Cette thèse rapporte les résultats d'études expérimentales effectuées à l'?domètre avec imposition de succion par la méthode osmotique sur des matériaux gonflants compactés lâches et naturels denses. Plusieurs cycles de séchage/humidification ont été appliqués sur ces matériaux sous trois faibles charges mécaniques constantes. Pendant ces cycles, les éprouvettes manifestent un retrait cumulé pour le sol lâche et un gonflement cumulé pour le sol dense. Les résultats montrent que dans les deux cas, les déformations volumiques convergent vers un état d'équilibre où le sol présente un comportement réversible. A la fin des cycles de succion, un cycle de chargement/déchargement a été effectué sous les succions constantes. Les valeurs de la pression de préconsolidation p0(s), de l'indice de compression vierge lambda(s) et de l'indice de compression élastique lambda dépendent directement des chemins de contrainte suivis.<br>L'ensemble des résultats expérimentaux permet de déterminer les surfaces de charge : la limite de séparation de micro/macro (Lm/M) ; la surface de chargement-effondrement (LC) et la surface de comportement saturé (SCS). La succion limite entre la micro- et la macrostructure (Lm/M) dépend parfaitement de la structure interne et du diamètre qui délimite les deux familles de pores. L'évolution de la pression de préconsolidation en fonction de la succion imposée est présentée par la surface LC. Les courbes de compressibilité sous différentes succions convergent vers la courbe correspondant à l'état saturé sous de fortes contraintes appliquées. La pression à partir de laquelle, le sol continue son chemin sur la courbe du comportement normalement consolidé est appelée la pression de saturation (Psat). Plus la succion imposée est élevée, plus la charge nécessaire pour atteindre cette pression de saturation est importante. La surface SCS présente la variation de la pression de saturation en fonction de la succion imposée. Nous pouvons considérer que les surfaces de charge SCS et LC sont uniques pour les sols denses cependant elles se superposent à la fin des cycles de succion pour les sols lâches. Les cycles hydriques augmentent aussi la limite (Lm/M) entre la micro- et la macrostructure pour les deux sols.

Les sols gonflants compactés sont largement utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Après leur mise en place, ces matériaux risquent d'être soumis à des sollicitations hydriques et/ou mécaniques complexes qui peuvent entraîner de fortes modifications de leurs propriétés hydromécaniques susceptibles de mettre en cause leur fonctionnement initial. Il est donc important de prévoir le comportement hydromécanique de ces matériaux compte tenu des applications sensibles auxquelles ils sont destinés.<br />L'équipe de Barcelone a développé un code de calcul aux éléments finis (Code_Bright) pour l'analyse des problèmes couplés (THM) dans des géomatériaux, avec l'intégration du modèle élastoplastique (BBM) pour les sols non saturés non gonflants. Ce modèle est capable de décrire correctement le comportement hydromécanique des sols non saturés mais ne tient pas compte de quelques aspects particuliers observés sur des sols gonflants. Un deuxième modèle (BExM) a été alors proposé pour prendre en considération ces aspects. <br />L'objectif principal du travail présenté ici est : (i) d'implanter le modèle élastoplastique BExM pour les sols gonflants non saturés dans le code de calcul aux éléments finis Code_Bright ; (ii) de valider le modèle numérique à partir d'essais réalisés au laboratoire sur des sols gonflants ; et (iii) d'appliquer ce modèle aux simulations des problèmes pratiques. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle famille de procédures numériques adaptées au modèle BExM a été introduite dans le code. L'équation de la fonction de charge de ce modèle pour un état donné de contrainte déviatorique a été déterminée de manière à faciliter les calculs de ses dérivées. La validation numérique du modèle a été vérifiée par des simulations numériques d'essais œdométriques à succion contrôlée, réalisées sur trois sols gonflants différents. Les résultats des simulations numériques de ces essais ont montré les aptitudes du modèle numérique implanté à reproduire correctement les résultats expérimentaux. Enfin, le modèle a été appliqué à deux problèmes pratiques : le stockage de déchets radioactifs dans les couches géologiques profondes et l'effet du retrait-gonflement du sol sur une fondation superficielle. Les résultats obtenus ont montré la capacité du modèle implanté à modéliser des problèmes couplés hydromécaniques.

