L'objectif de ce travail consiste à étudier le comportement des argiles molles de Tunis et la détermination des caractéristiques physiques et mécaniques relevantes. En effet, l'identification des paramètres physiques, minéralogiques, sédimentologiques et mécaniques, d'une part, et l'étude du comportement des argiles molles de Tunis, d'autre part, nous a permis dans un premier volet d'estimer le degré de sensibilité de divers argiles molles de Tunis et de suggérer le processus qui a conféré à ces argiles leur métastabilité. Un modèle physique de développement de la sensibilité dans les argiles molles de Tunis a été élaboré. Les classifications (selon la sensibilité) suggérées par plusieurs auteurs, montrent une divergence des résultats. La proposition d'une classification propre aux argiles molles de Tunis a été élaborée. Dans un deuxième volet l'étude du comportement des argiles molles de Tunis a permis d'abord de confirmer le caractère métastable de ces argiles ; ensuite de trouver l'impact de la sensibilité sur le comportement (triaxial et oedométrique) des argiles molles de Tunis. Enfin une étude du domaine de validité de l'essai pressiométrique dans ces argiles molles de Tunis a montré une importante sous‐estimation du module de cisaillement initial par cette méthode.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire se situe dans le domaine de la géomécanique. Il a pour but l'étude du comportement différé des sols mous en confrontant les résultats obtenus par modélisation numérique aux expérimentations et observations sur site. Dans une première partie, l'état actuel des recherches concernant les principales actions menées sur l'interprétation du fluage (consolidation secondaire), dans le but d'estimer les déformations différées d'ouvrages. Cette présentation donne un aperçu historique de ce phénomène et les différentes méthodes proposées pour l'utilisation des résultats du fluage pour la construction en géotechnique. Dans une seconde partie, l'étude se penchera sur les essais au pressiomètre, ainsi que les essais au Diflupress. L.D, essai pressiométrique de longue durée développé pour l'étude in-situ du fluage. L'objectif de cette partie est de rappeler la complexité de la notion de module de déformation, notamment en fonction de l'amplitude des déformations. Dans une troisième partie, on présente les modèles de comportement, employés dans les simulations numériques. Puis, les modèles HSM (Hard Soil Model) et SSM (Soft Soil Model) dans le code Plaxis sont décrits avant de détailler le modèle SSCM (Soft Soil Creep Model) qui sera utilisé dans la suite de cette étude. Ce modèle est validé sur différents types d'ouvrages et différents sols fins. Dans une quatrième partie, nous présentons la simulation de l'essai pressiométrique, et nous étudions la dépendance du module pressiométrique ‘EM' et la pression limite ‘pl' en fonction de: des différents paramètres intrinsèques du sol (module de Young E ou de cisaillement G, coefficient de Poisson ν, angle de frottement φ, angle de dilatance Ψ, C cohésion, coefficient de terre au repos K0...), des caractéristiques géométriques de la sonde (diamètre, hauteur). Dans une cinquième partie, nous présentons la validation du modèle SSCM sur des essais homogènes de laboratoire (triaxial et oedomètre), et nous analysons le comportement de deux ouvrages en remblai et d'un grand radier.

Les géostructures énergétiques sont des ouvrages de génie civil qui intègrent un circuit de fluide caloporteur. Dans cette étude l’installation de circuits géothermiques dans des remblais est envisagé afin d’injecter ou d’extraire de la chaleur. Lors de la construction de ces remblais, deux paramètres sont à contrôler : la teneur en eau w (%) et la masse volumique sèche rd (Mg/m3). Ces deux paramètres ainsi que la nature du sol, le chargement appliqué et la variation cyclique de la température pourraient influencer la capacité de stockage et la stabilité du système. Après une partie synthétisant l’état de l’art sur ces thématiques, cette thèse comprend une partie expérimentale puis une partie numérique appliquée à un cas test de stockage. Dans la partie expérimentale, l’influence de la variation de température induite par l’échange thermique sur les propriétés thermiques et mécaniques du sol est étudiée. Pour cela des essais sont réalisés en laboratoire sur un limon du bassin parisien compacté et soumis à une gamme de variation de température de 20° à 50°C. Les effets de ces variations sur les paramètres mécaniques et les paramètres thermiques sont mesurés. Les résultats obtenus montrent une évolution des paramètres thermiques du matériau du côté sec de la courbe de compactage, particulièrement visible pour les températures importantes. La réversibilité de l’effet du chauffage est obtenue après plusieurs cycles de chauffage-refroidissement. Les propriétés mécaniques mesurées sont la résistance à la compression simple et les paramètres pressiométriques. Pour cela, des essais en laboratoire, à l’échelle métrique, sont réalisés. Un ramollissement du sol sous l’effet du chauffage et une rigidification sous l’effet des cycles thermiques sont constatés. Pour optimiser le système du stockage, une modélisation thermo-hydrique d’un remblai modèle réalisé avec le limon de Plaisir compacté légèrement du côté humide de l’optimum Proctor est effectuée. La comparaison des cas tests a permis de déterminer l’entraxe qui minimise l’interaction entre les sondes