Les barrages induisent un impact potentiellement important sur l'environnement et la société par la modification des écosystèmes, le déplacement des populations en amont et surtout par la présence d'un risque imposé aux populations situées à l'aval. Même si les ruptures de ces ouvrages ont une probabilité d'occurrence faible, la cause principale des accidents, à côté des submersions par des crues imprévues, a toujours été la rupture des fondations (ICOLD 1993) suite à des problèmes d'érosion, ou d'insuffisance de résistance au cisaillement le long des discontinuités rocheuses, des joints de levées ou de l'interface barrage-fondation. La fréquence de ruptures par défaut de résistance au cisaillement des discontinuités des fondations des barrages en béton est estimée à 21 % (ICOLD 1995). Les fondations rocheuses présentent souvent une variabilité verticale et horizontale des propriétés de résistance au cisaillement des discontinuités. Une variabilité verticale peut être matérialisée par une moyenne de la propriété de résistance qui varie en profondeur et dont la prise en compte réduit la variance de cette propriété de résistance. Aussi, la rupture des fondations rocheuses par défaut de résistance au cisaillement des discontinuités est un mécanisme qui mobilise les propriétés ponctuelles de résistance au cisaillement présentes sur cette discontinuité. La résistance au cisaillement mobilisée le long de cette discontinuité présente parfois une variance moins élevée que celle de la résistance ponctuelle au cisaillement (échelle de laboratoire). Ces phénomènes de variabilité spatiale ne sont pas pris en compte dans la justification du comportement en cisaillement des fondations ni dans les travaux de recherches publiées dans la littérature. L'objectif de la thèse est d'élaborer une démarche d'analyse de la variabilité spatiale de la résistance au cisaillement qui prend en compte cette réduction de la dispersion. Cette démarche a été élaborée dans le contexte de l'état de l'art actuel, avec la combinaison des impératifs suivants : 1. La démarche est basée sur une méthodologie expérimentale i)-alternative à l'essai de cisaillement direct (coûteux en temps et en argent) pouvant être relativement simple à mettre en œuvre ii)- qui permet de générer des données quantitatives de cisaillement suffisamment abondantes pour analyser la variabilité spatiale de la résistance au cisaillement. 2. Cette démarche a été mise en œuvre au contexte des outils numériques et des méthodes de justification de la résistance à l'effort tranchant d'une fondation rocheuse de barrage-poids. La méthodologie expérimentale définie dans la thèse a fait l'objet d'une validation par étude comparative avec 35 essais de cisaillement direct sur des joints à différents degrés de rugosité et d’altération, prélevés d'une fondation de barrage-poids en béton. Il a été développé une démarche d'analyse de la variabilité spatiale de la résistance au cisaillement des joints. Cette démarche repose sur l'utilisation des données géo référencées de paramètres de cisaillement caractérisant la même famille de discontinuité le long d'un forage vertical. Afin de valider la pertinence et l’applicabilité de cette démarche, nous l’avons implémentée dans un cas d'étude de fondation rocheuse de barrage. A l'aide d'un code de calcul numérique basé sur la méthode des éléments finis, une étude a permis d'illustrer la pertinence de l'analyse de la variabilité spatiale de la résistance au cisaillement des joints dans une étude de stabilité au glissement des fondations rocheuses de barrage. Les résultats montrent que la prise en compte de la variabilité spatiale des paramètres de cisaillement permet d'augmenter la marge de sécurité mesurée à travers une hausse du coefficient de sécurité et une baisse significative de la probabilité de défaillance. / Dams induce a potentially significant impact on the environment and society by changing ecosystems, by populations’ relocation upstream and especially by the presence of an imposed risk on populations located downstream. Although dam failures have a low probability, the main cause of accidents, near submersions by unexpected flood has been foundations failures (ICOLD 1993) due to problems of erosion, or insufficient shear strength along the rock discontinuities or the interface between dam and foundation. Among dam failures, 21% are related to lack of shear strength along the discontinuities of the foundations (ICOLD 1995). It is well known that rock, as soil, is a complex engineering material formed y natural process, which induces vertical and horizontal variability. Plus, the sliding process of a rock foundation discontinuity is a mechanism that mobilizes points shear properties of this discontinuity. The variability of shear properties averaged over the sheared discontinuities is less than that of their point shear properties. This is known as the average effect in spatial variability. These phenomena of spatial variability are not taken into account in the standards of stability analysis of dam foundations sliding or research work published in the literature. The aim of the thesis is to develop an analysis of the spatial variability of shear strength that takes into account the reduction of the variability by scaling up effect. This approach was developed in the context of the current state of the art. An experimental method, which aimed to investigate in a simple way the shear strength of joints, was suggested in the thesis and has been validated by comparative study with more than thirty direct shear tests on joints taken from a foundation of concrete gravity dam. It was developed a process to analyze the spatial variability of the shear strength of the joints using the input parameters of the model of Barton and Choubey (1977). This approach is based on the use of geo -referenced data on these parameters characterizing the family of discontinuity along a vertical borehole. To validate the relevance and applicability of this approach, we have implemented it in a case study of a rock dam foundation. Using finite element software, a study illustrates the relevance of the analysis of the spatial variability of the shear strength of the joints in the assessment of stability against rock dam foundations sliding. The results show that taking into account the spatial variability of shear parameters can increase the margin of safety measured through an increase in the safety factor and a significant decrease in the probability of failure.