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude expérimentale du comportement hydromécanique d'un lœss naturel non saturé effondrable provenant d'un site proche de la ville de Bapaume (nord de la France) dans une zone où des problèmes de tassement le long de la ligne nord du TGV ont été attribués à l'effondrement du lœss, du fait d'infiltrations d'eau. Un nouvel appareil triaxial permettant de mesurer localement l'ensemble des caractéristiques du loess non saturé (déformation, teneur en eau et succion) a été développé. La courbe de rétention d'eau, déterminée à l'aide d'un tensiomètre de haute capacité et de la méthode du papier filtre a fait l'objet d'une attention particulière : elle présente autour de la teneur naturelle une zone sans hystérésis bordée par deux boucles d'hystérésis des côtés secs et humides. L'analyse de la courbe de rétention et du phénomène d'hystérésis a été approfondie grâce à une étude microstructurale réalisée à l'aide de la porosimétrie au mercure et de la microscopie électronique à balayage. Une structure assez complexe composée d'un arrangement métastable de grains de limon secs (probablement liés par la recristallisation du calcaire) et d'une phase argileuse répartie de façon hétérogène a été mise en évidence. L'étude du comportement hydromécanique a compris une investigation de l'effondrement à partir de faibles valeurs de contraintes proches de la contrainte in-situ, à l'aide d'essais oedométriques à taux de déformation constant avec mesures de succion. Le maximum d'effondrement et une dépendance fonction de la vitesse de chargement ont été identifiés. Une campagne d'essais triaxiaux à différentes teneurs en eau constantes avec mesure de succion a permis de déterminer l'allure de la limite élastique du limon naturel dans un diagramme p/q, ainsi que ses variations avec la teneur en eau et la succion et confirmer l'écrouissage en succion

RÉSUMÉ Les routes sont normalement pourvues de systèmes de drainage dimensionnés et exécutés conformément aux règles de l’art en vue d’évacuer, le plus rapidement possible de l’emprise de la route, les eaux des précipitations à considérer sur la base des périodes de retour prises en compte. Toutefois, il subsiste souvent des écoulements d’eau indésirables au niveau des talus et parfois dans les accotements et/ou les surfaces de roulement non imperméabilisées. Une succession de pluies entraîne des infiltrations d’eau qui varient notamment en fonction des conditions climatiques et suivant la texture et la structure du sol. De telles infiltrations ont pour conséquence la réduction des coefficients de sécurité des talus. Bien qu’il existe plusieurs publications scientifiques traitant de pluies qui ont conduit à des glissements de terrain (Lim et al. 1996 ; Cho et al. 2001 ; Kim et al. 2004 ; Xue et al. 2007 ; Gavin et al. 2008), les incidences des infiltrations résultant de pluies successives sur le comportement des couches superficielles des sols non saturés ne sont généralement pas prises en compte. Les modèles permettant le calcul de la stabilité de talus des massifs de sols non saturés exigent beaucoup de paramètres parfois difficiles à évaluer et se rapportent ordinairement aux cas d’instabilité provoqués par une remontée du niveau piézométrique des nappes phréatiques. Sur la base des essais réalisés en laboratoire, une méthodologie adaptée permettant d’évaluer la variation spatio-temporelle de la teneur en eau du sol en fonction d’une suite de pluies a été développée. Cette méthodologie facilite la prise en compte des effets cumulés des taux d’infiltration associés aux évènements pluvieux et permet d’en déduire le profil de succion ainsi que celui de la cohésion apparente à utiliser en vue de calculer, pour une inclinaison β du talus, l’intervalle de variation du coefficient de sécurité Fs. La méthodologie développée présente un intérêt particulier dans le cas de budgets et infrastructures limités. ABSTRACT Roads are normally equipped with drainage systems sized and implemented in accordance with the rules of art to evacuate as quickly as possible to the right of way, water precipitation to be considered on the basis of return periods taken into account. However, there are often water flows at the slope side and sometimes in the shoulders and / or running surfaces that are not waterproof. A succession of rain causes a certain amount of water infiltration, which varies according to climatic conditions and depending on the soil texture and structure. Such infiltrations have resulted in reduced safety factor of slopes. Although there are several scientific publications on rainfall leading to landslides (Lim et al. 1996; Cho et al. 2001, Kim et al. 2004; Xue et al. 2007; Gavin and al. 2008), impacts resulting from infiltration of successive rains on the behavior of surface layers of unsaturated soils are usually not taken into account. Models for calculating the slope stability of unsaturated soils require many parameters that can be, in certain circumstances, difficult to assess and refer generally to cases of instability caused by a rise in groundwater level. Based on laboratory tests, a suitable methodology for assessing the spatial and temporal variation of soil water content induced by a set of rains has been developed. This methodology facilitates the inclusion of the cumulative effects of the infiltration rates associated with rain events and infers from them the profile of suction and that of the apparent cohesion to be used to calculate, for a slope angle β, the range of variation of the safety factor Fs. This methodology is particularly relevant in the case of limited budgets and infrastructures.