thermiques, ainsi que la distance optimale entre les dernières sondes et le pied de remblai. Les scenarii d’injection/extraction étudiés ont montré que le stockage de chaleur dans le remblai est faisable en choisissant un programme thermique adéquat pour l’exploitation du stockage. La mise en place de plusieurs lits de sondes thermiques et d’une isolation thermique sur la partie supérieure du remblai de stockage permet d’augmenter la capacité du remblai à accumuler de la chaleur dans le noyau à la fin de la période de relaxation. La simulation de ce scénario sur 10 ans avec la prise en compte des cycles de température, montre un réchauffement du remblai sur plusieurs années jusqu’à atteindre une évolution équilibrée au bout de la 7 ème année. Arrivé à cet état d’équilibre, l’évolution des températures est reproductible d’une année sur l’autre / Energy geostructures are civil engineering structures equipped with energy exchanger elements in order to store heat seasonally. The aim of this study is the use of compacted soil to store energy through installation of horizontal exchangers in an embankment. During the soil compaction, two parameters were controlled: the water content w and the dry density ρd. This parameters as well as the soil nature, the mechanical load path and the cyclic temperature variation may affect the storage capacity and the system stability. This work includes an experimental part and a modeling part. In the experimental part, the impact of the temperature variation is studied on the thermal and mechanical properties of the compacted soil. The Plaisir loam (PL) extracted from the Paris region was investigated through laboratory tests at a temperatures range of 20 to 50°C. The results showed that the thermal properties of the compacted soils increased on the dry side of the compaction curve. This evolution was clearly confirmed for higher temperatures. The application of cyclic temperature variations showed reversible evolutions in the thermal properties after one cycle. The results of unconfined compressive tests and pressuremeter tests showed that heating induces a softening of the material whereas several temperature cycles induce a stiffening of the material. Thereafter, a coupled thermo-hydraulic modeling of an embankment made of the compacted Plaisir loam is performed in order to optimize the storage system. The comparison of different modelling results, fixed the temperature sensors spacing that minimizes the interactions between them, and the optimal distance between the last sensors and the bottom of the slope. It is shown that if an appropriate thermal program is chosen, the heat storage in the embankment could be possible. A better efficiency of the storage capacity can be reached by introducing 3 temperature sensors rows in the storage and by covering the storage with a thermal insulation. The simulation of this scenario over 10 years including temperature cycles shows a heating of the embankment for several years, until to reach an equilibrium state after the 7th year

Les géostructures énergétiques consistent à établir un échange thermique direct avec le sol grâce à des systèmes intégrés dans les fondations ou les structures géotechniques. L’incorporation des échangeurs de chaleur aux géostructures provoque une variation cyclique de la température du sol adjacent. Des questions se posent sur l'impact de ces variations thermiques sur les paramètres géotechniques des sols en général, et en particulier des sols sensibles argileux. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la quantification de l’impact de la variation de la température sur la capacité portante des pieux géothermiques. Actuellement, le dimensionnement des capacités portantes des fondations profondes est basé sur les résultats d’essais pénétrométriques ou pressiométriques. Des méthodes expérimentales ont été développées afin de permettre la réalisation de ces essais dans les conditions du laboratoire. Des essais mini-pénétrométriques sont réalisés sur des éprouvettes compactées à différents états initiaux et soumises à des températures variant de 1 à 70 °C. Les résultats montrent une évolution sensible des paramètres étudiés, la résistance en pointe (qc) et le frottement latéral (fs), pour un matériau illitique, lorsqu’il est compacté du côté sec de l’optimum. Les essais mini-pressiométriques, réalisés sur des massifs de sol illitique compactés en modèle réduit d’échelle métrique dans une cuve thermo-régulée, ont montré une diminution de la pression de fluage (pf) et de la pression limite (pl) avec l’augmentation de la température, tandis que la variation du module pressiométrique (EM) est moins marquée. Les résultats montrent une quasi-réversibilité des effets d’un cycle de chauffage dans la gamme de température testée alors que l’effet d’un cycle de refroidissement n’est que partiellement réversible. Pour les essais soumis à plusieurs cycles thermiques, le premier cycle induit des variations de paramètres toujours plus importantes que les cycles suivants. Une analyse approfondie de l’évolution des propriétés thermiques (la conductivité thermique (λ), la capacité thermique volumique (Cv) et la diffusivité thermique (D)) des sols en fonction de la teneur en eau, de la masse volumique sèche et de la température montre une augmentation de ces paramètres avec l’augmentation de w et ρd et une augmentation de λ des éprouvettes illitiques du côté sec de l’optimum avec