L'objectif de ce travail est d'obtenir, par homogénéisation périodique, des modèles macroscopiques de transfert hydrique dans les milieux poreux partiellement saturés à partir des équations de transfert de l'eau liquide et de vapeur d'eau écrites à une échelle microscopique. La dimensionnalisation des équations fait apparaître naturellement des nombres sans dimension caractérisant les problèmes de transfert hydriques dans les milieux partiellement saturés. Nous nous sommes intéressés à trois différents régimes de transfert (diffusion de vapeur prédominante, couplage diffusion/convection, convection de l'eau liquide prédominante). Pour chaque modèle homogénéisé, nous avons obtenu une expression différente du tenseur de diffusion hydrique homogénéisé. Nous avons ensuite calculé les tenseurs de diffusion hydrique homogénéisés obtenus dans les deux régions hygroscopique et super-hygroscopique, sur des géométries plus ou moins complexes décrivant la microstructure en 2D et 3D. Des comparaisons avec des valeurs expérimentales ont été ensuite effectuées. Pour finir, une résolution numérique de l'équation de transfert hydrique macroscopique homogénéisée a été effectuée en se basant sur les données expérimentales d'un béton BHP.

L'objectif de ce travail est d'obtenir, par homogénéisation périodique, des modèles macroscopiques de transfert hydrique dans les milieux poreux partiellement saturés à partir des équations de transfert de l'eau liquide et de vapeur d'eau écrites à une échelle microscopique. La dimensionnalisation des équations fait apparaître naturellement des nombres sans dimension caractérisant les problèmes de transfert hydriques dans les milieux partiellement saturés. Nous nous sommes intéressés à trois différents régimes de transfert (diffusion de vapeur prédominante, couplage diffusion/convection, convection de l'eau liquide prédominante). Pour chaque modèle homogénéisé, nous avons obtenu une expression différente du tenseur de diffusion hydrique homogénéisé. Nous avons ensuite calculé les tenseurs de diffusion hydrique homogénéisés obtenus dans les deux régions hygroscopique et super-hygroscopique, sur des géométries plus ou moins complexes décrivant la microstructure en 2D et 3D. Des comparaisons avec des valeurs expérimentales ont été ensuite effectuées. Pour finir, une résolution numérique de l'équation de transfert hydrique macroscopique homogénéisée a été effectuée en se basant sur les données expérimentales d'un béton BHP. / We propose in this work to construct, by periodic homogenization, macroscopic models of moisture transfer in unsaturated porous media. To do this, the liquid water and water vapor transport equations are averaged from the microscopic scale. The dimensional analysis of transport equations naturally lets appear dimensionless numbers characterizing the moisture transfer in unsaturated porous media. Three different transfer regimes are addressed (predominant water vapor diffusion, coupling diffusion / convection, predominant liquid water convection). For each transfer regime, the associated homogenized moisture diffusion tensor has a different expression. Then, the homogenized moisture diffusion tensors are calculated in both hygroscopic and super-hygroscopic regions on several geometries with varying complexity, describing 2D and 3D microstructures. Comparisons with experimental values are also addressed. Finally, based on experimental data of a BHP concrete, a numerical resolution of the homogenized macroscopic moisture transfer equation is performed.

