Partial saturation of porous rock by two fluids substantially affects compressional wave propagation. In particular, partial saturation causes significant attenuation and dispersion due to wave-induced fluid flow. Such flow arises when a passing wave induces different fluid pressures in regions of rock saturated by different fluids. When partial saturation is mesoscopic, i.e. existing on a length scale much greater than pore scale but less than wavelength scale, significant attenuation can arise for frequencies 10-1000 Hz. Models for attenuation and dispersion due to mesoscale heterogeneities mostly assume fluids are distributed in a regular way. Recent experiments indicate mesoscopic heterogeneities have less idealised distributions and distribution affects attenuation/dispersion. Thus, theoretical models are required to simulate effects due to realistic fluid distributions. / The thesis focus is to model attenuation and dispersion due to realistic mesoscopic fluid distributions and fluid contrasts. First X-ray tomographic images of partially saturated rock are analysed statistically to identify spatial measures useful for describing fluid distribution patterns. The correlation function and associated correlation length for a specific fluid type are shown to be of greatest utility. Next a new model, called 3DCRM (CRM stands for continuous random media) is derived, utilizing a correlation function to describe the fluid distribution pattern. It is a random media model, is accurate for small fluid contrast and approximate for large fluid contrast. Using 3DCRM attenuation and dispersion are shown to depend on fluid distribution. / Next a general framework for partial saturation called APS (acoustics of partial saturation) is extended enabling estimation of attenuation and dispersion due to arbitrary 1D/3D fluid distributions. The intent is to construct a versatile model enabling attenuation and dispersion to be estimated for arbitrary fluid distributions, contrasts and saturations. Two crucial parameters within APS called shape and frequency scaling parameters are modified via asymptotic analysis using several random media models (which are accurate for only certain contrasts in fluid bulk moduli and percent saturation). For valid fluid contrasts and saturations, which satisfy certain random media conditions there is good correspondence between modified APS and the random media models, hence showing that APS can be utilized to model attenuation and dispersion due to more realistic fluid distributions. / Finally I devise a numerical method to test the accuracy of the analytical shape parameters for a range of fluid distributions, saturations and contrasts. In particular, the analytical shape parameter for randomly distributed spheres was shown to be accurate for a large range of saturations and fluid contrasts.

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. / In order to analyse the role of partial saturation on direct P-waves phase velocity and attenuation, we performed a laboratory experiment in the kiloHertz range to avoid scale effects between field studies and traditional ultrasonic laboratory measurements. This experiment consists in a sand-filled tank equiped with accelerometers and water capacitance probes, were seismic propagation is generated by hitting a steel ball on a granite plate. Several imbibition/drainage cycles were performed between the water and gas residual saturations. Seismic data were processed by a Continuous Wavelet Transform using the complex Morlet wavelet which was numerically validated using a viscoelastic 2D code for wave propagation (Specfem2D). Phase velocity of direct P-wave decreases with the increase of water content, which is quite consistent with Biot-Gassmann-Wood (BGW) limit of the Biot's theory for both imbibition and drainage. This behaviour indicates that the fluid mixture (gaz and water) can be considered as an effective fluid, which is typical of field seismic applications. In this experiment, attenuation is very strong and cannot be fully explained by the macroscopic fluid flow of Biot's theory. It is necessary to introduce a viscoelastic contribution linked to the grain to grain overall losses, which are described by a constant Q-model. Moreover, hysteresis between imbibition and drainage are observed and explained by introducing an effective permeability of the mixture depending on water and gas relative permeabilities.