l’augmentation de la température de 1 à 70 °C. En résumé, pour les pieux énergétiques, les résultats obtenus en laboratoire montrent une modification de la capacité portante due à la variation des paramètres du sol illitique sous l’effet des cycles thermiques / Energy geostructures involve providing a direct heat exchange with the ground through integrated systems in the foundations or geotechnical structures. The incorporation of heat exchangers in geostructures produces a cyclic variation of the temperature in the adjacent soil. Therefore, there are important scientific questions about the effect of temperature variations on hydro-mechanical soil parameters in general, and particularly for sensitive clay soils. The main objective of this thesis is to improve the understanding and the quantification of the impact of temperature variation on the bearing capacity of geothermal piles. Currently, the design of the bearing capacity of deep foundations is based on the results of in situ penetrometer and pressuremeter tests. Herein, experimental methods are developed to carry out these tests in laboratory conditions. Mini-penetrometer tests were carried out on samples compacted at different initial states and subjected to temperature variations ranging from 1 to 70 °C. The results showed a significant change in the studied parameters: the cone resistance (qc) and the friction sleeve resistance (fs) for an illitic material compacted on the dry side of the compaction curve. Mini-pressuremeter tests performed on the same illitic compacted soil in a thermo-regulated metric scale container, showed a decrease in creep pressure (pf) and limit pressure (pl) with increasing temperature, while the variation of pressuremeter modulus (EM) is less pronounced. The results showed a quasi-reversibility of the effect of a heating cycle through the temperature range tested, while the effect of a cooling cycle was only partially reversible. In the case of several thermal cycles, the first cycle induced more important parameter variations than the subsequent cycles, and at the end of the experimentation. Further analysis of the evolution of the thermal properties (thermal conductivity (λ), heat capacity (Cv) and thermal diffusivity (D)) within heating and cooling process as a function of soil water content and dry density showed an increase of these parameters with the increase of initial values of w and ρd, and an increase of λ in the dry side of the compaction curve with increasing temperature from 1 to 70 °C. In summary, for the energy piles driven in the clay soils, some modifications in the bearing capacity have to be taken into account due to the variation of the hydro-mechanical parameters of the soil induced by thermal cycles

Les développements récents du génie civil créent de multiples problèmes d'interaction entre structures et sols. La compréhension du comportement des sols et des ouvrages et de leurs interactions joue donc un rôle croissant et important dans les études géotechniques. Cela suppose une estimation fiable et pertinente des caractéristiques de déformation et de résistance des sols. La détermination des paramètres mécaniques, notamment modules de déformation des sols et la connaissance de leur évolution des petites aux grandes déformations, et de leur variation suivant les chemins de contraintes deviennent donc des enjeux importants. Pour l'obtention de valeurs appropriées des paramètres caractérisant la rupture et la déformabilité, deux voies actuellement sont offertes :<br>- le prélèvement d'éprouvettes « intactes » et l'exécution d'essais sophistiqués en laboratoire,<br>- les essais sur le sol en place, plus ou moins rustiques. Ce mémoire de thèse expose une étude du comportement d'un sol argileux naturel prélevé sur le site expérimental de Cubzac-les-Ponts en combinant différents types de chargement aptes à explorer le domaine des petites déformations au moyen d'essais au laboratoire et in situ. L'idée est de réaliser des essais en laboratoire à l'aide d'appareils tels que l'oedomètre, l'appareil triaxial de précision avec système de mesure locale, les capteurs piézo-électriques et la colonne résonnante et les essais en place en utilisant des matériels innovants comme le pressiomètre autoforeur (P.A.F 2000), le triaxial in situ (T.I.S) et le système de tubage autoforé (S.T.A.F). Le programme d'essais en laboratoire a permis de déterminer la forme de la surface de charge et le comportement des sols lorsque le chemin de contraintes atteint cette surface, à analyser l'évolution des surfaces de charge en fonction de l'histoire de chargement du matériau et de la procédure d'essai ainsi la variation des modules de déformation en fonction du niveau des déformations, de la profondeur et du chemin de contraintes. Lors des essais réalisés en place, le pressiomètre autoforeur de nouvelle génération (P.A.F 2000), équipé de palpeurs et de géophones, a permis de déterminer un profil continu de modules de déformation des très petites déformations aux grandes déformations. Le triaxial in situ (T.I.S) a essayé de récréer in situ les conditions aux limites maîtrisées d'un essai triaxial de laboratoire et de réaliser des essais triaxiaux. Ce mémoire présente également une synthèse des données collectées avec différents types d'essais de laboratoire et en place des méthodes d'essais adaptés pour tester les différentes échelles de déformations ainsi que l'évolution des modules de déformation.

