De nombreux tremblements de terre ont provoqué l’effondrement de structures importantes. La conception des structures résistant aux séismes dépend fortement de l’interaction sol-fondation-structure. Cette interaction implique la prise en compte simultanée des mouvements relatifs et des mécanismes de transfert de charge. En ce qui concerne les sols liquéfiables, la génération des pressions interstitielles doit également être prise en compte.Le renforcement des sols compressibles par des pieux est une solution très utilisée pour supporter les structures dans des zones sismiques. Plus récemment, la technique de renforcement par inclusions rigides a été utilisée. La différence entre les deux techniques réside dans le fait que, dans la technique du renforcement par inclusions rigides, un matelas de transfert de charge est intercalé entre la structure et les têtes des inclusions rigides. L’utilisation du matelas permet la dissipation d’énergie liée au séisme.Ce travail de thèse étudie le comportement sismique des sols compressibles renforcés par des pieux (système sol-pieux-structure) et des inclusions rigides (système sol-inclusions-matelas-structure). L’étude est effectuée à l’aide d’une modélisation numérique tridimensionnelle par différences finies avec le code Flac3D. Plusieurs types de sol ont été considérés en prenant en compte des états drainés et non drainés. Pour les cas non drainés, les analyses ont été réalisées à l'aide de simulations hydro-mécaniques couplées. Des modèles constitutifs simples et complexes ont été utilisés pour représenter le comportement du sol. Un amortissement de type Rayleigh a été appliqué pour fournir un amortissement supplémentaire à la partie élastique lorsque des modèles constitutifs élastoplastiques simples ont été considérés.L’objectif de ce travail est d’identifier l’impact des facteurs importants sur la réponse des systèmes analysés. Des nombreux paramètres comme le type de fondation, la fréquence du chargement, les caractéristiques dynamiques de la structure, le profil de sol et la densité relative ont été étudiés. En tenant compte des fondations sur pieux et des inclusions rigides, les conditions aux extrémités des pieux, la configuration du groupe de pieux, la longueur des pieux et l'encastrement des fondations ont également été investigués.Des aspects importants relatifs aux modèles numériques ont également été explorés tels que la géométrie du modèle, les frontières absorbantes, la taille des éléments du maillage, les éléments d'interface, les éléments structurels et le chargement dynamique.Les mouvements et contraintes dans le sol, les structures et les éléments rigides de renforcement ont été analysés et ont permis de mettre en évidence l’influence des divers paramètres étudiés. Cette étude a permis de mettre en évidence l’influence de certains paramètres dans la réponse (accélérations, déplacements, efforts, contraintes, pression interstitielle) des systèmes évalués. Le type de rupture dans les éléments des systèmes étudiés ont également été mis en évidence.Mots-clés: pieux; inclusion rigide; modélisation numérique; analyse dynamique; interaction de la structure du sol; liquéfaction / A great amount of earthquakes have caused the collapse of important structures along the history. The design of earthquake-resistant structures depends greatly of the soil-structure interaction. This interaction implies the consideration of relative movements and load transfer mechanism simultaneously. Dealing with liquefiable soils the generation of pore pressure should also be considered.Pile system constitutes a common foundation of structures resting on soil layers of low stiffness and strength in seismic zones. More recently rigid inclusion systems were utilized. The difference is that in the rigid inclusion systems, the rigid elements are separated from the foundation slab by an earth platform that is able to transfer the surface loads and dissipate energy coming from the seismic loading.This manuscript studies the behavior, through numerical models, of inclusions systems (soil-inclusion-platform-structure) and pile systems (soil-pile-structure) considering soft soils under seismic loadings. Finite difference numerical models were developed using Flac3D. Several types of soils were utilized in drained and undrained conditions. For the undrained cases, the analyses were carrying out using dynamic coupled fluid-mechanical simulations with accuracy the behavior of soils. The Rayleigh damping approach was applied to provide additional damping in the elastic part when simple elasto-plastic constitutive models were considered.The objective of the investigation is the identification of the impact of important factors in the response of the analyzed systems. Factor such as the foundation type, the frequency of the input motion, the dynamic characteristics of the structure, the soil profile and the relative