Ces travaux portent sur l’étude de l’influence du degré de saturation sur le comportement instable du sable de Fontainebleau sous sollicitations cycliques, et particulièrement vis-à-vis des risques de liquéfaction. Il s’agit d’évaluer expérimentalement le potentiel de liquéfaction d’un matériau granulaire en fonction de son degré de saturation initial. Pour cela, un cadre théorique est proposé, définissant trois zones d’états de saturation : une zone totalement saturée, dont le fluide poral est uniquement de l’eau ; une zone quasi-saturée, dont le fluide poral est constitué d’eau et d’air dissout ou occlus, et pour laquelle les effets de la succion sont négligés ; et une zone non saturée, caractérisée par une phase gazeuse continue, et des valeurs de succion positives. Les frontières du cadre théorique sont déterminées en termes de degrés de saturation. Chaque zone est ensuite investiguée expérimentalement. Une série d’essais triaxiaux cycliques est réalisée. Pour chaque essai, les conditions initiales de saturation sont fixées, et correspondent aux conditions de saturation déterminées dans le cadre théorique. Pour la zone non saturée, un équipement spécial de plaque tensiométrique est développé et mis en place au laboratoire afin d’imposer des conditions de succion initiales précises aux échantillons. Pour la zone quasi-saturée, les conditions de saturation initiale sont imposées via une courbe de calibration reliant le coefficient de Skempton B au degré de saturation, préalablement réalisée au laboratoire. Les résultats mettent en évidence que le sable de Fontainebleau liquéfie même lorsque le degré de saturation initial est inférieur à 100%. Plus particulièrement, tous les échantillons de la zone quasi-saturée montrent un état de liquéfaction totale à la fin du chargement cyclique. Les échantillons de la zone non saturée quant à eux ne montrent aucun signe de comportement instable sous l’action du chargement cyclique, pour les mêmes conditions de densité et de contrainte. Il semble donc que le schéma de répartition du fluide interstitiel joue un rôle fondamental dans le potentiel de liquéfaction d’un sable ; dans les conditions de densité et de contraintes testées ici, la phase gazeuse continue, et les valeurs de succion initiale positives permettent de préserver le matériau vis-à-vis du risque de liquéfaction. Au contraire, si la présence d’air sous forme dissout ou occlus permet de retarder le déclenchement des instabilités au sein du matériau granulaire, elle n’empêche pas la liquéfaction. / This work aims to study influence of saturation degree on unstable behavior under cyclic loading, and more specifically against risks of liquefaction. The potential of liquefaction of Fontainebleau sand is evaluated experimentally, in function of its initial degree of saturation. A theoretical frame is established, defining three areas of saturation states: a fully saturated zone, where pore fluid consists only of water; a nearly-saturated zone, where pore fluid consists of water and dissolved or occluded air, and where effects of suction are neglected; an unsaturated zone, where gaseous phase is considered as continuous, and suction is positive. Boundaries of this theoretical frame are defined in terms of saturation degree. Each zone is then experimentally investigated. Cyclic triaxial tests are performed. For each test, initial conditions of saturation are imposed, in agreement with saturation conditions parameters defined in the theoretical frame. For unsaturated zone investigation, a special equipment of Negative Water Column is developed and used in the laboratory in order to obtain initial conditions of suction in the sample. For nearly-saturated zone investigation, initial conditions of saturation are imposed through a calibration curve, linking Skempton coefficient B and saturation degree, previously obtained in the laboratory. Results show that Fontainebleau sand liquefies under cyclic loading, even when initial saturation degree is below 100%. More specifically, every sample tested on the nearly-saturated zone are in a complete state of liquefaction after cyclic loading is applied. Samples on the unsaturated zone did not show any sign of instability, under same conditions of stress applied and density. It seems that distribution pattern of pore fluids within granular material plays a major role regarding potential of liquefaction. In state of stress and density tested in this study, continuous air phase and positive suction prevent granular material from liquefaction. On the contrary, if dissolved or occluded air as a pore fluid delays the onset of instabilities and liquefaction, it does not prevent it.