Parmi les techniques de renforcement des sols par inclusions, les micropieux offrent un très vaste champ d'application pour les fondations, les reprises en sous-oeuvre et la stabilisation des pentes et talus. La présente recherche qui fait partie du projet national FOREVER (Renforcement des Sols par Micropieux) a pour objet de modéliser le comportement des micropieux isolés ou en groupe, plus particulièrement développer des outils numériques permettant le calcul. Pour l'étude du comportement des micropieux isolés sous charge axiale, en prenant en compte deux modèles pour la mobilisation du frottement latéral et la résistance de pointe (modèle basé sur l'utilisation des résultats pressiométriques MENARD et modèle basé sur le mécanisme de cisaillement pur d'anneaux concentriques avec une nouvelle définition pour le rayon d'influence), trois micropieux d'essai en vraie grandeur réalisé sur le chantier du TGV Paris-Bruxelles (1994) sont analysés. Un modèle, dit modèle "Multizones", a été présenté et développé pour l'analyse non linéaire des micropieux isolés et chargés latéralement. Ce modèle basé sur le concept de rotule plastique, calcule l'expansion de la zone plastifiée le long du micropieu. Il est introduit dans le programme PILATE-LCPC, donnant le nouveau programme "PILATEP". Les résultats de PILATEP sont comparés avec ceux obtenus par la méthode des éléments finis (programme CESAR-LCPC) ainsi qu'avec des résultats d'essais en modèle réduit par MAHMOUD et BURLY (1994). Un nouveau modèle "hybride" de type "facteur z" et "facteur y" pour le calcul des groupes et des réseaux de micropieux est présenté. Ce modèle combine, d'une part, la méthode des fonctions de transfert de charge pour analyser chacun des micropieux du groupe (modèles 't-z' et 'p-y'), et d'autre part, les concepts du continuum élastique pour déterminer l'interaction entre les micropieux du groupe, appelée "effet de groupe". Ce modèle est introduit dans le programme GOUPIL-LCPC, donnant naissance au programme "GOUPEG". Afin de valider ce logiciel, on compare les résultats de GOUPEG aux résultats expérimentaux du groupe de trois micropieux en vraie grandeur (à Rueil-Malmaison, 1994). Dans un réseau, les micropieux sont chargés axialement et latéralement. Dans ce cas, le couplage entre les efforts axiaux et latéraux est étudié. Enfin, les résultats de GOUPEG sont comparés, avec succès, à ceux obtenus par les méthodes du continuum ainsi que par la méthode des éléments finis (programme CESAR-LCPC).

Cette recherche traite de l'interprétation des mesures des pressions interstitielles au cours des essais in situ au piézocone et au pressiomètre autoforeur en vue de la détermination des caractéristiques géotechniques des sols en place. L'interprétation des essais s'appuie essentiellement sur la modélisation du phénomène d'expansion de cavité provoquée par la sollicitation appliquée. Dans la première partie de ce rapport, on passe en revue les études antérieures concernant l'utilisation des mesures obtenues au piézocone. On tente à travers cette étude bibliographique de déterminer les paramètres principaux influençant la réponse du sol à la pénétration et les valeurs des surpressions interstitielles ; cela en analysant les résultats expérimentaux rapportés dans la littérature d'une part et ceux obtenus théoriquement d'autre part, en particulier à partir des approches d'interprétation en contraintes totales du phénomène d'expansion de cavité. La deuxième partie du rapport a pour objectif de tester différentes approches de modélisation en laboratoire, à partir d'essais d'expansion sur des échantillons annulaires sur un sol limoneux. Le type d'essai a été conçu de manière à obtenir une reproductibilité des résultats expérimentaux d'essais d'expansion sur un sol remanié dont les caractéristiques sont déterminées à partir d'essais triaxiaux sous des conditions aux limites bien définies. L'interprétation des essais a eu essentiellement pour objectif de vérifier les hypothèses des diverses approches de modélisation. On a considéré d'une part une approche en contraintes totales considérant un sol élastique parfaitement plastique avec le critère de Tresca et d'autre part une approche d'analyse en contraintes effectives. Cette dernière utilise un modèle relativement simple (GUERMAZI, 1985) considérant le sol comme un matériau élastoplastique écrouissable à loi d'écoulement non associée. On montre que l'approche de modélisation en contraintes totales permet de déterminer les caractéristiques du sol à court