La présence de plusieurs formations argileuses affleurantes ou sub-affleurantes en région parisienne classe cette région parmi les plus vulnérables au phénomène de retrait-gonflement. Deux formations sont plus particulièrement concernées : les Argiles vertes de Romainville et les Marnes bleues d'Argenteuil. Ce mémoire est consacré à l'étude du comportement du retrait-gonflement de ces sols à partir d'une analyse menée au laboratoire, des caractéristiques minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydromécaniques. Les résultats obtenus mettent en évidence une différence de comportement entre les deux sols étudiés et soulignent l'importance de la présence et de la nature des minéraux argileux et de la texture du sol, sur le phénomène de retrait-gonflement et sur les transformations microstructurales qui en découlent. Ils montrent aussi le rôle joué par les carbonates, la cimentation et les conditions initiales sur les sols intacts ou remaniés lors des échanges hydriques. Enfin, l'influence des cycles de séchage/humidification sur le comportement hydromécanique des sols étudiés a été analysée. Les résultats montrent qu'au cours des cycles successifs de sollicitations hydriques, alors que les échantillons de sol présentent une augmentation du taux de gonflement cumulé, une stabilisation des déformations de chacun des cycles est atteinte au bout du troisième ou quatrième cycle. Ces résultats sont en relation avec une réorganisation de la microstructure mise en évidence par l'analyse microstructurale (MEB, porosimétrie).

L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche numérique bidimensionnelle, l'effet de l'interaction sol-végétation-atmosphère et de l'extraction par des racines d'arbres isolés sur le comportement thermo-hydro-mécanique des sols argileux sensibles au retrait-gonflement. Le cas de l'interaction sol-végétation-atmosphère a été étudié en se basant sur les données obtenues sur le site de Mormoiron instrumenté par le BRGM avec des sondes capacitives Humitub et des extensomètres. Afin d'exploiter les données de teneur en eau enregistrée, on a commencé par un travail expérimental d'étalonnage en laboratoire. L'étalonnage a été réalisé sur différents matériaux. L'influence de la variation de température et du type de sol sur la mesure de teneur en eau a été étudiée. Les résultats semblent montrer que les sondes capacitives comme Humitub ne sont pas adaptées à des sols argileux comme l'argile de Mormoiron. Les études bibliographiques ont aussi montré la dépendance importante des mesures effectuées par cette méthode capacitive vis-à-vis de la fréquence, surtout dans le cas des sols ayant une capacité d'échange cationique élevée. Un modèle bidimensionnel de l'interaction sol-végétation-atmosphère et un modèle bidimensionnel d'extraction d'eau par des racines ont été développés afin de décrire les effets climatiques et végétaux sur le comportement thermo-hydro-mécanique d'un milieu non saturé. Ces modèles ont été implantés dans le code de calcul aux éléments finis θ-STOCK (Gatmiri, 1997). La vérification du modèle de l'interaction sol-végétation atmosphère a été faite par le biais d'une comparaison des résultats de calcul avec les données in situ disponibles sur le site de Mormoiron et les données météorologiques de la station Carpentras. Les calculs ont été ensuite étendus à des périodes particulièrement sèches et particulièrement humides. La modélisation d'une période plus longue de 20 ans a été également effectuée. Le modèle d'extraction par des racines a été vérifié sur quelques études de cas rapportés par Biddle (1998), en utilisant les données météorologiques de la station de Londres et en considérant l'effet de l'interaction sol-végétation-atmosphère sur la surface du sol. L'ensemble des résultats obtenus montre la pertinence de l'approche numérique adoptée. Cette étude de modélisation a été finalement complétée en considérant une fondation superficielle d'une maison. Les résultats ont montré clairement le rôle de la présence d'un arbre, ainsi que l'importance de sa distance de la maison sur les tassements du sol.

