Par le caractère hétérogène des sols présents en surface, le dimensionnement et la construction de fondations demandent une bonne connaissance du comportement mécanique du sol et de sa variabilité spatiale. Les essais in-situ constituent dans ce domaine des outils précieux et parmi eux, les plus couramment utilisés à travers le monde, les pénétromètres dynamiques représentent une part prépondérante. Toutefois, ils ne permettent d'obtenir que quelques informations sur le sol, plus particulièrement la résistance de pointe. Par ailleurs, la réduction importante en taille et en coût des capteurs et de l'instrumentation associée permet à l'heure actuelle de mesurer des phénomènes physiques ayant lieu dans des conditions de travail singulières, inconcevables il y a quelques années. C'est dans cette esprit qu'a été développé ce travail à partir de l'essai de pénétration dynamique Panda. L'objectif de ce travail étant de concevoir et de développer de manière simple et économique un pénétromètre dynamique équipé de différents capteurs permettant d'une part d'obtenir la résistance de pointe et d'autre part de déterminer des paramètres supplémentaires gouvernant le comportement en déformation du sol mis en jeu pendant l'enfoncement du cône. Pour ce faire nous avons retenu une méthodologie de travail pluridisciplinaire : analytique, expérimentale et numérique MED.

Dans le cadre d’un projet d’aménagement, la reconnaissance du sous-sol est une étape prépondérante pour la construction d’un bâtiment. Le géotechnicien se doit de définir le comportement mécanique des sols à partir d’un nombre limité de sondages. La problématique soulevée par les prospections géotechniques est qu’il est difficile d’une part d’étendre une information ponctuelle dans l’environnement proche des sondages, et d’autre part d’estimer la variabilité latérale des matériaux. Dans cette optique, cette thèse développe une approche novatrice de combinaison de méthodes géophysiques aidant à la quantification de la variabilité spatiale des structures géoélectriques du sous-sol. Dans un second temps, au regard des limites rencontrées dans la modélisation 3D des structures géoélectriques du sous-sol, nous avons mis au point un processus innovant de modélisation 3D des propriétés physiques du sous-sol par combinaison de méthodes géophysiques. Les travaux menés ont permis de caractériser les paramètres régissant le positionnement et la quantité de données sources nécessaires.Enfin, un dispositif innovant de mesure de Tomographie de Résistivité Electrique en Cinématique (TREC) a été développé. La validation du dispositif sur trois sites différents a permis de mettre en évidence sa capacité à détecter les structures géoélectriques des sols sur un linéaire de plusieurs centaines de mètres. Ce dispositif constitue un outil précieux pour l’étude des structures géoélectriques du sous-sol dans le cadre de prospections géophysiques à grand rendement. / The geotechnical study of a building project is a decisive step for the construction of it. The geotechnical engineer must define the mechanical behavior of soils from a limited number of drills. The problem of the geotechnical surveys is, on the one hand that difficult to extend a punctual data in the near space to the drills,and on the other hand to estimate the lateral variability of materials. In this context, this thesis develops an innovative approach by combination of geophysical methods to quantify the spatial variability of geoelectrical structures. In asecond time, against the known limits of the 3D modeling of soil geoelectrical structures, we have developed an innovative process of 3D modeling of the physical properties of soil by geophysical methods combination. These works allow characterizing the parameters who governing the positioning and the number of necessary primary data.Finally, an innovative measuring device of Kinematic Electrical Resistivity Tomography (KERT) has been developed. The validation of the device on three different site has allowed to highlight its ability to detect the soil geoelectrical structures within a linear of hundreds meters. This device is a valuable tool for studying soil geoelectrical structures in the context of high yield geophysical prospection.