Le malaxage est une étape clé de la fabrication des bétons. Il consiste à distribuer de façon homogène et à mouiller tous les constituants présents dans le malaxeur. Ce travail de thèse a été réalisé en utilisant des matériaux modèles (billes de verre), des matériaux de référence présent dans la composition du béton (calcaire, ciment, sable) et différents liquides (eau, isopropanol, glycérol). Cette étude a permis d’identifier les leviers d'optimisation de l’opération de malaxage, et de clarifier la notion de bonne ou mauvaise malaxabilité d'un système granulaire. D’autre part, il a apporté des éléments de compréhension pour réduire la dépense énergétique et la durée du malaxage. Nous avons montré que le comportement du milieu granulaire en cours de malaxage (résistance au cisaillement, cinétique de mouillage, compacité), est très largement affecté par les propriétés du mélange et les caractéristiques du malaxeur, particulièrement lors de la transition “granulaire sec / granulaire humide”. Une étude (paramétrique) a permis de hiérarchiser ces grandeurs qui ont été classifiées parmi les propriétés individuelles des poudres (taille, forme), les propriétés collectives (empilement), les propriétés du liquide mouillant (viscosité, tension superficielle, présence d’un adjuvant), les propriétés d’interface liquide/solide (angle de contact), et les paramètres opératoires (mode d’addition du liquide). Deux niveaux d’analyse complémentaires ont été utilisés pour étudier l'impact de ces différents paramètres. Le régime dynamique (utilisation d’un malaxeur planétaire de laboratoire) a permis de caractériser le comportement du milieu granulaire malaxé grâce à la mesure de la dépense en intensité. Le régime quasi-statique (cellule annulaire de Schulze) a été utilisé afin de réaliser une approche du malaxage et des contraintes locales de façon simplifiée ( plan de cisaillement de surface connue et vitesse très faible). Ce système a permis de distinguer les parts frictionnelles et cohésives mises en jeu au cours du malaxage. Parallèlement, la porosité du lit granulaire a été mesurée en cours de malaxage. Cette porosité évolue avec la quantité de liquide additionnée, et conditionne en grande partie l’évolution de la résistance au malaxage. / Mixing is an important operation in the elaboration of concrete. It creates a homogeneous distribution of solids and liquid. This work was carried out with model materials (glass beads), reference materials present in the concrete composition (calcite, cement, sand) and different liquids (water, isopropanol, glycerol). This study allowed us to optimize the mixing operation, and to clarify the difference between good and bad mixing. Moreover, the study offered informations allowing to reduce the energy consumption and the mixing time. We showed that the granular medium behaviour during the mixing (shear resistance, wetting kinetic, compacity), is affected a lot by the granular medium properties and by the mixer parameters, particularly during the “dry granular medium / wet granular medium” transitional period. A systematic study allowed us to classify these parameters among the individual powders properties (size, shape), the collective properties (packing), the wetting liquid properties (viscosity, superficial tension, liquid with an adjuvant), the liquid/solid interface properties (contact angle), and the process parameters (liquid addition method). Two complementary analysis levels were used to study the influence of these different parameters. The dynamic regime (using of a laboratory planetary mixer) allowed us to characterise the granular medium behaviour during the mixing, using the intensity consumption measure. The quasi-static regime (Schulze annular shear cell) was used in order to achieve a simplified approach to the mixing and to the local stresses (shear plan with a known surface and low velocity). This system allowed us to distinguish the frictional and cohesive interactions that take place during the mixing. In addition, the porosity of the granular medium was measured during the mixing. This porosity changes with the added liquid amount, and is partially responsible of the shear resistance modifications.

Le développement de l’énergie nucléaire durant les dernières années nécessite de trouver des solutions pour le stockage et le confinement des déchets radioactifs. Une solution envisagée est l’enfouissement dans les formations argileuses peu perméables comme les argilites. Dans cette perspective, l’Andra a mis l’accent sur l’étude du comportement à court et à long terme de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx), considérée comme une roche hôte potentielle en France. Dans le cadre de ce projet, une étude expérimentale microscopique et macroscopique sur le comportement thermo-hydro-mécanique de l’argilite du COx a été réalisée. Dans un premier temps, une investigation microstructurale des propriétés de rétention d’eau a été réalisée. L’étude de la courbe de rétention d’eau déterminée par la technique de contrôle de succion par phase vapeur et incluant les changements de volume et de degré de saturation en fonction de la succion le long des chemins de séchage et humidification a été complétée par une étude microstructurale basées sur des mesures porosimétriques par intrusion de mercure sur éprouvettes lyophilisées. On observe que les concepts régissant l’hydratation des smectites peuvent être utilisés pour une meilleure compréhension des effets de changement de teneur en eau sur la microstructure de l’argilite. Le comportement en compression-gonflement avec un aspect microstructural a été étudié par la réalisation d’un programme d’essai oedométriques haute pression et l’utilisation conjointe de la porosimétrie au mercure et le microscope électronique à balayage. Les résultats obtenus ont montré que le potentiel du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Le comportement thermo-mécanique de l’argilite du COx saturée a été étudié à partir d’essais de cisaillement et de chauffage en condition drainée réalisés à l’aide d’une cellule triaxiale cylindre creux à faible chemin de drainage. Les essais de cisaillement à 25°Cmontrent des résistances au cisaillement plus faible pour des éprouvettes de plus forte porosité. Les essais triaxiaux à 80°C montrent un comportement plus ductile, une résistance au cisaillement moins importante et pas d’effet significatif sur les paramètres élastiques de l’argilite. L’analyse des résultats des essais de chauffage drainée confirme un comportement plastique contractant, similaire aux argiles normalement consolidées, pour l’argilite du COx. La possibilité de réactivation d’un plan de cisaillement lors d’un essai de chauffage non drainé d’un échantillon de l’argilite du COx est mise en évidence. Les résultats obtenus montrent que la pressurisation thermique du fluide interstitiel peut, du fait du relâchement de contrainte induit, réactiver une fissure de cisaillement existante. Les propriétés d’auto-colmatage de l’argilite du Callovo-Oxfordien, dans