La variabilité des propriétés du bois ainsi que son hygroscopicité pourraient être un frein à son utilisation dans la construction, même s’il peut être considéré comme un matériau de choix dans le contexte environnemental et économique actuel. Il est donc primordial de mieux comprendre les origines physiques du comportement du bois pour être capable d’améliorer la prédiction de ses propriétés, et pouvoir ainsi le rendre plus compétitif par rapport aux autres matériaux de construction. Le comportement hygromécanique du bois, caractérisé par des variations dimensionnelles en présence de variations d’hygrométrie, est particulièrement difficile à prédire, du fait de sa microstructure multi-échelle et de ses interactions complexes avec l’eau.Dans ce contexte, la thèse vise à comprendre et enrichir les relations entre la microstructure du bois, ses propriétés de sorption et son comportement hygromécanique, en étudiant l’influence de l’hétérogénéité de l’accroissement annuel (cerne), constitué de bois initial et de bois final dont la structure et les propriétés présentent de nombreuses différences. Cette étude est menée sur du Douglas (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), actuellement référencé comme un matériau de structure intéressant. Des outils de caractérisation avancés sont utilisés : la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du proton pour caractériser les mécanismes de sorption ; la corrélation d’images volumiques (DVC) pour mesurer les champs de déformations à partir d’images 3D de microtomographie aux rayons X (µTRX), donnant aussi accès à la densité locale du bois.Après une introduction sur le matériau bois et un état de l’art sur son comportement hygromécanique, une caractérisation préliminaire de la microstructure (angle des microfibrilles, largeur de cerne, densité) et du comportement hygromécanique d’échantillons de bois initial et de bois final prélevés dans différents cernes est menée. Une forte anisotropie du bois initial est mise en évidence en opposition au comportement isotrope transverse du bois final. Les déformations suivant la direction des fibres présentent aussi de fortes non-linéarités peu discutées dans la littérature. Une discussion sur la variabilité des propriétés est par ailleurs engagée, ainsi que sur les relations structure-propriétés à l’échelle macroscopique.L’origine des différences de comportement hygromécanique entre le bois initial et le bois final est tout d’abord recherchée au niveau des mécanismes de sorption, au travers une étude de relaxométrie RMN du proton en 2D (cartes T1-T2). Deux types d’eau liée situés dans des environnements distincts sont mis en évidence et leur isotherme de sorption diffère dans les deux types de bois. Une hypothèse sur leur localisation dans la paroi cellulaire est proposée, puis une modélisation simplifiée 2D est effectuée pour évaluer leur impact respectif sur le comportement hygromécanique du bois initial et du bois final, en particulier dans la direction des fibres.Enfin, les champs de déformations locaux et globaux sont étudiés en analysant par DVC des images de µTRX de bois initial et de bois final soumis à différentes sollicitations hydriques. Le couplage entre ces deux matériaux est aussi étudié pour évaluer leurs interactions et comprendre le comportement du bois à l’échelle du cerne. Un protocole de DVC adapté aux images de bois est proposé. Les comportements hygromécaniques du bois initial, du bois final et du cerne sont comparés. A l’échelle locale, des hétérogénéités du champ de déformations sont mises en évidence et corrélées à la densité locale. Leur effet sur le comportement du cerne et sur la courbure des échantillons induite par le chargement hydrique est analysé. Une modélisation 3D par éléments finis, tenant compte des gradients locaux de propriétés, vient enfin compléter cette étude pour améliorer la compréhension des interactions mécaniques entre le bois initial et le bois final / Wood has highly variable properties and is also hygroscopic. These characteristics may restrict its use in construction even if it can be considered as a material of choice with the current environmental and economical concerns. Therefore, it is essential to better understand the physical origins of the behavior of wood in order to improve the prediction of its properties, and making it competitive with respect to other building materials. Dimensional changes of wood appear when it is subjected to relative humidity variations. This hygromechanical behavior is particularly difficult to predict because of the multiscale structure of wood and its complex interactions with water.In this context, the present work aims to understand and enrich relationships between microstructure, sorption properties and hygromechanical behavior of wood. More specifically, it is focused on the influence of the growth-ring heterogeneity, constituted of earlywood and latewood which