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude expérimentale du comportement hydromécanique d'un lœss naturel non saturé effondrable provenant d'un site proche de la ville de Bapaume (nord de la France) dans une zone où des problèmes de tassement le long de la ligne nord du TGV ont été attribués à l'effondrement du lœss, du fait d'infiltrations d'eau. Un nouvel appareil triaxial permettant de mesurer localement l'ensemble des caractéristiques du loess non saturé (déformation, teneur en eau et succion) a été développé. La courbe de rétention d'eau, déterminée à l'aide d'un tensiomètre de haute capacité et de la méthode du papier filtre a fait l'objet d'une attention particulière : elle présente autour de la teneur naturelle une zone sans hystérésis bordée par deux boucles d'hystérésis des côtés secs et humides. L'analyse de la courbe de rétention et du phénomène d'hystérésis a été approfondie grâce à une étude microstructurale réalisée à l'aide de la porosimétrie au mercure et de la microscopie électronique à balayage. Une structure assez complexe composée d'un arrangement métastable de grains de limon secs (probablement liés par la recristallisation du calcaire) et d'une phase argileuse répartie de façon hétérogène a été mise en évidence. L'étude du comportement hydromécanique a compris une investigation de l'effondrement à partir de faibles valeurs de contraintes proches de la contrainte in-situ, à l'aide d'essais oedométriques à taux de déformation constant avec mesures de succion. Le maximum d'effondrement et une dépendance fonction de la vitesse de chargement ont été identifiés. Une campagne d'essais triaxiaux à différentes teneurs en eau constantes avec mesure de succion a permis de déterminer l'allure de la limite élastique du limon naturel dans un diagramme p/q, ainsi que ses variations avec la teneur en eau et la succion et confirmer l'écrouissage en succion / The hydromechanical behaviour of an unsaturated natural loess from Northern France has been studied. Collapse-on-wetting phenomena under constant external load are observed in the in-situ conditions, related to some stability problems detected on the loess foundations of the high speed train line that links Paris to Brussels. A new triaxial apparatus with complete local monitoring of unsaturated properties (strains, water content and suction) of this loess has been developed. The water retention curve of loess, obtained by using an in-house constructed high capacity tensiometer and the filter paper method, shows a special behaviour, with a non-hysteresis zone detected around the natural hydric state bordered by two hysteresis loops at the dry and wet sides of the curve. Further analysis of the water retention curve and of the hysteresis phenomena were conducted by means of a microstructure study made by mercury intrusion porosimetry and scanning electron microscope observations. The complex structure of loess is highlighted, composed by a metastable arrangement of dry silt grains (possibly related to carbonate re-crystallisation) and a heterogeneously distributed clay fraction. The hydromechanical behaviour study includes the evaluation of the collapse sensibility of loess at stress states close to the in-situ one, by a series of suction-monitored oedometer tests performed at different constant strain rates (CSR tests). A maximum of collapse and a time-dependent behaviour of loess were observed. A triaxial testing programme at different water contents with suction measurement, allowed to obtain the yield surface of loess in a q/p diagram, and the water content and suction evolution upon loading and to confirm the suction hardening in this material