une gamme de température de 25-80°C, ont été étudiées par la réalisation d’essais de perméabilité sur un échantillon endommagé par un chargement déviatorique. Les résultats montrent que la présence des plans de cisaillement n’affecte pas la perméabilité, ce qui confirme la bonne capacité d’auto-colmatage de l’argilite du COx / The development of nuclear energy in recent years requires safe solutions for the storage of radioactive waste. A solution proposed for high activity radioactive waste is the storage indeep low permeability geological formations such as claystones. In this perspective, Andra, the French agency for the management of radioactive wastes, supported investigations on theshort and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone, considered as apotential host rock in France. In this framework, a microscopic and macroscopic experimental study on the thermo-hydro-mechanical behaviour of COx claystone was carried out. In this work, a microstructure investigation of the water retention properties of the Cox claystone was performed. The water retention properties were determined by controlling suction through the vapour phase, with also the monitoring of volume changes and changes indegree of saturation as a function of suction along the drying and wetting paths. The study was completed by a microstructure investigation based on the use of mercury intrusion porosimetry on freeze-dried specimens. It was observed that the concepts governing the hydration of smectites appeared useful to better understand the effects of changes in water content and suction on the microstructure of COx claystone. In a second step, the compression-swelling behaviour of the COx claystone was related to micro structure features by performing high pressure oedometer compression tests and byrunning mercury intrusion porosimetry tests and scanning electron microscope observationson specimens submitted to compression and stress release. The results obtained showed that the potential of swelling was linked to the density of cracks generated during compression. The thermo-mechanical behaviour of fully saturated COx claystone specimens was investigated from shear and drained heating tests using a hollow cylinder triaxial device specially developed for low permeability materials. The shear tests at 25°C evidenced lowershear strength on specimens with higher porosity. The preliminary results obtained at 80°Cevidenced a more ductile response, with slightly smaller shear strength and little changes of the elastic parameters at elevated temperature. Drained isotropic heating tests confirmed thecontracting volumetric plastic behaviour of the COx argillite, similar to normally consolidated clays. The effect of thermal pressurisation of the pore water on a specimen with a pre-existingshear plan was investigated. The results showed that undrained heating under shear stress decreased the effective stress, bringing back the sheared specimen to failure. The self-sealing properties of COx claystone at 25 and 80°C were investigated by conducting steady state permeability tests on sheared specimens at various stages. The results showed that the overall permeability of the sheared specimen at 25 and 80°C was comparable to that before shearing, confirming the good self-sealing properties of COx claystone

La justification de la stabilité d’un barrage-poids existant sur une fondation rocheuse nécessite une justification de la stabilité vis-à-vis du glissement à l’interface béton-roche. Le comportement au cisaillement de cette interface dépend de l’effort normal appliqué, des déformabilités de la roche et du béton, de la morphologie de la surface rocheuse et éventuellement de la propreté avant le coulage. Dans la littérature, un effet d’échelle a été mis en évidence : les évaluations de la résistance au cisaillement réalisées expérimentalement sur de petites interfaces en laboratoire donnent des valeurs différentes de celles estimées par rétro-analyse sur barrages existants. Le travail de cette thèse porte sur l'évaluation de cet effet d'échelle en tenant compte des facteurs influents, en particulier la morphologie de la surface rocheuse, l'objectif étant d'améliorer l'évaluation de la résistance au cisaillement à la base d'un barrage-poids.Tout d’abord, des essais de cisaillement directs ont été effectués sur plusieurs éprouvettes d’une même combinaison de différentes dimensions : à petite échelle sur des carottes et à des échelles intermédiaire et métrique sur des éprouvettes parallélépipédiques. Ces essais ont été complétés par des essais de traction directe permettant de caractériser l’adhésion initiale du contact béton-roche. Les résultats ont effectivement permis d'observer une variabilité des mesures de résistance au cisaillement selon l'échelle d'observation. Les essais usuels sur des carottes ont donné les mesures les plus élevées. A l'échelle métrique, les mesures de la résistance au cisaillement de l’interface béton-roche ont indiqué une valeur de cohésion non négligeable. A l'échelle intermédiaire, les valeurs de la résistance se sont réparties en deux groupes correspondant à deux morphologies différentes de la surface rocheuse. Du point de vue de l'effet d'échelle sur la résistance au cisaillement, si on représente les résultats par un critère linéaire, il a été constaté un effet d'échelle positif sur l'angle de frottement et un effet d'échelle négatif sur la cohésion.Un outil de description de la morphologie de la surface rocheuse basé sur une décomposition en fonctions sinusoïdales a été développé. Il a permis de décrire objectivement les caractéristiques de la morphologie de la surface rocheuse propres à chacun des deux groupes identifiés à l'échelle intermédiaire. Le premier groupe de surfaces rocheuses, avec les valeurs de résistance les plus élevées, se caractérise par une longueur d'onde principale de l'ordre de la taille de l'échantillon. Pour le second groupe, où les valeurs de résistance sont plus faibles, la longueur d'onde est comprise entre la moitié et les deux tiers de la taille de l'échantillon. Suite à ces observations expérimentales, les hypothèses suivantes ont été posées pour effectuer l'analyse des résultats : les essais sur carotte à petite échelle permettent de caractériser la résistance d'une interface béton-roche sans effet de morphologie de surface et l'échelle intermédiaire correspond à la surface élémentaire qui permet de caractériser les principaux effets de la géométrie de cette surface rocheuse sur la résistance. Sur cette base, un modèle 2D aux éléments finis de l'essai de cisaillement direct a été développé sous le logiciel Abaqus. Ce modèle a permis de reproduire le comportement au cisaillement des interfaces béton-roche à l’échelle intermédiaire. Ainsi il a pu être identifié que selon la morphologie, différents mécanismes d'initiation et de propagation de la rupture interviennent localement le long de l'interface et contribuent à moduler sa valeur de résistance globale, observée à l'échelle de l'essai. A l'échelle