have different structures and properties. The study is performed on Douglas fir (Pseudotsuga menziesii (Mirb.) Franco), which is a species of significant interest for structural applications. Advanced characterization tools are used: proton Nuclear Magnetic Resonance (NMR) to characterize sorption mechanisms; digital volume correlation (DVC) to measure deformation fields from X-Ray microtomography 3D images (XRµT), also providing local density of wood.At first wood properties and its hygromechanical behavior are described through a literature overview. Preliminary microstructural (microfibril angle, growth-ring width, density) and hygromechanical behavior characterizations of earlywood and latewood samples with different cambium age are performed. Earlywood reveals a strong anisotropic behavior compared to latewood which is isotropic in the transversal plane. Moreover, strains along the fiber direction nonlinearly evolve with moisture content. This phenomenon has been hardly reported and studied in the literature. Discussions on variability of properties and on relationships between structure and properties are also initiated.Sorption mechanisms are then studied by 2D NMR relaxometry (T1-T2 correlation spectra) in order to investigate differences between earlywood and latewood hygromechanical behaviors. Two types of bound water located in distinct environments are highlighted and their sorption isotherms are shown to be different in the two types of wood. A hypothesis on their location in the cell-wall is proposed and a simple 2D model is developed to evaluate their respective effect on the hygromechanical behavior of earlywood and latewood, especially in the fiber direction.Furthermore, local and global strains fields are studied using DVC from XRµT images of earlywood and latewood subjected to relative humidity variations. The coupling of these two materials is also investigated in order to evaluate their mechanical interactions and to understand the behavior at the growth-ring scale. A specific DVC procedure is developed for images of wood. The hygromechanical behaviors of earlywood, latewood and a growth-ring are compared. At the local scale, strains fields heterogeneities are highlighted and correlated to the local density. Their effect on the growth-ring behavior and the samples curvature is analyzed. A 3D finite elements model which takes into account local gradients of properties is finally developed to better understand earlywood-latewood mechanical interactions

Le changement climatique et les événements climatiques sévères tels que les périodes de sécheresse/humidification prolongées sont à l'origine du phénomène de retrait-gonflement dans les sols argileux. Ce phénomène est affecté par les interactions sol-végétation-atmosphère (SVA) et peut causer d’importants dommages structurels aux constructions légères telles que les bâtiments résidentiels. L’objectif de ce travail de recherche est de modéliser le comportement in situ du retrait-gonflement des sols gonflants dans un contexte SVA en se basent sur des outils numériques. Une méthode d'interaction sol-atmosphère est initialement présentée accompagnée d’un modèle couplé hydro-thermique du sol. Cette approche a été principalement mise en place afin de déterminer les conditions aux limites temporelles à la surface du sol en se basent sur la notion du bilan de masse et d'énergie pour déterminer a posteriori, les modifications spatio-temporelles de la succion du sol, de la teneur en eau et de la température. Cette approche a été validée à l'aide des observations in situ des sites instrumentés. Par la suite, l’influence de l’absorption d’eau par les végétations a été intégrée dans le terme source de l’écoulement de l’eau dans un milieu non saturé, à l’aide d’un modèle d’absorption d’eau de racine existant.Les variations temporelles de succion ont été postérieurement reliées au comportement volumique du sol en appliquant une approche simple développée à partir des résultats expérimentaux des essais de séchage/humidification réalisés dans la littérature. Les indices associés dans le plan indice des vides-log succion, ainsi que les paramètres complémentaires du modèle linéaire ont été corrélés aux paramètres géotechniques de base. L'approche proposée a été ultérieurement validée avec des données in situ fournies par la surveillance d’un site expérimental. Le site expérimental de Roaillan a été instrumenté afin de surveiller les modifications physiques du sol ainsi que le comportement structurel du bâtiment. Les comparaisons entre les résultats de la modélisation et les observations in situ de la succion du sol, la teneur en eau, la température et les mouvements du sol dans le temps ont montré une performance acceptable du modèle. L’approche a ensuite été appliquée pour étudier l’influence des projections climatiques futures (2050) sur les variables physiques et les mouvements du sol sur ce site. Trois