La propagation sismique dans les milieux poreux est classiquement associée à des phénomènes de dispersion et d’atténuation des ondes sous l’effet des mouvements fluides. Dans certaines conditions, celle-ci peut également être associée à une conversion d’énergie sismique en énergie électromagnétique dite « sismoélectrique ». La théorie des phénomènes sismoélectriques combinant la théorie de l’électrocinétique à la poroélasticité de Biot, repose en grande partie sur les développements de Pride (1994). Sur la base de ces développements théoriques, Pride et Haartsen (1996) relient le champ électrique cosismique à l’accélération sismique qui le génère par une fonction de transfert. Nous proposons une étude quantitative des couplages sismoélectriques en vue de valider la théorie de Pride et sa généralisation en milieu non saturé. Dans ce but, nous avons développé une expérience en laboratoire sur un sable de quartz non-consolidé, menée dans la gamme du kilohertz sur la base d’un dispositif d’acquisition électrique modulable. Deux méthodes de traitement des signaux sont proposées, l’une temporelle, l’autre spectrale, permettant d’obtenir une analyse complète des vitesses de phase, atténuations et fonctions de transfert. Les expériences réalisées se sont focalisées sur l’étude du rôle de la conductivité du fluide et de la saturation en eau dans le phénomène sismoélectrique cosismique. Une étude time-lapse a ainsi pu être réalisée dans des situations de changements de salinité et de teneur en eau. Dans tous les contextes, l’étude quantitative des rapports d’amplitudes des champs sismoélectriques et sismiques E/ü montre une bonne corrélation avec les prédictions théoriques. Par ailleurs, l’étude des variations de saturation dans une gamme allant de la saturation résiduelle en eau (Sw = 0.3) à la saturation totale, montre que: i) les atténuations et fonctions de transfert ont des comportements reliés à la distribution des fluides qui influencent fortement les propriétés mécaniques du milieu ; ii) une inversion de polarité du champ sismoélectrique peut être observée dans le cas très particulier des milieux non consolidés. / Seismic propagation within porous media is usually associated with wave attenuation and dispersion phenomena related to fluid flow. Under certain circumstances, it may also be correlated to a conversion of seismic into electromagnetic energy known as “seismoelectric”. The understanding of seismoelectric phenomena, combining the theory of electrokinetic to Biot’s poroelasticity, relies mainly on the formulation by Pride (1994). On basis of these theoretical developments, Pride and Haartsen (1996) defined a transfer function expressing the link between the coseismic seismoelectric field and the seismic acceleration at its origin. We propose a quantitative analysis of coseismic seismoelectric couplings with the purpose of validating Pride’s theory and generalizing it to partially saturated media. With this aim in view we developed a laboratory experiment involving an adjustable device for electric acquisitions, conducted within the kilohertz range on unconsolidated quartz sand. Experimental data were subsequently processed in both time and frequency domains, enabling a full analysis that embraces phase velocities, attenuations and transfer functions. The conducted experiments focused on the impact of fluid conductivity and water saturation with regard to the coseismic seismoelectric phenomenon. Time-lapse monitoring were accordingly run under varying salinity or water content. In all scenarios, the quantitative analysis of the electric-to-seismic amplitude ratio E/ü appeared in good agreement with theoretical projections. Moreover, investigations of saturation variations, ranging from the residual water saturation (Sw = 0.3) to full saturation, showed that: i) the behavior of attenuations and transfer functions are directly related to fluid distribution, that greatly impacts the mechanical properties of the medium; ii) in the very peculiar case of unconsolidated media, polarity inversion of the coseismic seismoelectric field may be experienced.