Au cours des conflits récents, les véhicules ont été sujet à des attaques impliquant une grande quantité d'explosif enterré. En général, les planchers sont visés, et leurs déformations absorbent une partie de l'énergie. Le véhicule subit également une impulsion, transmise par la détonation, qui peut blesser gravement les occupants. L'intensité de l'impulsion dépend principalement de trois paramètres: le degré de saturation du sol, la nature du sol dans lequel l'explosif est enterré, et la profondeur d'enfouissement de la charge. Les simulations numériques doivent reproduire le processus intégral de l'explosion, incluant l'initiale interaction entre la charge et le sol, l'expansion des produits de détonation, la propagation de l'onde de choc jusqu'au plancher du véhicule, et la grande déformation des projections de sol. L'information mécanique transmise jusqu'au niveau du plancher doit être suffisamment précise car les effets sur le véhicule constituent l'objectif des simulations. Développer un modèle constitutif de sol est par conséquent délicat.%délicat. un défi. tâche difficile. Le modèle de sol est visco-plastique avec un cap écrouissable, une surface de rupture pour limiter les contraintes de cisaillement et un cut off contre les contraintes excessives de tension. La surface de charge est entièrement lisse afin que les incréments de déformation plastique soient continus. Un mécanisme de rigidification est présenté pour tenir compte de la compression de l'air et des très grandes contraintes dans l'environnement immédiat de la charge. Le taux d'humidité du sol est également pris en compte. Deux séries d'essais ont été réalisés à DGA TT pour servir de référence pour les simulations numériques. Une première campagne a mis en jeu de petites quantités d'explosif à plusieurs profondeurs d'enfouissement. Les pressions aériennes ont été mesurées à plusieurs hauteurs et comparées aux simulations. Un moyen d'essai a été utilisé lors de la seconde campagne d'essais pour mesurer à la fois la déformation d'une plaque représentant un plancher de véhicule, mais aussi l'impulsion transmise par l'explosion enfouie. Un certain nombre de taux d'humidité, profondeurs d'enfouissement, épaisseurs de plaques et gardes au sol a été étudié. Au cours des essais, le sol STANAG, composé de sable et de graviers, défini dans l'AEP 55 relatif au STANAG 4569, a été utilisé. Des simulations Eulériennes ont été réalisées et sont en accord avec les résultats d'essais. Le rôle des trois parties de la surface de charge, des mécanismes de rigidification élastique et d'écrouissage plastique a été évalué. La masse volumique initiale du sol et la position initiale du cap sont les paramètres ayant la plus grande influence sur les pressions aériennes. Quant à l'impulsion, elle est principalement contrôlée par le degré de saturation du sol. / In recent conflicts, vehicles have been facing underbelly attacks involving a large quantity of buried explosive. A part of the energy is absorbed by the deformation of the belly. Still the vehicle is subjected to the impulse transmitted by the detonation which may severely injure occupants. The intensity of the impulse is highly dependent on three main parameters which are the degree of saturation of the soil, the nature of the soil in which the explosive is buried and the depth of burial of the charge. Computer simulations should follow the complete process of the explosion, including the early interaction of the charge with the soil, the expansion of the detonation products, the propagation of the shock wave up to the vehicle floor, and the large deformation of the soil projections. The mechanical information transmitted up to the floor level should be sufficiently accurate because the impact on the vehicle is the key target of the simulations. Developing a constitutive soil model is therefore a challenging task. The soil model is visco-plastic with a hardening cap surface, a failure surface to limit shear stresses and a cut off surface against excessive tension. The entire yield surface is smooth so that the plastic strain increments are continuous. A stiffening mechanism is introduced to account for air compression and accommodate the huge stresses in the immediate neighborhood of the charge. The water content of the soil is also taken into account. Two sets of experiments were carried out at DGA TT to serve as a reference for computer simulations. A first campaign involved small quantity of explosive at several depths of burial. The aerial pressures were measured at various heights and compared to simulations. The second set of experiments used a test rig to measure both the deformation of a floor simulating plate and the impulse transmitted by the buried explosion. A range of soil water contents, depths of burial of the explosive, plate thicknesses and stand off distances has been explored. For all the experiments, the sandy gravel STANAG soil defined in AEP 55 of STANAG 4569 has been used. Eulerian simulations were run and fit with these experiments. The roles of the three parts of the yield surface, of the elastic stiffening and plastic hardening mechanisms could be assessed. The initial soil density and the initial cap position were found to have the largest influence on aerial pressures. As for the impulse transmitted to the metallic plate, it was observed to be mostly controlled by the degree of saturation of the soil.