métrique, une décomposition de la surface en surfaces élémentaires et l'analyse de la morphologie de ces surfaces ont permis de retrouver les valeurs de résistance évaluées expérimentalement. / The shear strength of concrete-rock interface is a key factor to justify the stability of an hydraulic structure foundation. The shear behavior of this interface depends on the applied normal force, the deformability of rock and concrete, the rock surface morphology and the cleanliness of the rock surface before concrete casting. A scale effect was highlighted in the literature: the assessments of shear strength in a laboratory by achieving tests on small interfaces give values different from those estimated by back-analysis on the existing dams. This thesis work aims to assess the scale effect on the shear strength of concrete-rock interface taking into account some related factors, especially the rock surface morphology. The objective is to improve the shear strength assessment at the base of a gravity dam.Firstly, direct shear tests were performed on several prepared samples having different sizes: at small scale on cored samples usually used in the engineering field to assess the shear strength and at medium and metric scales on parallelepiped samples. To complete these tests, direct tensile tests were achieved to characterize the bonding of the concrete-rock contact. The results allowed a variability of shear strength measurements to be observed according to the observation scale. The usual tests on cored sample gave the highest values with high standard deviation. At metric scale, in the range of normal stresses to which the gravity dam foundation is mostly subjected, the concrete-rock interface shear strength showed a significant cohesion value. At medium scale, the shear strength values are divided into two groups corresponding to two different morphologies of the rock surface. Regarding the scale effect on the shear strength, if the results are fitted in a linear criterion, it was found a positive effect on the friction angle and negative effect on the cohesion.A descriptive tool based on sinusoidal functions was developed to characterize the rock surface morphology. It allowed to objectively describe the appropriate characteristics of the rock surface morphology for both groups identified at medium scale. The rock surfaces of the first group, which has the highest values of shear strength, are characterized relative to the best fit plane by a geometry having a main wavelength in the order of the sample size. For the second group, which has the lowest values of shear strength, the obtained wavelength is between half and two-thirds of the sample size.After these experimental observations and in order to accomplish the results analysis, the following assumptions were set: the tests on cored samples at small scale allowed the concrete-rock shear strength to be characterized independently of the rock surface morphology effect and the medium scale corresponds to the elementary surface which allows characterizing the main effects of the rock surface geometry on the interface shear behavior. On this basis, a 2D finite elements model was developed for direct shear test on Abaqus. This model reproduced the shear behavior of the concrete-rock interfaces at medium scale and therefore the stress distribution along the interface during the shearing process was studied. Thus it was identified that, according to surface morphology, different initiation and local failure propagation occur along the interface and contribute to adjust the overall shear strength of the interface. At scale 1, a decomposition of the surface by elementary surfaces and the analysis of the morphology of these surfaces allowed to recover the shear strength values assessed experimentally.

La Chine est actuellement confrontée à de sérieux problèmes environnementaux et est listée parmi les pays qui contribuent le plus à la pollution et à la destruction de l'environnement mondial. En particulier, la Chine du Sud est une zone naturellement sujette aux glissements de terrain à cause de conditions tectoniques, climatiques et anthropiques particulièrement défavorables. Depuis la fin des années 1990, l'Etat chinois a mis en place des politiques de reforestation de grande envergure. mais il existe des lacunes de connaissances qu'il convient de combler. En particulier, le choix des espèces les plus adaptées n'est pas aisé parce que les processus par lesquels les plantes stabilisent les pentes ont besoin d'être mieux compris.En introduction, afin de mieux préciser les périmètres qui cadrent cette thèse, sont présentées la situation de la Chine du Sud au regard des glissements de terrain, la discipline d'éco-ingénierie et les solutions qu'elle peut apporter. Ainsi, ce travail (i) se concentre sur des espèces végétales locales, (ii) se limite aux glissements de terrain superficiels, et (iii) concerne à la fois les processus mécaniques et hydriques entre le sol et les racines. A l'intérieur de ces cadres, la thèse a pour objectif de répondre à la question scientifique : quels sont les propriétés racinaires qui influencent la stabilisation des pentes ? La réflexion est ensuite appliquée aux plantes de Chine du Sud afin d'identifier les meilleures espèces-outils. Pour répondre à cette question, à la fois les données de terrain (en Chine du Sud), les expériences de laboratoire (en France) et la formulation de concepts sont mobilisées. Les résultats sont organisés en deux chapitres. Le premier pose la question de l'efficacité de la présence de racines pour stabiliser les pentes, tous d'abord sous l'angle des processus mécaniques, puis sous l'angle des processus hydriques. Le deuxième chapitre permet d'identifier un panel de traits pertinents et non redondants évaluant l'efficacité d'une espèce pour la stabilisation des pentes puis s'appuie sur ce panel afin de sélectionner les espèces chinoises les plus efficaces. Enfin, la discussion aborde les limites de ce travail et propose de nouvelles pistes de recherche.Du point de vue mécanique comme du point de vue hydrique, c'est la conjonction des effets des racines de structure et des racines fines qui importe. Les racines de structure sanas racines fines ne sont pas optimales et peuvent même faire apparaître des lignes de fragilité. Plus précisément, les racines de structure sont particulièrement bienvenues vers l'aval de la pente pour des raisons à la fois mécaniques et hydriques. Les racines fines seules ne sont pas optimales non plus, elles peuvent faire apparaître localement des zones de faiblesse qui, si elles sont proches, participeront au déclenchement d'un glissement de terrain. Des ramifications racinaires denses améliorent la stabilité mécanique. Orientées vers l'aval de la pente, elles améliorent la stabilité hydrique. Les autres traits racinaires pertinents pour évaluer l'efficacité des racines à stabiliser le sol sont la contrainte et la déformation maximale en tension, la concentration en azote et la concentration en sucres solubles.