Ce travail porte sur la reconnaissance de sols à faible profondeur grâce aux données de résistance de pointe recueillies à l'aide de l'essai de pénétration dynamique à énergie variable, Panda®. L'objectif principal est d'étudier et de proposer un ensemble d'approches dans le cadre d'une méthode globale permettant d'exploiter les mesures issues d'une campagne de sondages Panda afin de bâtir un modèle géotechnique du terrain.Ce manuscrit est structuré en quatre parties, chacune abordant un objectif spécifique :dans un premier temps, on rappelle les principaux moyens de reconnaissance des sols, notamment l'essai de pénétration dynamique Panda. Ensuite on réalise un bref aperçu sur le modèle géotechnique et les techniques mathématiques pour décrire l'incertitude dans la caractérisation des propriétés du sol;la deuxième partie porte sur l'identification automatique des unités homogènes du terrain, à partir du signal pénétrométrique Panda. Suite à l'étude réalisée sur l'identification "experte" des couches à partir du signal Panda, des approches statistiques basées sur une fenêtre glissante ont été proposées. Ces techniques ont été étudiées et validées sur la base d'un protocole d'essais en laboratoire et sur des essais effectués en sites naturels et en conditions réelles;la troisième partie porte sur l'identification automatique des matériaux composant les unités homogènes détectées dans le signal Panda à partir des méthodes proposées en partie II. Une méthode de classification automatique basée sur des réseaux de neurones artificiels a été proposée et appliquée aux deux cas d'étude : la caractérisation de sols naturels et la classification d'un matériau granulaire argileux industrialisé (bentonite) ; enfin, la dernière partie est consacrée à la production d'un modèle de terrain basé sur la modélisation et la simulation de la résistance de pointe dynamique au moyen de fonctions aléatoires de l'espace. Cette modélisation est basée sur une approche par champs aléatoires conditionnés par les sondages Panda du terrain. Sa mise en œuvre a été étudiée pour un terrain expérimental situé dans la plaine deltaïque méditerranéenne en Espagne. Des études complémentaires en vue de raffiner cette démarche ont été réalisées pour un deuxième site expérimental dans la plaine de la Limagne en France. / This research focuses on the site characterization of shallow soils using the dynamic cone penetrometer Panda® which uses variable energy. The main purpose is to study and propose several techniques as part of an overall method in order to obtain a ground model through a geotechnical campaign based on the Panda test.This work is divided into four parts, each of them it is focused on a specific topic :first of all, we introduce the main site characterization techniques, including the dynamic penetrometer Panda. Then, we present a brief overview of the geotechnical model and the mathematical methods for the characterization of uncertainties in soil properties;the second part deals with the automatic identification of physical homogeneous soil units based on penetration's mechanical response of the soil using the Panda test. Following a study about the soil layers identification based only on expert's judgment, we have proposed statistical moving window procedures for an objective assessment. The application of these statistical methods have been studied for the laboratory and in situ Panda test;the third part focuses on the automatic classification of the penetrations curves in the homogeneous soil units identified using the statistical techniques proposed in part II. An automatic methodology to predict the soil grading from the dynamic cone resistance using artificial neural networks has been proposed. The framework has been studied for two different research problems: the classification of natural soils and the classification of several crushed aggregate-bentonite mixtures;finally, the last chapter was devoted to model the spatial variability of the dynamic cone resistance qd based on random field theory and geostatistics. In order to reduce uncertainty in the field where Panda measurements are carried out, we have proposed the use of conditional simulation in a three dimensional space. This approach has been applied and studied to a real site investigation carried out in an alluvial mediterranean deltaic environment in Spain. Complementary studies in order to improve the proposed framework have been explored based on another geotechnical campaign conducted on a second experimental site in France.