Ce travail a pour objectif d’étudier la fissuration des sols due au séchage par des approches numérique et analytique. L’initiation et la propagation des fissures sont investiguées en utilisant un code de calcul aux éléments finis avec la présence des joints cohésifs. Les couplages entre le problème hydraulique et le comportement mécanique en présence des discontinuités sont considérés. La loi de la fissure cohésive est appliquée pour modéliser l’initiation et la propagation des fissures.Tout d’abord, les résultats d’un essai de séchage au laboratoire réalisé sur un sol argileux à l’état liquide sont utilisés afin d’évaluer la méthode numérique proposée. Les résultats numériques montrent que le modèle est capable de reproduire les tendances principales du processus de séchage. Elle souligne aussi l’importance des conditions aux limites dans l’initiation des fissures. Ensuite, une approche énergétique est proposée pour étudier l’initiation d’une fissure. Les énergies élastiques avant et après l’initiation de la fissure sont estimées par les deux approches analytique et numérique. L’énergie dissipée lors de l’initiation de la fissure est comparée avec le taux d’énergie pour créer une fissure. Les analyses montrent que le critère d’énergie peut est atteint avant le critère de contrainte. La dissipation de l’énergie cumulée correspond à la propagation instable lors de l’initiation de la fissure. De plus, le développement et la géométrie des fissures sont étudiés essentiellement par les simulations numériques avec plusieurs joints cohésifs. Les résultats numériques montrent que la fissuration se produit souvent progressivement pour former différentes familles de fissures par un processus dichotomique (une fissure apparait au milieu de deux fissures existantes). La propagation d’une fissure est brutale dans la phase d’initiation pour atteindre une profondeur appelée ‘ultime’. Les fissures dans chaque famille peuvent apparaitre simultanément à un même niveau de succion et présentent une même profondeur ultime. En se basant sur les résultats numériques et quelques analyses analytiques supplémentaires, des relations empiriques sont proposées afin de prédire l’espacement et la profondeur ultime des fissures. Finalement, quelques calculs préliminaires sont réalisés afin d’évaluer le potentiel de la méthode numérique proposée pour prédire la fissuration liée au séchage des ouvrages en terre / This work focuses on the analysis of desiccation cracking by numerical and analytical approaches. The initiation and the propagation of cracks are investigated by using a finite element code including cohesive joints elements. Coupling between the hydraulic and the mechanical processes in the presence of discontinuities is considered. The cohesive crack’s law is applied to simulate the initiation and the propagation of cracks.Results of a laboratory experiments performed on slurry clay soil are first used to evaluate the proposed numerical modelling method. The results show that the method is able to reproduce the main trends of desiccation process. The importance of boundary conditions are also discussed. Second, an energy approach is proposed to study the initiation of cracks. The energies before and after crack initiation are estimated by both numerical and analytical solutions. The energy released by cracking is then compared to the crack energy to discuss crack initiation conditions. The analysis shows that the energy criterion is reached before the stress criterion, and this can explain unstable crack propagation at the beginning. Third, the development and the geometry of desiccation cracks are studied by numerical simulation with several cohesive joints. The numerical results show that cracking occurs sequentially to form different cracks families with a dichotomy process (the subsequent cracks appear at the middle of two existing neighboring ones). The cracks in each family appear simultaneously and reach an identical ultimate depth. From the numerical results and additional analytical analysis, empirical correlations are proposed to predict the spacing and crack depth. Finally, some preliminary studies are performed showing that the proposed numerical method can be used to predict the desiccation crack phenomena observed on geotechnical earth structures

La thèse présente un ensemble de résultats expérimentaux sur des sols soumis à une pression interstitielle négative sur différents chemins : drainage- humidification, oedométrique, triaxial, etc... Ceux-ci mettent en évidence les différents domaines de comportement du sol et les aspects spécifiques du comportement dans chaque domaine : saturé, quasi-saturé faiblement saturé.<br />Parallèlement, une modélisation à partir d'arrangements réguliers de billes est proposée et validée par confrontation avec les résultats expérimentaux ; cette<br />approche permet d'expliquer un certain nombre de comportements observés dans la réalité et est à la base d'une modélisation élasto-plastique du comportement des sols partiellement saturés utilisant un concept de contraintes effectives généralisées.<br />L'étude est complétée par des mesures de perméabilités polyphasiques dans différents matériaux et la recherche d'une plus grande cohérence entre toutes les propriétés de ces matériaux.