Le béton auto-plaçant renforcé de fibres (BAPF) est l’un des récents développements dans le monde de la technologie du béton combinant les performances de l’auto-consolidation avec la ductilité post-pic et les nombreux avantages face à la fissuration grâce à la présence des fibres dans le béton. L’utilisation de BAPF accroît l’efficacité économique globale de la phase de construction en réduisant la main d’oeuvre, ou la consommation d’énergie requise, en accélérant la vitesse de construction, la réduction ou l’élimination de ferraillage conventionnel et à la simplification des détails et placement du ferraillage. Le BAPF a gagné en popularité dans ses utilisations durant les dernières années telles dans les tabliers de ponts, les poutrelles et les poutres. En dépit de preuve d’amélioration de synergie entre la technologie d’auto-placement et l’ajout de fibres dans le BAPF, il est obligatoire de déterminer les propriétés convenables de ce matériau pour trouver les caractéristiques inappropriées dans le béton à l’état frais et durci. A cet égard, les défauts, tels l’agglomération de fibres, la ségrégation et la performance d’écoulement et le placement incorrects à cause de propriétés rhéologiques inappropriées à l’état frais, entraînent une réduction dans la résistance évaluée. L’objectif principal de cette étude est d’évaluer les propriétés du béton auto-plaçant (BAP), des mélanges intégrant différentes teneurs en granulats et du BAPF (avec insertion de différents types et teneurs de fibres). Ceci peut aider au développement de BAPF avec une rhéologie adaptée et une performance mécanique adéquate incluant une résistance d’adhésion et de cisaillement convenable pour des applications structurelles. Dans le but d’évaluer l’effet des fibres sur les propriétés rhéologiques de BAP à l’état frais, des mélanges intégrant quatre types de fibres avec différents élancement (L/D) seront étudiés. Ces fibres incluent des crochets d’acier (STH 55/30), du fil d’acier tréfilé (STN 65/13), de la macro-fibre synthétique de propylène (PP 56/38) et de l’alcool polyvinylique (PVA 60/12) avec différentes teneurs volumiques (0.25%, 0.5%) ajoutées au BPA de référence. Tous les mélanges ont un rapport w/b fixé à 0,42 et la teneur en granulats grossiers est respectivement de 29, 32 et 35% par volume de béton. Les caractéristiques de béton frais ont été évaluées en considérant l’affaissement, l'évaluation du temps d’écoulement (V-funnel), l'amplitude à l'écoulement du BAP (J-Ring), le tassement de surface et le rhéomètre ConTec. Les propriétés du béton durci, en particulier la résistance à la compression, la résistance à la traction par fendage, la résistance à la flexion, et le module élastique ont été évaluées. L’effet des types de fibres, des teneurs en fibres et en granulats sur la résistance à la rupture et la robustesse du BAP au cisaillement des mélanges optimisés, incluant le BAP de référence, le SCCAGG (32% and 35%), le FRSCC ST-H (0.25% and 0.5%), le FRSCCPP (0.25% and 0.5%), le PVA (0.25% and 0.5%) et le ST-N (0.25% and 0.5%) ont été testés en utilisant l’essai de cisaillement direct pour évaluer la résistance en cisaillement et la résistance résiduelle du béton. Les résultats des essais prennent en considération la capacité portante en cisaillement de l’élément structurel fabriqué à partir de BAPF. Les résultats des essais montrent que l’ajout de fibres était beaucoup plus efficace que l’accroissement de la teneur en agrégats sur la résistance au cisaillement du BAP. L’amélioration de la contrainte au cisaillement à la rupture comparée au mélange de référence est plus grande avec 16.3% pour l’ajout de fibre de type STN 0.5%, 15.8% pour l’ajout de fibre de type STH 0.5%, 14.92% pour l’ajout de fibre de type PP 0.5% et 7.73% pour l’ajout de fibre de type PVA 0.5%. De plus, l’ajout de fibres améliore le comportement post-pic en cisaillement du BPA en comparaison à l’augmentation de la teneur en granulats. L’augmentation de la teneur en fibres de 0.25% à 0.5%, par volume de béton, a amélioré la résistance et la ténacité au cisaillement, le comportement en flexion peu importe le type de fibres. Cette amélioration a été la plus élevée dans le cas du STH 0.5% et la plus basse pour des valeurs de PVA0.5%. La réponse de la résistance à l’adhésion des barres d’armatures localisées à différentes hauteurs de l’élément de mur (effet top-bar) a été étudiée pour des mélanges optimisés; le BPA de référence, les mélanges ST-H 0.5, et PP 0.5 ont été testés à travers l’essai d’arrachement direct des barres coulées dans le large élément de mur. Utilisation de fibres de propylène et de fibres à crochets d’acier au BPA a légèrement augmenté le facteur de modification à l’adhérence (effet top-bar) de 1 dans le cas du BPA jusque 1,1 et 1,2 pour les fibres de propylène et de crochets d’acier respectivement. Les éléments de mur fabriqués à partir du mélange de BPA de référence a montré la distribution de résistance la plus uniforme avec moins de 5% de réduction de sa résistance à l’adhérence sur la hauteur. Ces pertes de résistance