density were investigated. Considering the pile and rigid inclusion foundations, the support conditions, the pile group configuration, the pile length, the embedment of the foundation were also examined.Additional and important aspects of numerical model were also explored like the model geometry, dynamic boundary conditions, element size, interface elements, structural element types, dynamic loading.Results in terms of movements and stresses in the soil, superstructure and rigid elements were obtained. They show the great influence of some parameters in the response (accelerations, displacements, efforts, strains, pore pressure) of the evaluated systems. Others highlight the importance of a type of failure in the elements of the system.Keywords: pile; rigid inclusion; numerical modelling; dynamic analysis; soil structure interaction; liquefaction

Les constructions d'infrastructures linéaires de transport sont de plus en plus contraintes par la traversée de terrains aux caractéristiques mécaniques médiocres, pouvant mener à des tassements importants où à la formation de fontis en base de l'ouvrage. Un renforcement géosynthétique peut alors être mis en œuvre sur cavités potentielles ou en renforcement de plateforme de transfert de charges sur inclusions rigides. L'objectif de cette thèse CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la Recherche) menée dans le cadre du projet de recherche FUI (Fond Unitaire Interministériel) GéoInov est de mieux appréhender le fonctionnement de ces ouvrages renforcés par géosynthétique afin d'en optimiser le dimensionnement. Dans le cadre de la thèse, différentes expérimentations en vraie grandeur ont permis d'appréhender le comportement cinématique et mécanique des renforcements géosynthétiques dans le cas d'effondrements localisés sous un remblai granulaire non cohésif ou une couche de sol traité, et dans le cas des renforcements des plateformes de transfert de charges sur inclusions rigides. Une importante base de données expérimentales a ainsi été constituée. Des simulations numériques discrètes des expérimentations sur cavités et inclusions rigides ont été menés afin de préciser le rôle des renforcements et des mécanismes mis en jeu dans ces structures renforcées. Dans le cas des effondrements localisés, la calibration du modèle à partir des données expérimentales a permis de préciser les mécanismes de transferts de charges au sein du remblai, la géométrie de la distribution de contrainte sur le renforcement géosynthétique et les mécanismes de rupture pour le cas des sols traités. Au final, la combinaison des approches expérimentales et numériques a abouti à une meilleure compréhension de certains mécanismes de transfert de charges ce qui a permis d'apporter des améliorations aux méthodes de dimensionnement analytiques que ce soit pour le cas des remblais granulaires non cohésifs ou pour le cas d'une couche de sol traité renforcé. Des avancées et un enrichissement des codes de calcul ont été également réalisés notamment par l'intégration des grilles de renforcement. / Constructions of transport infrastructures more and more occurs in areas where soils have rather low mechanical characteristics, leading to considerable settlements or the formation of voids. Geosynthetic reinforcements then provide a technical solution over sinkholes or within a load transfer platform over rigid inclusions. This CIFRE (French Research Education by Industrial Convention) PhD is lead as part of the French FUI (Inter-Ministry Fund) research project GeoInov. The purpose is to get better understanding of the mechanical behaviour of geosynthetic-reinforced structures in order to optimise their design. During this thesis, different full-scale experimentations enabled to understand the kinematic and mechanical behaviour of geosynthetic reinforcements over sinkholes under a non-cohesive embankment or a treated soil layer, or geosynthetic-reinforced load transfer platforms over rigid inclusions. Thus a consequent experimental data base was built. The experimentations were then simulated using discrete numerical models in order to specify the role of the geosynthetic reinforcement and mechanical mechanisms within the reinforced structures. For sinkholes, the numerical model could be fitted with experimental data, which enabled to point out load transfer mechanisms within the embankment, the of the load distribution on the geosynthetic reinforcement and failure mechanisms for the case of reinforced treated soil layers. Finally, the combined experimental and numerical approaches lead to a better understanding of some aspects of load transfers within the embankment, which enabled to optimise analytical design methods for geosynthetic reinforcements within a non-cohesive embankment or a treated soil layer overlying a void. Progresses were also made and discrete calculation codes enriched by the integration of geogrids.

