différents paramètres d'état (Chapt.6) et ces valeurs sont utilisées pour un calcul de stabilité sur site.

Afin d'analyser le rôle de la saturation partielle sur la vitesse de phase et l'atténuation des ondes P directes, nous avons élaboré une expérience en laboratoire dans la gamme du kiloHertz. Celle-ci permet une corrélation avec les mesures de terrain et limite les effets d'échelle induits par l'utilisation des traditionnelles mesures ultrasoniques. Le montage expérimental est composé d'un container rempli de sable, équipé d'accéléromètres et de sondes de teneur en eau. Une propagation d'onde est générée par une source mécanique constituée d'une bille en métal frappant une plaque de granite. Plusieurs cycles d'imbibition/drainage sont réalisés entre les saturations résiduelles en eau et en air. Une transformée continue en ondelette a été choisie pour le traitement des données sismiques et validée numériquement par une simulation de propagation d'ondes dans un milieu viscoélastique 2D (code Specfem2D). En imbibition et en drainage, la vitesse de phase décroît avec l'augmentation de la saturation, ce qui peut être expliqué par la limite Biot-Gassmann-Wood (BGW) de la théorie de Biot. Ce comportement, typique des mesures de terrain, indique qu'il est possible de considérer le mélange de fluides (eau et air) comme un fluide effectif. L'interprétation de l'atténuation est plus complexe et ne peut être expliquée par le mécanisme de relaxation de flux macroscopique de la théorie de Biot. Il est nécessaire d'introduire une contribution viscoélastique reliée aux pertes frictionelles grain-à-grain et décrite par un modèle à Q constant. De plus, un hystérésis entre imbibition et drainage est observé et expliqué en introduisant une perméabilité effective du mélange, dépendante des perméabilités relatives à l'eau et à l'air.

Un des défis de la recherche appliquée au génie civil est l'optimisation de la durée de vie des matériaux et structures ainsi que la mise au point de méthodes de certification rapides, peu coûteuses et sûres. Dans ce contexte, la politique de surveillance des ouvrages d'art instaurée en France à partir du début des années 1980 a mis en évidence des dégradations dues à l'action du froid dans plusieurs régions et notamment en montagne. Par conséquent, un bon nombre de gestionnaires d'ouvrages sont confrontées aux conséquences, quelquefois très pénalisantes, des cycles de gel-dégel sur la durabilité du béton.<br />L'endommagement par le froid est une combinaison d'une micro-fissuration interne et d'un écaillage de surface. Ce dernier est largement augmenté en présence des sels de déverglaçage couramment utilisés afin de permettre une bonne praticabilité des routes en période hivernale.<br />L'objectif des travaux de recherche présentés dans ce mémoire est l'approfondissement de nos connaissances sur le comportement au gel-dégel de surface d'une structure poreuse en vue d'une prédiction de son comportement et de l'identification de paramètres matériaux clés relatifs à sa pérennité hivernale.<br />Pour cela, nous avons tout d'abord mené une étude à l'échelle du matériau afin de déterminer la (ou les) relation(s) permettant de caractériser à l'échelle macroscopique l'état de gel du milieu poreux à une température donnée. Dans le cas d'un système réversible, la relation mesurable entre la proportion de glace de glace formée et la température, identifiable à une fonction d'état thermodynamique, est suffisante. Afin de la mesurer, un dispositif basé sur une méthode capacitive a été mis au point. L'utilisation de cette méthode repose, dans le cas d'un matériau poreux partiellement gelé, sur le contraste entre la constante diélectrique réelle de l'eau (entre 80 et 100) et de la glace Ih (environ 3) dans le domaine des hautes fréquences radio (entre 10 et 100 MHz) et pour des températures comprises entre -40°C et 0°C. Ainsi, tout changement de phase en milieu poreux se traduit par une variation sensible de la constante diélectrique globale du matériau testé et la proportion volumique de glace formée peut être estimée par un schéma d'homogénéisation multi-échelles.<br />La comparaison entre les résultats de gel-dégel obtenus par ce dispositif et ceux provenant de tests de sorption-désorption permet de conclure sur la prédictibilité de l'état de solidification d'un milieu poreux par des tests routiniers de sorption-désorption d'eau.<br />Etant en mesure de caractériser l'état de gel du milieu poreux soumis au froid, il devient possible d'étudier, par une approche macroscopique de type poromécanique des milieux continus, son comportement mécanique. Le scénario de comportement retenu est basé sur le couplage entre l'augmentation volumique de 9% accompagnant la transformation de l'eau en glace, les transferts d'eau non gelée au sein du réseau poreux et le comportement thermomécanique de chaque constituant. L'étude menée se limite au problème linéarisé d'une structure unidimensionnelle soumise à l'action du froid en surface. De plus, l'hypothèse des petits déplacements et des petites déformations est adoptée, ce qui borne strictement cette étude à l'apparition de la première fissure.<br />L'utilisation de ce modèle permet : (1) d'identifier l'origine de l'endommagement de surface (ou écaillage) observé expérimentalement sur des échantillons de ciments soumis à des cycles de gel-dégel sous fort gradient thermique, (2) de quantifier le rôle protecteur des vides d'air vis-à-vis de la résistance à l'écaillage.