à l’adhérence pour les éléments de mur coulés avec du BPA intégrant les de fibres de propylène et de fibres à crochets d’acier sont respectivement de 10% et 20%. / Abstract : Fiber reinforced self-consolidating concrete (FR-SCC) is one of the recent developments in the world of concrete technology which combines the self-consolidating performance with the post-peak ductility and multiple cracking advantages due to presence of fiber reinforcement in concrete. The use of FR-SCC increases the overall economic efficiency of the construction process by reducing the workforce, or energy consumption required, increasing speed of construction, reduction or elimination of the conventional reinforcement and to the simplification of reinforcement detailing and placement. The FR-SCC has gained increasing popularity applications in the last few years such as bridge decks, girders and beams. Despite the improvement evidence of synergy between self-consolidating technology and fiber addition in the FR-SCC, finding adequate properties of this material is mandatory to find any improper characteristics in the fresh and hardened states. In this regards, defects, such as fiber clustering, segregation and improper flow performance and placement due to improper rheological properties in the fresh state, which leads to reduction in strength, are evaluated. The main objective of this study is to evaluate some rheological and mechanical properties of self-consolidating concrete (SCC) mixtures with different aggregate contents and FR-SCC (incorporating different fiber types and contents). This can help to develop of FR-SCC with adapted rheology and proper mechanical performance including bond strength and shear strength for structural application. In order to evaluate the effect of fibers on rheological properties of SCC in the fresh state, mixtures incorporating four types of fibers with different aspect ratio (L/D) were investigated. The fibers included steel hooked (STH 55/30), steel drawn wire needles (STN 65/13), synthetic macro-fiber propylene (PP 56/38) and polyvinyl alcohol (PVA 60/12) with variety of volume content (0.25%, 0.5%) added to the SCC reference. All mixtures has a fixed w/b ratio of 0.42 and different coarse aggregate contents of 29, 32 and 35%, by volume of concrete. The fresh concrete characteristics were evaluated by considering the slump flow, V-funnel, J-Ring, surface settlement and ConTec rheometer. The hardened properties, mainly compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength, flexural toughness, and modulus of elasticity were evaluated. The effect of fiber type, fiber content, and coarse aggregate content on ultimate shear load and shear toughness of the optimized mixtures. The mixtures including SCC reference, SCC with aggregate volume of 32% and 35% (SCCAGG 32% and SCCAGG 35%), SCC incorporating ST-H fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC ST-H 0.25% and FRSCC ST-H 0.5%), SCC incorporating PP fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC PP 0.25% and FRSCC PP 0.5%), SCC incorporating PVA fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC PVA 0.25% and FRSCC PVA 0.5%) and SCC incorporating ST-N fibers with the dosages of 0.25% and 0.5% (FRSCC ST-N 0.25% and FRSCC ST-N 0.5%) were tested using the direct shear push-off test to evaluate shear strength and residual shear strength of the concrete. These test results could be used in the shear load carrying capacity of the structural element made by FRSCC. The test results show that adding fiber was much more effective than increasing aggregate content on the shear strength behaviour of SCC. The ultimate shear stress improvement of the mixtures incorporating fiber compared to the SCC reference mixture were 16.3% for STN 0.5%, 15.8% for STH 0.5%, 14.92% for PP 0.5%, and 7.73% for PVA 0.5% mixture. Moreover, adding fibers improved the post-peak shear behaviour of SCC compared to addition of aggregate content. Increasing the fiber content from 0.25% to 0.5%, by volume of concrete, improved shear strength, shear toughness and flexural toughness behaviour regardless of the fiber types. This enhancement was highest in the case of STH 0.5% and lowest values for PVA0.5%. The bond strength response of rebars located at different heights of the wall element (top-bar effect) investigated for optimized mixtures, including SCC reference, ST-H 0.5, and PP 0.5 mixtures was tested through direct pull-out test of rebars cast in the large wall elements. Adding propylene and steel hooked fibers to SCC is found to slightly increase the bond modification factor (top-bar effect) from 1 in the case of SCC up to 1.1 and 1.2 for propylene and steel hooked fibers, respectively. The wall elements made with SCC reference mixture showed the most uniform bond strength distribution and had less than 5% reduction of bond strength along the height. These bond strength losses for wall element cast with SCC incorporating 0.5 % of steel hooked fiber and that of propylen fiber with the same volume are 10% and 20%, respectively.