Los suelos blandos originan diversos problemas en el momento de las construcciones, como en las cimentaciones de distintas edificaciones u otras obras civiles. Estos tipos de suelos necesariamente tienen que ser analizados y tratados correctamente, pues, estos originan problemas a corto y largo plazo. En las décadas posteriores se han desarrollado métodos para mejorar el terreno, uno de estos métodos consiste en la construcción, sobre el suelo blando, de elementos verticales rígidos que se llaman inclusiones rígidas. Cuyo principal meta, es la mejora sobre el suelo blando, bajo bases o cimentaciones de estructuras y malos rellenos, permitiendo el desarrollo de las edificaciones con mayor velocidad y disminuyendo los asentamientos de forma sustancial. Al aplicarse esta técnica sobre el terreno blando, se disminuye el asentamiento vertical, ya que al colocarse una capa de reparto que distribuye toda la carga de la estructura se transfiere todo el peso a las inclusiones, minimizando la carga sobre el terreno blando y por consecuente el asentamiento. Como parte de esta tesis presentaremos dos métodos para estudiar el asentamiento de edificaciones que descansan sobre un suelo blando mejorado con la técnica de inclusiones rígidas. El desarrollo de la solución es completamente analítico, pero los análisis de elementos finitos se utilizan para verificar la validez de algunas suposiciones, como un modelo geométrico simplificado, la distribución de la carga con la profundidad y las condiciones de contorno. El perfil del suelo se divide en secciones horizontales independientes, y el equilibrio de las tensiones y la compatibilidad de las deformaciones se presentan en las direcciones vertical y horizontal. La solución se presenta desarrollando un análisis numérico (Plaxis) comparándolo con el método analítico (Combarte) y se puede implementar fácilmente en una hoja de cálculo. / The soft soils cause various problems at the time of construction, as in the foundations of different buildings or other civil works. These types of soils necessarily have to be analyzed and treated correctly, as these cause short and long term problems. In the last decades methods have been developed for the improvement of the land, one of these methods consists of the introduction or construction in the soft soil of rigid vertical elements that are called inclusions. Its main application is in soils under large landfills or foundations of structures, allowing the construction of buildings with greater speed and decreasing settlements considerably. By applying this technique on the soft ground, vertical settlement is reduced, since by placing a distribution layer that distributes the entire load of the structure, all the weight is transferred to the inclusions, minimizing the load on the soft ground and consequently settlement. As part of this thesis we will present two methods to study the settlement of buildings that rest on a soft soil improved with the technique of rigid inclusions. The development of the solution is completely analytical, but the finite element analyzes are used to verify the validity of some assumptions, such as a simplified geometric model, the distribution of the load with the depth and the boundary conditions. The floor profile is divided into independent horizontal sections, and the balance of the stresses and the compatibility of the deformations are presented in the vertical and horizontal directions. The solution is presented by developing a numerical analysis (Plaxis) comparing it with the analytical method (Combarieu) and can be easily implemented in a spreadsheet. / Tesis

The mechanisms that control the lateral response of stiff column-supported shallow foundations, resulting from the application of horizontal load on shallow foundations supported by stiff columns, are uncertain. Stiff columns constructed in soft clayey soil have been used to support retaining walls and in such cases, the lateral thrust applied behind these geotechnical structures is a source of horizontal loading. For seismic events, stiff columns constructed in soft clayey soil have been used to support shallow foundations subjected to horizontal load coming from the upper structure of buildings. Due to its practical applications, it has become important to understand the consequences of subjecting a shallow foundation supported by stiff columns to horizontal load by identifying the factors that control the lateral response of such systems. A series of centrifuge tests were carried out to examine the lateral response of stiff column-supported shallow foundations. The experimental trends suggested that the thickness of the coarse-granular mattress placed above the soil-column composite, called the Load Transfer Platform (LTP), controlled the lateral capacity and the overall lateral response of these systems. A numerical study using the finite element method confirmed the experimental trends. A parametric analysis was conducted with the purpose of investigating the influence of different geometry-based and material-based variables in the lateral response of these systems. The results of the parametric analysis further confirmed the importance of the thickness of the LTP in controlling the lateral response. The parametric results also emphasized the contribution of other variables to this lateral response, and these variables included the undrained shear strength of the soft clayey soil around the stiff columns, the stiff column diameter, and the spacing of the stiff columns after they are constructed in the soft clayey soil. / Doctor of Philosophy / Ground improvement is the process of improving the properties of weak soils. In practice, there are several ways to accomplish the ground improvement of weak soils. One way is to use stiff columns. Stiff columns are solid cylinders that are constructed in the weak soil in order to produce a stiff and strong soil-column composite capable of better supporting the square-shaped foundations of structures. Under horizontal load, there is uncertainty on the factors that control the lateral behavior of the stiff columns when used for the support of the square-shaped foundations of structures. An experimental and numerical approach was used to determine these factors and to understand their influence in the lateral behavior of such systems. The findings showed that the controlling factors of this lateral behavior included the thickness of a sand layer placed above the stiff columns, the diameter of the stiff columns, the spacing of the stiff columns after they are constructed in the weak soil, and the strength of the soil around the stiff columns. These findings will aid in improving the design of stiff columns used for the support of square-shaped foundations of structures subjected to horizontal load.