Cette thèse concerne de l’étude de composants passifs non-réciproque (circulateurs) fabriqué sur substrat LTCC ferrite. Les aimants externes utilisés dans les circulateurs classiques doivent créer un champ magnétique intense pour compenser le champs de démagnétisant dans le ferrite. Le nouveau circulateur présenté ici utilise une bobine intégrée dans le LTCC ferrite pour magnétiser le matériau de l'intérieur, pour réduire considérablement les effets des champs démagnétisants. Il est possible de contrôler le champ de polarisation rendant le dispositif multifonctionnel: lorsque la bobine est excitée par un courant, le dispositif fonctionne comme un circulateur dynamique dans lequel la direction de circulation peut être basculée en changeant la direction du courant. Si un aimant externe est placé sur le circulateur, sa fréquence de fonctionnement peut être accordée en ajustant le courant de polarisation. Contrairement à d'autres circulateurs LTCC avec aimants externes, le dispositif proposé peut même fonctionner comme un diviseur de puissance sans courant de polarisation. Un prototype de circulateur a été réalisé et caractérisé dans trois états: 1. démagnétisé, 2. Magnétisé par la bobine, 3. magnétisé par la bobine et des aimants externes. En l'absence de courant appliqué, la transmission de chaque port est d'environ -5 dB avec un coefficient de réflexion inférieur à -20 dB à 14,8 GHz. Quand un courant de 300 mA est injecté dans la bobine, les pertes d'insertion et l'isolation mesurées sont d'environ 3 dB et 8 dB, respectivement. Le coefficient de réflexion est inférieur à -20 dB à 14,2 GHz. Lorsque les aimants externes sont ajoutés avec un courant de 200 mA, les pertes d'insertion et l'isolation a été améliorée à 1,6 dB et 23 dB, respectivement à 14,2 GHz. La variation de la fréquence de travail du circulateur est de 0,6 GHz. Elle est due par la variation de l'aimantation M interne lorsque le courant est inférieur à 120 mA, puis par l’augmentation de la température créée par le courant dans la bobine. La taille (L * W * H) totale du circulateur réalisé est de 8mm * 8mm *1.1mm. Ce travail monte qu’il est possible d’intégrer (MMIC) sur un substrat LTCC ferrite des circuits passifs non-réciproques / This thesis investigates passive non-reciprocal components (mainly circulators) based on ferrite Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) substrate. The external magnets used in conventional circulators must be strong to overcome the ferrite's demagnetization field. The novel circulator presented herein uses an embedded winding within the ferrite substrate to magnetize the material from the inside, thereby significantly reducing the demagnetization effects. Because of the controllability of the bias field, the resulting device is also multifunctional: when the windings are energized by a current, the device operates as a dynamic circulator in which the circulation direction can be changed by switching the direction of the current. Unlike other LTCC circulators with external magnets, the proposed device can even operate as a power splitter by removing the bias current. A circulator prototype has been characterized in three states: unbiased, biased by winding and biased by winding and external magnets. When no current is applied, the transmission of each port is about -5 dB with return loss better than 20 dB at 14.8 GHz. When a current of 300 mA is injected into the winding, the measured insertion loss and isolation of the circulator is approximately 3 dB and 8 dB, respectively, whereas the return loss is better than 20 dB at 14.2 GHz. When external magnets are added in addition to the current of 200 mA, the insertion loss and isolation is improved to 1.6 dB and 23 dB, respectively at 14.2 GHz. The variation of the circulator's working frequency is 0.6 GHz. This is achieved firstly by the change of internal magnetization M when current is less than 120 mA, then the heat in the substrate due to the winding introduces more frequency shifting. The total size (L*W*H) is 8mm*8mm*1.1mm

La question de limpact des transferts de gaz sur le comportement poro-mécanique des matériaux argileux se révèle être un axe de recherches essentiel pour sassurer de la faisabilité des solutions denfouissements de déchets radioactifs dans des couches géologiques profondes. En effet, que ce soit la ventilation permanente des galeries ou la migration du gaz produit par corrosion des composants métalliques, les écoulements de gaz influencent la distribution des pressions de pores dans le massif. Les importants couplages hydro-mécaniques affectent dès lors la roche hôte argileuses, que ce soit par une modification de létendue et des caractéristiques de la zone endommagée à proximité de la paroi suite à une désaturation accentuée par la ventilation ou par le développement dans le massif de chemins préférentiels découlement suite à une rapide et forte montée en pression de gaz. Ces sollicitations peuvent induire des changements importants dans les caractéristiques