La nature complexe de l'argile a amené les chercheurs à s’intéresser à ses comportements mécaniques et microstructure. L'objectif de cette recherche est d'étudier l'influence des chemins de contrainte triaxiaux sur le comportement mécanique et sur les mécanismes qui se produisent au niveau microstructural. L’étude est réalisée en considérant à un niveau de contrainte donné, le phénomène de dilatance est approché suivant des chemins de contraintes différents. Dans un deuxième temps, l’étude se porte sur l’influence de la succion sur le comportement. Pour les argiles remaniées saturées, le comportement dilatant à un niveau de contrainte donné, atteint par deux chemins de contrainte différents a été finement analysé. L’influence du niveau de contrainte a été également abordée dans le cadre de cette étude. L’analyse microstructurale a été analysée à différentes échelles au moyen de différentes méthodes. Au niveau macroscopique, les résultats ont montré que, pour un niveau de contrainte donné, le comportement volumétrique est fonction du chemin de contrainte. La dilatance est activée dans le cas d’argiles surconsolidées principalement lorsque le chargement est purement déviatorique. Au niveau microscopique, les résultats mettent en évidence cinq modes d’orientation des particules qui pourraient être activés sous chargement triaxial. Les résultats révèlent que l’apparition de la dilatance dans les argiles remaniées fortement surconsolidées peut être attribuée à l'arrangement tortueux des particules d'argile, l'ouverture des micropores ainsi que la formation et l’ouverture de fissures mésoscopiques. Pour les argiles remaniées non saturées, les études sont réalisés par les essais macroscopiques et mésoscopiques sur l'argile Kaolin K13 et un mélange kaolinite-montmorillonite. L’évolution des succions a été mesurée au moyen d’hygromètres placés dans les extrémités supérieure et inférieure d’échantillon. Les résultats démontrent que la contrainte déviatorique d’argile non saturée, lorsque la succion est forte, commence par augmenter jusqu'à un sommet puis diminue pour rejoindre une valeur résiduelle. La résistance au cisaillement d’argile non saturée augmente généralement avec la contrainte moyenne et la succion. Cependant, dans nos essais à succion très élevée le développement d’une fissuration lors du séchage a conduit à perdre l’homogénéité du matériau et à réduire la résistance au cisaillement de l’éprouvette / The complex nature of clay has aroused great interest of researchers in its mechanical behaviour and microstructure. The objective of this research is to examine the influence of triaxial stress paths on the mechanical behaviour of remoulded clay and the mechanisms that occur at the microstructural level. The dilatancy phenomenon is particularly investigated considering a given stress level reached by following different stress paths. In the second part, this research focuses on the influence of suctions on the mechanical behaviour. For the saturated remoulded clay, the dilative behaviour at a given stress level, reached by following two different stress paths was analysed in detail. The influence of stress levels was also examined in this research. The microstructural analysis was conducted at different scales by means of different methods. The macroscopic results of saturated clay show that, at a given stress level, the volumetric behaviour greatly depends on the stress path. In the case of overconsolidated clay, the dilatancy is activated especially when triaxial shearing is performed following the purely deviatoric stress path. At the microscopic level, the results highlight five modes of particle orientation that could be activated under triaxial loading. The results also reveal that the appearance of dilatancy phenomenon in highly overconsolidated remoulded clay may be attributed to the tortuous arrangement of clay particles, the opening of micropores, and the formation and opening of mesocracks. For the unsaturated remoulded clay, the studies were performed through many macroscopic and mesoscopic tests on Kaolin K13 clay and a kaolinite-montmorillonite mixture. The evolution of suctions was measured using hygrometers placed near the upper and lower ends of clay specimens. The results show that, at a high suction level, the deviatoric stress of unsaturated clay increases to a peak and then decreases down to a residual value. The shear strength of unsaturated clay generally increases with increasing mean stress and suction. However, in the high suction tests, the development of cracks during drying led to the inhomogeneity of the specimens and thus resulted in relatively small shear strengths

La raffinerie Ultramar de Saint Romuald sur la rive sud de Québec produit des carburants qui sont acheminés par l'Ultratrain du Canadien National vers la métropole montréalaise. Trois années après la mise en service de ces trains de 1200 m de longueur pour 8000 tonnes, l'un d'eux déraille en 1999 dans une zone marécageuse où le sol naturel sous le remblai est un massif de tourbe. Les tourbes sont des sols organiques très compressibles saturés en eau et qui contiennent des fibres végétales. En 2004, au même endroit, un second déraillement a lieu. Le Bureau de la Sécurité des Transports (BST) et le Canadien National (CN) mandatent alors le département de génie civil de l'Université Laval pour étudier les conditions géotechniques de ces déraillements. Ainsi, de juin à novembre 2006, une campagne de mesures sur le site est mise en place pour collecter des données sur les pressions interstitielles et les tassements qui surviennent dans la tourbe pendant le passage des trains. Des tassements cumulatifs d'environ 1 cm en 3 mois sont mesurés. Ils sont causés par la dissipation des surpressions interstitielles que les trains bâtissent pendant leurs passages répétés. Ces résultats ont été présentés au BST et au CN en décembre 2006. Une première hypothèse possible de rupture locale, progressive et soudaine du massif de tourbe par poinçonnement lors du passage d'un train est alors formulée. Début 2007, des essais de résistance au cisaillement sur la tourbe prélevée sur le terrain sont réalisés dans les laboratoires de l'Université Laval. Ce sol est caractérisé par un comportement en cisaillement fortement dépendant de l'orientation du plan de rupture par rapport au plan d'alignement des fibres végétales contenues dans la tourbe. Les fibres sont naturellement orientées dans des plans horizontaux, rendant la tourbe fortement anisotrope. Si le plan de rupture est confondu avec le plan d'alignement des fibres, alors la résistance au cisaillement est minimum et correspond à celle de la matrice de la tourbe sans l'influence des fibres. A l'inverse, si le plan de rupture coupe les fibres, alors la résistance est augmentée. La quantification de cette augmentation est l'objectif de la campagne d'essais en laboratoire. Des