terme. La cohésion non drainée et le module de cisaillement sont comparables avec ceux obtenus aux essais triaxiaux. Cependant, il est nécessaire d'élaborer une approche en contraintes effectives pour une interprétation adéquate des mesures des surpressions interstitielles permettant une détermination des caractéristiques effectives du squelette du sol à savoir sa résistance au cisaillement, sa compressibilité et ses propriétés de contractance et/ou dilatance. Dans la troisième partie, la comparaison des résultats théoriques avec ceux obtenus au laboratoire montre que la détermination des caractéristiques du sol étudié est assez fiable. On montre ainsi que les caractéristiques effectives du squelette du sol ainsi obtenues sont en accord avec celles déterminées à partir d'autres types d'essais, in situ et en laboratoire. Dans la quatrième et dernière partie, on expose les différents essais effectués in situ au pénétromètre à tête piézoélectrique. Deux types de sites ont été testés ; d'une part des sols argileux relativement homogènes où l'effet du drainage partiel au cours de la pénétration pourrait être négligé, d'autre part des sols sableux où la perméabilité est assez importante et où l'hypothèse d'essai non drainé n'est plus vérifiée. Sur le premier type de sol, on a essayé de tester les approches de modélisation en contraintes totales du phénomène d'expansion de cavité. L'utilisation de paramètres adimensionnels a présenté un intérêt particulier pour la reconnaissance et la classification des sols. Sur le deuxième type de sol, en l'occurrence à DUNKERQUE où le site présente un intérêt particulier compte tenu de la présence des inclusions de sable lâche et dense entre des couches argileuses, on a utilisé une pointe permettant de mesurer d'une part la résistance de pointe et le frottement latéral, d'autre part les surpressions interstitielles sur la pointe et sur le manchon de frottement latéral et ceci au cours du même essai. On a insisté en particulier sur les résultats des études paramétriques concernant : - l'effet de la position de la cellule des mesures des surpressions interstitielles ; - l'effet de la vitesse d'enfoncement ; - l'effet du diamètre du cône. Ces essais ont permis de mettre en évidence l'effet de la position de la cellule sur les mesures des pressions interstitielles. Les mesures avec la cellule placée sur le manchon de frottement latéral semblent plus adéquates pour caractériser la susceptibilité des sables à se contracter ou à se dilater. Cependant, c'est la différence de comportement sur la pointe et sur le manchon du frottement latéral qui permet d'identifier les inclusions de sable à l'état lâche ou dense. Cela met en évidence l'intérêt du "dual" piézocone pour la détermination in situ du potentiel de liquéfaction des sols en place.

L'étude présentée dans ce mémoire se propose de réfléchir sur les relations existant entre une sollicitation homogène de laboratoire telle que l'essai triaxial classique, et une sollicitation non homogène telle que l'expansion de cavité cylindrique, le lien entre les deux types de sollicitation étant réalisé via un modèle de comportement. Ainsi, le premier chapitre constitue une étude bibliographique destinée à faire le point sur les éléments essentiels concernant la rhéologie des sables et sur les modèles de comportement actuellement utilisés. Le deuxième chapitre propose une nouvelle modélisation du comportement mécanique des sables qui s'inscrit entièrement dans le cadre élastoplastique et, dont l'objectif principal est de prendre en compte la notion de paramètre d'état (Been et Jefferies, 1985) et plus récemment d'indice d'état (Ishihara, 1993) sur le comportement de type lâche ou dense du sable. Le dernier chapitre, est consacré à l'étude des expansions de cavité à partir des modèles basés sur l'élastoplasticité généralisée (Zienkiewiez Pastor et Leung 1985). Ce modèle est tout d'abord appliqué à la sollicitation pressiométrique monotone et cyclique dans des sols cohérents avec prise en compte du couplage eau-squelette. Le cas des sables est finalement étudié, en mettant en oeuvre dans le code de calcul développé pour cette étude le modèle de Pastor, Leung et Zienkiewiez (1985) et en comparant les simulations obtenues à des essais réalisés au cylindre épais par Dupla (1995) dont la sollicitation est proche de la sollicitation pressiométrique. On montre comment à partir de l'essai pressiométrique cyclique, il est possible d'évaluer par démarche inverse le potentiel de liquéfaction d'un massif sableux.