de la barrière de confinement et compromettre lisolation des matières radioactives. Face au besoin de comprendre et de quantifier ces phénomènes, notre travail se propose dapporter des éléments de réponses dans les domaines de lexpérimental, du développement de modèles constitutifs mais surtout dans la modélisation hydro-mécanique des problèmes de transferts de gaz dans les roches argileuses dans un code aux éléments finis. Linteraction entre un matériau poreux et latmosphère qui lentoure a été étudiée tout dabord dun point de vue expérimental, en développant des essais des essais de séchage convectif. Ces essais ont été analysés sur base dune approche novatrice en géomécanique, basée sur lexistence dune couche limite en surface contrôlant les échanges de vapeur deau et de chaleur avec lextérieur. Une condition limite thermo-hydraulique non conventionnelle a ensuite été développée et introduite dans un code aux éléments finis et permet de reproduire les échanges observés en surface. Des modélisations de validation de la condition limite et dapplication dans un problème proche de celui rencontré dans le contexte du stockage de déchets radioactifs permettent enfin de mettre clairement en évidence linfluence des coefficients de transfert de la couche limite sur le comportement mécanique du massif rocheux. Les essais d'injection de gaz sur le long terme dans les matériaux argileux indiquent des instabilités dans les écoulements qui sont certainement associées à des ouvertures et des fermetures de chemins localisés à travers l'échantillon. Ces ouvertures/fermetures pourraient résulter d'une combinaison de plusieurs processus : outre les effets capillaires, il semble nécessaire de prendre en compte un fort couplage avec la mécanique. Les modèles classiques qui reposent sur une approche biphasique continue des écoulements ne permettent en effet pas la reproduction de tels comportements. Un couplage hydro-mécanique supplémentaire est proposé en considérant une évolution de la perméabilité et de la courbe de rétention avec les déformations. La simulation de deux essais en laboratoire montre quun tel modèle semble être une piste intéressante pour reproduire des chemins localisés et plus conducteurs observés expérimentalement, mais cela nécessite d'avoir une description complémentaire sur l'origine de la localisation de la migration du gaz dans les matériaux argileux. Plusieurs exemples mettent également en évidence limportance dune détermination expérimentale précise de la courbe de rétention et de la perméabilité au gaz dans la zone quasi saturée, ce qui est actuellement rendu délicat et complexe par les méthodes expérimentales à notre disposition.

L’accident de Fukushima a démontré qu’aujourd’hui encore, malgré les progrès déjà réalisésdans le domaine de la sûreté nucléaire, une interruption prolongée du circuit de refroidissement primaire du réacteur (plusieurs semaines ici) était possible. La France s’est par conséquent vue contrainte de réévaluer le niveau de sûreté de ses centrales. Plus spécifiquement, le cas le plus défavorable qu’EDF considérait jusqu’alors, qui consistait en un arrêt total du système de refroidissement primaire de 24h, a été réévalué à deux semaines. Ce changement d’échelle temporelle a introduit des problématiques de fluage, d’évolution hygrométrique du béton ainsi que de flux de vapeur – celle-ci transportant les radionucléides – jusque-là laissées de côté. De ces considérations est né le projet ANR/RSNR MACENA (MAîtrise du Confinement d’une ENceinte en Accident), qui vise à évaluer le confinement d’une enceinte soumise à une température de 180°C et à une pression de 5 bar pendant deux semaines. Ce travail s’inscrit dans la lignée de celui entamé par Khaddour [2014] dans le but de parvenir à une meilleure prédiction des propriétés de transport des milieux poreux en se basant uniquement sur une caractérisation indirecte, la distribution des tailles de pore obtenue grâce à la technique de porosimétrie par intrusion de mercure. Si l’aptitude du modèle initial à estimer correctement les perméabilités intrinsèques a été confirmée sur des matériaux représentant une large gamme de perméabilités, il n’était pas, en l’état, capable de prédire les perméabilités relatives au gaz et au liquide. C’est pourquoi une approche dite redistributive a été développée, laquelle a montré de bons résultats sur diverses PSD. Enfin, un nouveau modèle a été développé pour essayer de s’affranchir de cette approche tout en améliorant la capacité à déterminer les perméabilités relatives. Bien qu’efficace sur des PSD monomodales, étroites ou larges, il a montré ses limites sur une PSD réelle bimodale. En parallèle, une étude de faisabilité a exhibé la possibilité de suivre un front de saturation à l’intérieur d’un matériau poreux, ce qui permettrait à terme de valider l’inclusion d’autres phénomènes dans le modèle, liés notamment à la pression de perçage. / The Fukushima catastrophe that struck Japan in 2011 demonstrated that despite significant