Ce travail de recherche se situe dans le cadre du développement de la méthode des éléments de frontière (BEM) pour les milieux poreux multiphasiques. À l'heure actuelle, l'application de la BEM aux pr oblèmes des milieux poreux non-saturés est encore limitée, car l'expression analytique exacte de la solution fondamentale n'a pas été obtenue, ni dans le domaine transformé ni dans le domaine réel. Ceci provient de la complexité du système d'équations régissant le comportement des milieux poreux non-saturés. Les développements de la BEM pour les sols non-saturés effectués au cours de cette thèse sont basés sur les modèles thermo-hydro-mécanique (THHM) et hydro-mécanique (HHM) présentés dans la première partie de ce mémoire. Ces modèles phénoménologiques basés sur la théorie de la poromécanique et les acquis expérimentaux sont obtenus dans le cadre du modèle mathématique présenté par Gatmiri (1997) et Gatmiri et al. (1998). Après avoir présenté les modèles THHM et HHM, on établit pour la première fois les équations intégrales de frontière et les solutions fondamentales associées pour un milieu poreux non-saturé sous chargement quasi-statique pour les deux cas isotherme (2D dans le domaine de Laplace) et non-isotherme (2D et 3D dans les domaines de Laplace et temporel). Aussi, les équations intégrales de frontière ainsi que les solutions fondamentales 2D et 3D (dans le domaine de Laplace) pour le modèle dynamique couplé des sols non-saturés sont obtenues. Ensuite, les formulations d'éléments de frontière (BEM) basées sur la méthode quadrature de convolution (MQC) concernant les milieux poreux saturé et non-saturé sous chargement quasi-statique isotherme et dynamique sont implémentées dans le code de calcul " HYBRID ". Ayant intégrées les formulations de BEM pour les problèmes de propagation d'ondes ainsi que pour les problèmes de consolidation dans les milieux poreux saturés et non-saturés, il semble que nous ayons fourni à l'heure actuelle le premier code de calcul aux éléments de frontière (BEM) qui modélise les différents problèmes dans les sols secs, saturés et non-saturés. Une fois le code vérifié et validé, des études paramétriques portant sur des effets de site sismiques sont effectuées. Le but recherché est d'aboutir à un critère simple, directement exploitable par les ingénieurs, combinant les caractéristiques géométriques et les caractéristiques du sol, permettant de prédire l'amplification du spectre de réponse en accélération dans des vallées sédimentaires aussi bien que vides

Les remblais argileux sont fréquemment exposés à des cycles de séchage et d'humidification. Ce mémoire analyse les effets de ces cycles sur le comportement observé de deux ouvrages expérimentaux en sols argileux non saturés. Les sols ont été caractérisés en laboratoire, puis le comportement des remblais a été modélisé en éléments finis (module CSNS de CESARLCPC). Les développements numériques effectués pour améliorer la modélisation numérique de la consolidation des sols non saturés ont été validés.