Les résultats de cette recherche concernent trois volets :<br />Le volet théorique (partie I) présente une modélisation générale du comportement thermo-hydro-mécanique de sols non saturés. Le modèle prend en compte la déformation du squelette, la filtration des phases liquide et gazeuse, la diffusion de vapeur, la conduction de chaleur et le changement de phase liquide-vapeur. Cette modélisation est utilisée pour décrire le transport d'eau dans un sol non saturé en favorisant les phénomènes de filtration de liquide, de diffusion de vapeur d'eau et de changement de phase d'eau liquide-vapeur. <br />Le volet instrumental (partie II) porte sur la réalisation d'un banc de sorption et d'un dispositif de type plaque de pression en température. Ces matériels permettent de réaliser des essais de désaturation et de déterminer la courbe caractéristique sol-eau. Un autre aspect concerne la rénovation d'un appareil triaxial thermique en le dotant d'une instrumentation plus adaptée à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique de sols non saturés.<br />Le volet expérimental est double. Le premier aspect (partie III), relatif à l'étude de la désaturation et à la détermination de la courbe caractéristique d'une argile plastique et d'un sable limoneux argileux à 20°C et 60°C, porte sur la détermination d'un coefficient de transport en phase liquide. Le second aspect (partie IV) s'intéresse à la représentation de surfaces de charge dans le cas du sable limoneux argileux non saturé à différentes températures. Cette surface de charge présente un caractère thermo-extensif dont on propose une modélisation et une interprétation physique.

La méthode des éléments discrets est utilisée pour étudier deux types d'intéraction dans les matériaux granulaires pour deux applications différentes.La première application introduit un couplage hydromécanique pour étudier le comportement des matériaux granulaires partiellement saturés. Un modèle numérique en régime pendulaire pour les grains sphériques permettant la détermination des aires interfaciales et tenant compte de la rugosité des grains est développé. Sur cette base, l'énergie libre des interfaces est définie, et sa variation se trouve à équilibrer le travail mécanique exercée par le pont liquide sur les particules d'un système à deux grains conformément à la première loi de la thermodynamique. Le modèle permet de détecter l'evolution de l'énergie libre dans les systèmes granulaires deformés et simulés avec la méthode des éléments discrets. Des simulations sur des assemblages réguliers et aléatoires sont présentés pour discuter le concept de la contrainte effective et vérifier si l'expression Love-Weber de contrainte moyennée décrit bien le comportement des matériaux granulaires partiellement saturés pour différentes configurations et aspects mécaniques. Bien souvent censé jouer le rôle de la contrainte effective dans les systèmes multiphasiques, la contrainte moyennée de Love-Weber n'est valable que pour des assemblages réguliers en régime élastique. En cas d'assemblages aléatoires, elle ne compare pas toujours avec les variations de l'énérgie libre élastique. Au pic pour la résistance au cisaillement, Love-Weber vérifie une enveloppe de rupture Mohr-Coulomb unique pour les assemblages avec une granulometrie uniforme; elle peut alors être défini comme une possible formulation de contrainte effective micromécanique dans ce cas. Il est cependant montré que cette hypothèse n'est pas valable pour toutes les configurations de granulometrie possibles.Le modèle pendulaire est couplé avec le modèle funiculaire de Yuan et. al. (2015), ce qui permet la simulation d'un drainage complet. Les résultats montrent que l'addition des ménisques a un impact important sur le comportement mécanique des sols non saturés .La deuxième application incarne les interactions des grains avec un milieu élastique continu pour étudier la compaction des agents de soutènement qui est d'une grande importance dans l'industrie de la production pétrolière. Un tas granulaire est compactée entre deux plaques rigides. La répartition des contraintes induites par le tas d'agents de soutènement sur les plaques est étudiée et reliée à l'ouverture de la fissure et la zone de contact sur chaque plaque. L'influence de l'angle de frottement entre les grains et entre les grains et les plaques sont également étudiés. Les plaques rigides sont remplacés dans une deuxième partie par un bloc rocheux élastique simulé à l'aide de la DEM,en collant des particules entre elles par une très forte cohésion ajoutée aux contacts. La DEM est trouvée capable de simuler un milieu de continu élastique, vue que la comparaison de l'analyse d'un problème d'inclusion d'un disque rigide dans le bloc rocheux discrèt avec les résultats analytiques de Selvadurai (1994) est très proche. La forme dus tas de soutènement déposé à partir du trou de forage par gravité et la géométrie de la fracture pour différentes valeurs de contrainte verticales sont finalement présentés. / The discrete element method is used to study two interaction types in granular materials for two different applications.The first application embodies hydromechanical coupling to study the behavior of unsaturated granular materials. An extended numerical model of pendular bridge for spherical grains is introduced, enabling the determination of interfacial areas and taking into account the roughness of the grains. On this basis, the free energy of interfaces is defined, and its changes are found to balance the mechanical work exerted by the bridge on the particles of a two grain system, following the first law of thermodynamics. The model enables tracking the changes of free energy in deforming granular systems simulated with the discrete element method. Simulations of regular and random packings are presented to discuss the effective stress concept and check whether the Love-Weber expression of averaged stress is able to describe well the behavior of partially saturated granular materials for different configurations and mechanical aspects. Though frequently supposed to play the role of effective stress in multiphase systems, the Love-Weber stress is found to be valid only for regular packings to describe the deformation behavior in the elastic regime. In random packings, it does not compare consistently with the changes of elastic free energy.At the peak for shear strength, Love-Weber stress can be defined as a possible micromechanical effective stress formula for some configurations. It verifies a unique Mohr-Coulomb rupture envelop when the envelops are plotted in $p_{cont},q_{cont}$ in the case of random packings with rough /smooth grains and tightly graded particle size distributions. It is however shown that this property does not hold for all the possible particle size distributions.The pendular bridge model is coupled with the funicular model of Yuan et. al. (2015) allows the simulation of a full drainage process where it is shown that the addition of the menisci have a noticeable impact on the behavior of unsaturated soils.The second application embodies particle-elastic continuum interaction to study the compaction of proppant region that is of big importance in the oil and gas production industry. A granular pile is compacted between two rigid plates. The stress distribution induced by the pile of proppants on the plates is investigated and related to the opening of the fracture and the contact zone on each plate. The influence of friction angle between the grains and the grains and the plates are also investigated. The rigid plates are replaced in a second part by an elastic rock block simulated using DEM, gluing particles together with elastic contacts. DEM is shown to be adequate to simulate an elastic continuum medium as the comparison of the analysis of a rigid disc inclusion problem in the discrete rock block with analytical results of Selvadurai (1994) fit very well. The shape of the proppant pile deposited from the borehole by gravity and the geometry of the fracture for different overburden stress values are presented.