progress in the field of nuclear safety a prolonged reactor primary cooling circuit breakdown was possible (several weeks in this specific case). With 4 nuclear power plants located on its shoreline, France therefore needed to reassess the safety level of its facilities. More specifically, the worst case scenario considered up until that point by EdF — which consisted in a 24h breakdown of the primary cooling system — was revised up to two weeks. This time-scale shift induced creep, drying and vapour flow problems previously left aside. Thus came to be the ANR/RSNR MACENA (MAîtrise du Confinement d’une ENceinte en Accident) project, which aims at bettering the tightness assessment of a nuclear containment vessel submitted to a temperature of 180°C and to a pressure of 5 bar for two weeks. This work falls in line with that initiated by Khaddour [2014], who set out to better predict porous materials’ transport properties based solely on an indirect characterisation of their topology, namely Pore Size Distribution (PSD) which is obtained via an experimental technique called Mercury Intrusion Porosimetry (MIP). The initial model’s ability to correctly estimate intrinsic permeabilities was confirmed on several different materials whose intrinsic permeabilities span several orders of magnitude. However, it was not fit to accurately account for gas and liquid relative permeabilities. This led to the introduction of a so-called redistributive approach, which yielded better results on various PSD and corresponding experimental datasets. Finally, a new model was developed to try and avoid said approach while bettering relative permeability predictions. Although it behaved well with monomodal pore size distributions, be they wide or narrow, it fell short when applied to a real bimodal PSD. In parallel, an experimental feasibility study demonstrated the possibility of tracking a saturation front within a porous material, which should ultimately allow for the implementation of several other phenomena into the model, linked among others to breakthrough capillary pressure.

La construcción de coberturas en zonas alto andinas se ha convertido en una pieza clave para disminuir los pasivos ambientales y, a la vez, contribuir el desarrollo del país gracias a la minería. Gran parte del terreno en estas zonas son suelos arcillosos cuyo comportamiento es impredecible porque presentan cambios de volumen abruptos según la variación de saturación del suelo. Quienes transitan por carreteras en taludes de este tipo de suelo, corren alto riesgo debido al deslizamiento que sufren los taludes cada año. En este tipo de taludes se producen deslizamientos cuando el suelo arcilloso se encuentra parcialmente saturado, ya que en estas condiciones el suelo no es estable. Por ello, se realizaron los estudios de estabilidad de taludes de suelo parcialmente saturado con el método de talud infinito. Se construyó la envolvente de falla del suelo parcialmente saturado con los valores del ensayo del papel filtro y corte directo de acuerdo con la saturación a la que se encuentre sometido. Estos valores serán importantes para el cálculo del factor de seguridad, el cual se obtuvo a partir de una hoja de cálculo propuesta en esta investigación. Finalmente, se validó la hoja de cálculo con el software Geostudio donde se obtuvo una variación dentro del rango de significancia +-5%. Se concluyó que el análisis de estabilidad de talud de cobertura de un suelo parcialmente saturado proporciona un valor de factor de seguridad a partir de un análisis que simula con mayor exactitud el comportamiento del suelo. / The construction of hedges in high Andean areas has become a key element in reducing environmental liabilities and, at the same time, contributing to the development of the country thanks to mining. Much of the terrain in these areas is clay soils whose behavior is unpredictable because they present abrupt volume changes depending on the variation in soil saturation. Those who travel on roads on slopes of this type of soil are at high risk due to the landslide suffered by the slopes every year. In this type of slopes, landslides occur when the clay soil is partially saturated, since under these conditions the soil is not stable. For this reason, the stability studies of partially saturated soil slopes were carried out with the infinite slope method. The partially saturated soil failure envelope was constructed with the values ​​of the filter paper test and direct cut according to the saturation to which it is subjected. These values ​​will be important for the calculation of the safety factor, which was obtained from a spreadsheet proposed in this investigation. Finally, the spreadsheet was validated with the Geostudio software, where a variation was obtained within the range of significance + -5%. It was concluded that the slope stability analysis of a partially saturated soil cover provides a factor of safety value from an analysis that more accurately simulates soil behavior. / Tesis