Le renforcement des sols en zone sismique par des colonnes ballastées et/ou des inclusions rigides représente une alternative prometteuse et de plus en plus répandue par rapport aux solutions lourdes de fondations sur pieux. On sait que les pieux subissent, du fait de leur rigidité, des moments très importants au niveau de la liaison chevêtre-pieu. Les inclusions rigides surmontées d'un matelas granulaire permettent de mieux dissiper les efforts inertiels transmis par la superstructure, mais peuvent nécessiter des armatures si ce matelas n'est pas suffisamment épais. On peut penser que la colonne à module mixte (CMM) offre une solution combinant l'effet « matelas » à travers sa partie supérieure en colonne ballastée plus flexible et l'effet stabilisateur de la colonne inférieure. Cette thèse présente dans une première partie l'étude expérimentale réalisée au Laboratoire 3S-R (Grenoble) sur des modèles réduits à l'échelle 1/10 afin d'analyser la réponse de ces systèmes sous différentes charges statiques et dynamiques. Le modèle physique se compose d'une semelle carrée reposant directement sur l'argile renforcée. Le chargement vertical et horizontal, statique et dynamique est appliqué par l'intermédiaire de la fondation. Une instrumentation a été placée au niveau de la semelle pour obtenir la réponse globale du système, ainsi que dans la partie rigide inférieure du modèle pour évaluer la répartition des efforts entre inclusion et partie flexible supérieure. Une attention toute particulière a été donnée à la simulation de l'effet inertiel d'un séisme. Les profils de moments, d'efforts tranchants et de déplacements en fonction de la profondeur déterminés à partir de 20 extensomètres répartis régulièrement sur toute la hauteur de la partie rigide ont permis d'étudier l'influence de la hauteur de la colonne ou du matelas. La comparaison entre les déplacements dynamiques de la semelle et les courbes P-y (pression latérale P fonction du déplacement latéral y de la tête de pieu), permet de quantifier la dissipation de l'énergie dans les différentes parties du système. Les résultats expérimentaux montrent que la partie supérieure souple absorbe l'essentiel de l'énergie inertielle sismique. Une modélisation numérique 3D confirme les tendances observées expérimentalement et souligne l'importance du rôle de la zone de transition entre partie souple et partie rigide. / Along with the increasing need of construction land, numerous soil reinforcement technologies are proposed in order to improve the soil mechanical properties on one hand and overall site response on the other hand. The presented study is carried out in the context of seismic soil reinforcement and its interaction with a shallow footing which undergoes inertial loading. The system is studied mainly through physical modelling when reduced scale models are constructed in order to simulate clay reinforcement, which is composed of a rigid lower part associated to a flexible upper part. The soft upper part offers shear and moment capacity and the rigid lower part gives bearing capacity. In order to design the reinforcement elements, the response of this combined system to different static and dynamic loads must be understood. This thesis presents results from a primarily experimental study performed in Laboratoire 3S-R (Grenoble). Two reduced (1/10) physical models consisting of a group of four rigid inclusions associated to an upper flexible part are studied in clay. Combined vertical and horizontal static and dynamic loading is applied with a shallow foundation model. A parametric study is done, varying the height of the flexible part of the models in order to define its effect on the settlements of the foundation and lateral performance of the rigid inclusion. A special emphasis was given to the study of the inertial effects of seismic type loading. For this purpose, one of the rigid inclusions was instrumented with 20 levels strain gauges measuring flexural strain, used to calculate the bending moment along the pile. This gives pile deflection (y) by double integration and soil reaction (P) by double derivation. P-y curves are thus obtained. The analysis of the dynamic deflection of the rigid inclusion compared to the movement of the foundation allowed an estimation of the energy dissipated. The results indicate that a large amount of the seismic energy is dissipated within the upper flexible part of the models. Even though the scaling laws are not strictly respected, the main objective of the physical modelling was to perform a qualitative study of the soil reinforcement, studying its behaviour under inertial loading and pointing out important mechanisms, which should be taken into account by the current practice.