scénarios RCP relatifs aux changements climatiques ont été examinés dans cette étude, qui ont révélé des différents comportements possibles à court terme et à long terme. Finalement, l'approche développée a été appliquée au territoire français en le divisant en six régions climatiques. Différents paramètres de sol ont été attribués à chacune de ces régions climatiques afin de définir les conditions de référence. En conséquence, l’influence de différents facteurs externes sur les mouvements du sol a été analysée sur une période donnée. Enfin, l’étude suggère les mesures adéquates à prendre pour minimiser l’amplitude du phénomène de retrait et de gonflement dans un contexte SVA. / Climate change and severe climatic events such as long drought/rehydration periods are at the origin of the shrinkage and swelling phenomenon in expansive soils. This phenomenon is affected by Soil-Vegetation-Atmosphere (SVA) interactions and can cause severe structural damage to lightly loaded constructions such as residential buildings. The objective of this re-search work is to simulate the in-situ behavior of the shrinkage-swelling in expansive soils in a SVA context using numerical tools. A soil-atmosphere interaction method is primarily presented along with a coupled hydro-thermal soil model. This approach was established in order to determine primarily, the natural time variable boundary conditions at the considered soil surface based on the mass and energy balance concept, and secondly to determine the spatial-temporal changes of the soil suction, water content and temperature. This approach was validated using in situ observations of monitored sites. Thereafter, the influence of the water uptake by vegetation was incorporated in the source term of the unsaturated water flow theory, using an existing root water uptake model. Subsequently, the temporal variations of the soil suction were related to the volume change behavior using a simple approach developed based on the experimental results of drying/wetting tests performed in the literature. The associated volumetric indices in the void ratio-log suction plan, along with the complementary parameters of the linear model were correlated with basic geotechnical parameters. The proposed approach was validated with in situ data provided from an experimental site. The Roaillan experimental site was instrumented in order to monitor the soil’s physical changes along with the structural behavior of the building. Comparisons between the simulated and observed soil suction, soil water content, temperature and soil movements in time and depth showed an acceptable performance of the predictions. The approach was then extended to study the influence of future climate projections (2050) on the soil’s physical variables and movements. Three RCP climate change scenarios were considered in this analysis which revealed different possible behavior in both short term and long term. Finally, the developed approach was applied to the French territory by dividing it to six different climatic regions. Different soil parameters were attributed to each of these climatic regions in order to set the reference condition. Thereafter, the influence of different external factors was analyzed on the soil movements over a chosen period. The study finally suggests the adequate actions to take for minimizing the amplitude of the shrinkage and swelling phenome-non in a SVA context.

Dans ce travail, les risques naturels considérés concernent des mouvements de terrains qui résultent de deux phénomènes principaux : retrait et gonflement des sols argileux et l'affaissement à grand rayon lié à la présence des cavités souterraines. Ceux-ci provoquent des tassements différentiels du sol qui génèrent des désordres sur les constructions environnantes : dégâts et fissuration des murs porteurs en maçonnerie, particulièrement aux angles du bâti. Ces dégradations structurales induisent des conséquences économiques importantes dans le cas des maisons individuelles ; elles résultent d'un manque de résistance des maçonneries, du peu de raideur de leur système de fondation et du peu d'efficacité de leur système de contreventement. Cette recherche a pour objectif d'analyser la vulnérabilité du bâti et de proposer des méthodes de renforcement pour les constructions existantes ainsi que des recommandations de dimensionnement pour les constructions. Ces questions nécessitent une connaissance approfondie du phénomène des mouvements des terrains et des modalités de transfert de ces actions à une structure. Pour y répondre, quatre étapes principales ont été effectuées : une étude bibliographique, une analyse de l'interaction sol-structure, un développement d'une justification d'endommagement et d'une méthode de renforcement ou de dimensionnement ainsi qu'une analyse probabiliste des risques. L'étude bibliographique avec des analyses fonctionnelles et statistiques, d'abord, propose