études précédentes ont montré que lorsque les tourbes sont sollicitées dans des plans coupant les fibres, celles-ci ont tendance à s'aligner dans le plan de rupture et ainsi à diminuer progressivement la résistance au cisaillement le long de ce plan. Ainsi, en utilisant les résultats obtenus en laboratoire et les données de terrain, un mécanisme de rupture utilisé pour analyser et expliquer le déraillement de l'Ultratrin a été développé. Les calculs montrent que la diminution de résistance engendrée par l'alignement des fibres le long des plans de rupture dans la tourbe est suffisante pour provoquer le poinçonnement soudain de la tourbe sous le passage d'un train. Finalement, cette recherche montre que la capacité portante du massif de tourbe est régie par Panisotropie de la tourbe due à la présence des fibres végétales. / The Saint Romuald's Ultramar refinery near Québec City produces gas which is transported to Montréal by the Canadian National's Ultratrain. Three years after the first passage of these huge trains, a derailment occurs in 1999 in a naturally formed swamp zone, where the subsoil consists of peat. Peats are organic, very compressible and water saturated soils. They are also characterised by fibres content. A second accident takes place nearby in 2004. The Civil Engineering department of Laval University is then asked by the Transportation Safety Board of Canada (TSB) and by the Canadian National (CN) to investigate the geotechnical conditions of those derailments. In situ pore pressures and settlements of the peat under the rail embankment are monitored from June to November 2006. An accumulation of settlement of 1cm in 3 months in the peat is measured. They are the result of the overburden pressures dissipation created by the successive passages of the Ultratrain. The report of mis study has been presented to TSB and CN in December 2006. A first assumption of a local, progressive and unexpected failure of the peaty soil by punching is suggested. Triaxial and simple shear tests are performed in the Laval University's laboratories on samples of the in situ native peat on the beginning of year 2007. The shear behaviour of the peat turns out to be related to the relative orientation of the failure plane compared to the plane of deposit of the plant's fibres in the soil. Those fibres are generally oriented in a horizontal plane. This makes of the peat a strongly anisotropic soil. If the failure plane is parallel to the fibres plane, the shear strength corresponds to the strength of the matrix of the peat without the fibres reinforcing effect. This shear strength is minimal. If the failure plan cuts the fibres, the reinforcing effect of the fibres increases the shear strength. The objective of the laboratory tests is to evaluate this increase. Previous studies on peat showed that fibres trend to come into alignment with a failure plane, which decreases strongly the shear strength through this plane. The results of these tests and of the in situ investigations are used to develop a failure mechanism of the peat under the embankment. This mechanism explains the 2004 derailment. Calculations show that the shear strength's decrease caused by the fibres realignment is sufficient to produce the sudden failure of the peat by punching. Eventually, this study shows that the bearing capacity of the peat under the rail embankment is ruled by the anisotropic structure of the peat given by the fibres.

Des observations d'événements passés sont utilisées afin de démontrer que la rupture progressive explique les étalements, de grands glissements survenant dans les argiles sensibles. Lors d'une rupture progressive, le comportement anti-écrouissage est utilisé afin de distribuer les contraintes dans le talus et explique qu'une faible perturbation initie une grande rupture. Il est illustré que dans le cas des étalements, l'instabilité est déclenchée près du pied de talus par un déchargement critique, généralement causé par érosion. La rupture progressive se propage quasi-horizontalement dans le talus et réduit la pression des terres, menant à la dislocation active du sol en horsts et grabens. La dislocation du talus fait donc suite à la propagation de la surface de rupture. Une méthode numérique est élaborée afin d'identifier les paramètres influençant la rupture progressive et de valider l'application du mécanisme aux étalements. Cette méthode comporte deux étapes : (i) évaluation des contraintes présentes initialement dans le talus et (ii) modélisation de la rupture progressive. H est démontré que les hautes pentes, fortement inclinées avec un coefficient de pression des terres au repos (Ko) élevé sont susceptibles à la rupture progressive et que celle-ci se propage sur une grande distance. La rupture est favorisée par un sol ayant une grande fragilité lors du cisaillement et une faible rigidité. Une faible résistance à grande déformation du sol favorise une grande distance de propagation. Les argiles de l'est du Canada présentant une forte sensibilité et une grande fragilité lors du cisaillement sont donc considérées comme susceptibles à la rupture progressive. La méthode est appliquée à l'étalement survenu à Sainte-Monique-de-Nicolet, en 1994, dans une argile silteuse sensible presque normalement consolidée. H est démontré que la contrainte de cisaillement initiale dans la pente était près de la résistance intacte du sol. La stabilité du talus était précaire. L'initiation et l'étendue de la rupture observée est expliquée par un sol ayant une grande fragilité lors du cisaillement et une résistance à grande déformation près de la résistance remaniée du sol. D est donc démontré numériquement que la rupture progressive explique l'initiation et l'étendue de la surface de rupture de cet étalement.

Dans une première partie, ce mémoire présente l'analyse de l'étalement latéral d'octobre 1988 à Brownsburg-Chatham. Québec. La rupture s'est développée dans un dépôt argileux de la mer de Champlain faiblement surconsolidé (OCR entre 1.1 et 1.4) ayant une résistance au cisaillement non drainé plus faible que 30 kPa, et des indices de liquidité variant entre 1.4 et 2.4. La présence de forts gradients hydrauliques en pied de talus a possiblement contribué au développement d'une instabilité à cet endroit. Dans la seconde partie du mémoire, la caractérisation géotechnique et géomorphologique de la vallée a permis de mettre en évidence que la distribution des coulées argileuses observées le long de la vallée à Brownsburg-Chatham est clairement contrôlée par la salinité de l'eau interstitielle du sol et la hauteur des talus. Les analyses réalisées n'ont pas permis d'identifier le ou les facteurs pouvant expliquer le développement des étalements latéraux. Toutefois, il semble que ce type de mouvement requiert des caractéristiques du sol assez semblables à celles nécessaires au développement de coulées argileuses.