Dans cette thèse, on étudie les écoulements oscillatoires en milieux poreux (non saturés ou partiellement saturés) dus à des oscillations tidales des niveaux d'eau dans des milieux ouverts adjacents aux milieux poreux. L'étude est centrée sur le cas des plages de sable en hydrodynamique côtière, mais les applications concernent, potentiellement et plus généralement, les problèmes d'oscillation et de variation temporelle des niveaux d'eau dans des systèmes couplés, lorsque ceux-ci mettent en jeu des interactions entre les écoulements de sub-surface (milieux poreux) et les eaux de surface (milieux ouverts) : plages naturelles et artificielles; digues portuaires; barrages en terre; berges de fleuves; estuaires. Le forçage tidal des écoulements souterrains est représenté et modélisé ici, tant expérimentalement que numériquement, par une oscillation quasi-statique du niveau d'eau dans un réservoir externe ouvert, connecté au domaine poreux. On s'intéresse plus particulièrement aux écoulements verticaux forcés par une pression oscillatoire imposée au bas d'une colonne de sol. Sur le plan expérimental, ce type de forçage est obtenu par une machine à marée équipée d'un arbre rotatif. Au total, on utilise dans ce travail trois types d'approches (expérimentale, numérique, analytique), l'objectif étant d'étudier le mouvement vertical de la surface "libre" et l'écoulement non saturé sus-jacent, de façon à prendre en compte aussi bien les pertes de charge dans la zone saturée que les gradients de pression capillaire dans la zone non saturée. […] / In this thesis, we study hydrodynamic oscillations in porous bodies (unsaturated or partially saturated), due to tidal oscillations of water levels in adjacent open water bodies. The focus is on beach hydrodynamics, but potential applications concern, more generally, time varying and oscillating water levels in coupled systems involving subsurface / open water interactions (natural and artificial beaches, harbor dykes, earth dams, river banks, estuaries). The tidal forcing of groundwater is represented and modeled (both experimentally and numerically) by quasi-static oscillations of water levels in an open water reservoir connected to the porous medium. Specifically, we focus on vertical water movements forced by an oscillating pressure imposed at the bottom of a soil column. Experimentally, a rotating tide machine is used to achieve this forcing. Overall, we use three types of methods (experimental, numerical, analytical) to study the vertical motion of the groundwater table and the unsaturated flow above it, taking into account the vertical head drop in the saturated zone as well as capillary pressure gradients in the unsaturated zone. Laboratory experiments are conducted on vertical sand columns, with a tide machine to force water table oscillations, and with porous cup tensiometers to measure both positive pressures and suctions along the column (among other measurement methods). Numerical simulations of oscillatory water flow are implemented with the BIGFLOW 3D code (implicit finite volumes, with conjugate gradients for the matrix solver and modified Picard iterations for the nonlinear problem). In addition, an automatic calibration based on a genetic optimization algorithm is implemented for a given tidal frequency, to obtain the hydrodynamic parameters of the experimental soil. Calibrated simulations are then compared to experimental results for other non calibrated frequencies. Finally, a family of quasi-analytical multi-front solutions is developed for the tidal oscillation problem, as an extension of the Green-Ampt piston flow approximation, leading to nonlinear, non-autonomous systems of Ordinary Differential Equations with initial conditions (dynamical systems). The multi-front solutions are tested by comparing them with a refined finite volume solution of the Richards equation. Multi-front solutions are at least 100 times faster, and the match is quite good even for a loamy soil with strong capillary effects (the number of fronts required is small, no more than N≈ to 20 at most). A large set of multi-front simulations is then produced in order to analyze water table and flux fluctuations for a broad range of forcing frequencies. The results, analyzed in terms of means and amplitudes of hydrodynamic variables, indicate the existence, for each soil, of a characteristic frequency separating low frequency / high frequency flow regimes in the porous system.