un profil de la maison sensible à l'aléa naturel et des cas typiques des désordres sur la construction. Le développement des modélisations par éléments finis ensuite permet d'étudier les phénomènes d'interaction sol-structure. L'analyse de l'interaction sol - structure, au moyen de modélisations par éléments finis, permet d'obtenir des sollicitations dans la maçonnerie. D'abord, des modèles analytique et numérique simplifiés ont été développés pour modéliser des structures simples telles une semelle filante, un système de semelles d'une fondation filante ou un mur en maçonnerie sur un sol élastique de type Winkler ou Boussinesq. Ensuite, des modélisations de structures plus complexes avec tous les éléments du bâti ont été effectuées en développant un code aux éléments finis particulier qui a permis de calculer des bâtiments en maçonnerie sur un sol de type Pasternak. En vue de développer une justification d'endommagement ainsi qu'une méthode de renforcement et de dimensionnement adaptée pour risque «mouvement de terrains », les travaux de recherche focalisent sur la distribution des sollicitations obtenues par des modélisations et analysent les domaines de validité de la démarche proposée par les Eurocodes EC6 et EC8 pour les murs de contreventement en maçonnerie confinée (chainée) ou armée. L'analyse probabiliste des risques, couplant les modèles aux éléments finis développés avec la méthode des simulations de Monte-Carlo, a permis d'étudier la vulnérabilité des maisons individuelles selon les caractéristiques structurales représentatives du bâti existant, dans les régions les plus touchées par les mouvements de terrains. Les résultats de cette analyse ont été unifiés, au sein d'une méthodologie globale de l'évaluation de la vulnérabilité de structures, à l'usage, d'une part, des pouvoirs publics dans l'établissement de cartographies SIG des risques, et d'autre part de la capacité des procédés de renforcement à l'usage des industries / In the present work, the considered natural hazards concern to ground movements resulting from two main phenomena : shrinkage and swelling of clay soils and ground subsidence due to the presence of underground cavities. These phenomena cause differential ground settlements which generate disorders on the structures erected in their neighborhood : damage and cracking of masonry load-bearing walls, especially at the building corners. These structural degradations cause important economic consequences and losses in the case of dwelling houses. These damages result from a lack of masonry resistance or a small stiffness of the foundation system as well as a limited effectiveness of bracing system.This research aims to analyze the vulnerability of buildings and to propose a reinforcement method for the existing constructions as well as design recommendations for structures. These topics require a thorough understanding of the ground movements phenomenon and their transfer as actions on a structure. For this purpose, four main steps were performed : a literature review, an analysis of soil-structure interaction, a development of a damage justification and a method for reinforcement or design, as well as a probabilistic analysis of risk.The literature review with functional and statistical analysis, as a first step, provides a profile of the house susceptible to natural hazard effects and typical cases of building disturbances. The development of finite element method is therefore considered in order to study soil-structure interaction.The analysis of the soil-structure interaction using finite element modeling provides stresses in the masonry. First, simplified analytical and numerical models have been developed for simple structures such as a strip footing, a system of strips foundation or a masonry wall lying on elastic soil (Winkler or Boussinesq). Afterwards, modeling of more complex structures with the whole building elements was made by developing a particular finite element code that allowed the calculation of masonry buildings on a Pasternak soil. To develop a damage justification as well as the reinforcement and design building methods suitable for risk of “ground movements”, this work focuses on the stresses distribution obtained by numerical models and analyzes the validity domain of the approach proposed by Eurocodes EC6 and EC8 for confined masonry or reinforced masonry. By coupling the developed finite element models with the Monte-Carlo method, the probabilistic analysis of risk allows to study the vulnerability of dwelling houses having representative structural characteristics of existing buildings, erected in areas that are the most affected by ground movements. The results of this analysis have been unified into a global methodology for assessing the vulnerability of structures. This methodology is used, in one hand, for the development of GIS mapping of risks and, in other hand, for the reinforcement processes