Les déchets radioactifs sont stockés dans des milieux poreux multi-phasiques. Un nouveau modèle d'endommagement, formulé en variable indépendantes (contrainte nette, succion et contrainte thermique) est proposé pour ces géomatériaux. La variable d'endommagement est un tenseur d'ordre deux, dont les valeurs principales croissent avec la tension. Les relations contrainte/déformation sont dérivées de l'énergie libre, dont l'expression est postulée. Les rigidités dégradées sont calculées en appliquant le principe de l'Energie Elastique Equivalente pour chaque variable d'état. La fissuration est prise en compte dans les transferts d'humidité, au moyen de longueurs internes. Le modèle d'endommagement a été intégré dans le code d'Eléments Finis Θ-Stock. Le modèle mécanique a été validé en comparant des résultats numériques à des résultats expérimentaux et théoriques. Les tendances données par le modèle dans les études paramétriques sur des configurations réalistes complexes sont bonnes.

Le transport des composants chimiques dans le sol par l'eau est une cause principale de la pollution du sol. Ce transport a lieu autour des remblais et de la zone de stockage du déchet nucléaire, des rejets et des pertes de mine, etc. Un grand nombre de ces sites est non saturé de l'eau et dans certains cas la chaleur peut changer le destin des espèces chimiques, qui nous mènent à un problème couplé dans le milieu multiphasique. Dans ce mémoire, les simulations numériques avec un modèle thermo-hydro-mécanique existant et les modélisations théoriques et les simulations numériques du transport et les interactions d'une espèce chimique dans les milieux multiphasiques sont présentées. Les formulations THM intégrées dans le Code_Aster sont présentés. L'excavation, la mise en place de barrière ouvragée et le chargement thermique de puits de stockage des déchets nucléaires sont modélisés. La vérification du modèle est presentée à travers de ces simulations numériques. Une modélisation théorique du comportement thermo-hydro-mécanique couplée aux phénomènes chimiques est ensuite présentée dans le cadre d'une approche entièrement couplée dans laquelle l'eau, le gaz, l'espèce chimique et le squelette de sol ont été considérés comme constituants; les inconnues correspondantes sont la température, la pression de l'eau, la pression de gaz, la concentration chimique et les déplacements. Pour chaque constituant, l'équation de bilan de masse et la loi de comportement appropriée sont écrites et résolues simultanément. Les résultats de ce modèle ont été comparés à des résultats théoriques et expérimentaux existant dans la littérature. Les résultats de quelques applications du modèle sont également présentées. Enfin, quelques perspectives de recherche sont proposées. En particulier, il y a un besoin d'effectuer des expériences pour obtenir les paramètres nécessaires du sol pour permettre de modéliser plus précisément le transport de la chaleur et du soluté dans les sols non saturés et déformables.

Les processus de transfert de pesticide dans les sols sont encore mal connus. Avec l'objectif de mieux comprendre les mécanismes impliqués, des essais dans des colonnes remplies avec différents milieux poreux (sable, limon, argilo sableux) ont été effectués en conditions de saturation et de saturation partielle en eau. Des expériences avec un traceur (KCL) ont été utilisées pour la caractérisation hydrodynamique du milieu. Les mécanismes d'interactions physicochimiques d'une molécule pesticide modèle, le pentachlorophénol (PCP) avec la matrice solide, sont mis en évidence par la comparaison des courbes de restitution du pesticide avec le traceur. Les résultats expérimentaux montrent que les interactions du PCP avec le solide sont dépendants de la succession chronologique des expériences, de la vitesse moyenne d'écoulement, du profil de la teneur en eau dans la colonne, de la concentration en PCP, du pH et de la présence de sel dans la solution injectée. L'isotherme d'adsorption du PCP sur le sable suit le modèle de Freundlich, et la restitution partielle est probablement due à une fixation irréversible du PCP ionisé ou non. Un modèle numérique, fondé sur la méthode de différences finies est proposé. La description des courbes de restitution des solutés relative au sable en condition de saturation en eau s'avère satisfaisante. En revanche, le modèle n'a pas permis de décrire complètement les courbes d'élution résultantes de créneaux injectées dans la colonne de sable saturé ensemencé avec des bactéries, ainsi que dans le sable partiellement saturé et sur le limon saturé.