L’évolution actuelle de l’ingénierie géotechnique place la maîtrise des risques d’origine géotechnique au cœur de ses objectifs. On constate aussi que la complexité des projets d’aménagement (à travers les objectifs coûts/délais/performances qui sont recherchés) est croissante et que les terrains choisis pour les recevoir présentent, quant à eux, des conditions géotechniques de plus en plus souvent « difficiles ». Ces conditions défavorables se traduisent par une variabilité forte des propriétés des sols, rendant leur reconnaissance et leur analyse plus complexe. Ce travail de thèse traite de la caractérisation de la variabilité naturelle des sols et des incertitudes liées aux reconnaissances géotechniques dans le but de mieux les prendre en compte dans les dimensionnements des ouvrages. Il se positionne dans le contexte de la maîtrise des risques de projet d’origine géotechnique. Les principaux outils statistiques servant à décrire la dispersion des données et leur structuration spatiale (géostatistique), ainsi que des méthodes probabilistes permettant d’utiliser leur résultats dans des calculs, sont présentés sous l’angle de leur application en géotechnique. La démarche est appliquée à un projet de plate-forme ferroviaire. Cette infrastructure a été implantée sur un site géologiquement et géotechniquement complexe, et présente aujourd’hui des déformations importantes dues aux tassements des sols. Une nouvelle analyse des données géotechniques a donc été entreprise. Elles ont, au préalable, été regroupées dans une base de données qui a facilité leur traitement statistique et géostatistique. Leur variabilité statistique et spatiale a été caractérisée permettant une meilleure compréhension du site. Le modèle géologique et géotechnique ainsi établi a ensuite été utilisé pour calculer les tassements. Une démarche en trois temps est proposée : globale, locale et spatialisée permettant une estimation des tassements et de leur incertitude, respectivement, à l’échelle du site, aux points de sondages, et spatialisée sur la zone d’étude. Les résultats montrent clairement l’intérêt des méthodes statistiques et géostatistiques pour la caractérisation des sites complexes et l’élaboration d’un modèle géologique et géotechnique du site adapté. La démarche d’analyse des tassements proposée met en avant le fait que les incertitudes des paramètres se répercutent sur les résultats des calculs de dimensionnement et expliquent le comportement global de l’infrastructure. Ces résultats peuvent se traduire sous forme d’une probabilité de ruine qui peut ensuite être utilisée dans un processus de prise de décision et de management des risques. D’une manière plus large, ce travail de thèse constitue une contribution à l’élaboration et l’analyse des campagnes de reconnaissances géotechniques, en ayant le souci d’identifier, d’évaluer et de prendre en compte la variabilité et les incertitudes des données lors des différentes phases du projet pour permettre une meilleure maîtrise du risque d’origine géotechnique. / The current evolution of the geotechnical engineering places the risk management of geotechnical origin in the heart of its objectives. We also notice that the complexity of the projects of development (through the objectives costs/deadline/performances which are sought) is increasing and that soil chosen to receive them present unusual geotechnical conditions. These unfavourable conditions usually mean a strong variability of the soil properties, which induces soil investigation and data analysis more difficult. This work of thesis deals with the characterization of the natural variability of soils and with the uncertainties dues to geotechnical investigations, with the aim to better take them into account in geotechnical engineering project. This work takes place in the context of the management of the risk of project with geotechnical origin. The main statistical tools used for describe the scattering of the data and their spatial variability (geostatistic), as well as the probabilistic methods enabling to use their results in calculations, are presented under the view of their application in geotechnical design. The approach is applied to a project of railway platform. This infrastructure was located on a site where the geology and the geotechnical conditions are complex, and which present important deformations due to the soil settlements. A new analysis of geotechnical data was started again. First, geotechnical data were included in a database in order to ease their statistical and geostatistical treatment. Their statistical and spatial variability were characterized allowing a better understanding of the site. The geologic and geotechnical model so established was then used to assess the settlement effects. An analysis in three levels is proposed: global, local and spatial, which give means to estimate the settlement values and its uncertainty, respectively, on the scale of the site, on the boring points, and on zone of study according to the spatial connectivity of soil properties. The results clearly show the interest of statistical and geostatiscal methods in characterizing complex sites and in the elaboration of a relevant geologic and geotechnical model. The settlement analysis proposed highlight that the parameter uncertainties are of first importance on the design calculations and explain the global behaviour of the infrastructure. These results can be translated in the form of a reliabilitry analysis which can be then used in a process of decision-making and risk management. In a wider way, this work of thesis contributes toward the elaboration and the analysis of the geotechnical investigations, with the aim to identify, to estimate and to take into account the variability and the uncertainties of the data during the various stages of the project. It leads to better control of the risk of geotechnical origin.