Ce mémoire est consacré à l'étude de la rétention d'eau et de la consolidation des sols non saturés dans un cadre thermo-hydro-mécanique. Il est organisé en deux parties qui concernent respectivement "l'effet de la déformation et de la température sur le comportement hydrique" et "l'effet de la température et de la succion sur le comportement mécanique" de sols non saturés. Dans la première partie, on montre la pertinence du concept de surface caractéristique d'un sol par opposition à la courbe de rétention dont la portée s'avère limitée dans le cas de milieux très déformables. Ce concept est illustré expérimentalement dans le cas d'un sable limoneux argileux. La modélisation mathématique de la surface caractéristique s'appuie sur une importante campagne expérimentale comprenant la mesure d'environ 240 triplets (indice des vides, teneur en eau, succion). Par ailleurs, un modèle de comportement thermo-hydrique est proposé afin de déterminer la surface caractéristique et la courbe de rétention à une température donnée. Ce modèle est validé dans le cas de deux matériaux (une céramique à base de terre cuite et un sable limoneux argileux) testés par l'auteur ainsi que dans le cas d'autres matériaux de la littérature. Enfin, on présente une application à la détermination de la perméabilité des sols non saturés prenant en compte la déformation et la température. Dans la deuxième partie, l'effet de la température et de la succion sur le comportement mécanique est examiné à partir d'essais de consolidation du limon de Sion. Ces essais sont réalisés à différents niveaux de température et de succion. Pour chacun de ces essais, les indices de gonflement et de compression ainsi que la contrainte de préconsolidation sont mesurés. On détermine ainsi l'influence de la température et de la succion sur ces paramètres essentiels du comportement mécanique. Enfin, on propose une fonction d'approximation modélisant l'évolution de la contrainte de préconsolidation en fonction de la température et de la succion.

Alors que le comportement hydraulique des sols saturée (réseaux de puits, de drains, etc ...) est relativement bien connu, grâce à l'avancement de l'hydraulique des milieux poreux, le domaine de l'hydraulique des milieux non saturés reste complexe. Dans cette thèse sont étudiés : - la bibliographie concernant la statique des fluides dans les milieux nen saturés, les équations du mouvement de l'eau dans les sols non saturés, les méthodes de mesure de la conductivité et de la diffusivité des sols, caractéristiques de la facilité avec laquelle se produit un écoulement dans un sol non saturé) et enfin les méthodes de résolution des équations de l'écoulement . Nous avons essayé de mettre au point un appareil destiné à mesurer la caractéristique physique essentielle des problèmes d' écoulements en milieu non saturés : la conductivité capillaire, analogue au coefficient de perméabili té des écoulements en milieu saturé et la mise au point de l' appareillage et les résultats des mesures forment notre dernier chapitre. A l' appui des résultats obtenus, nous avons . essayé de faire une application pratique au problème de l'évaporation, application qui devrait être vérifiée expérimentalement par des mesures .

La thèse présente un ensemble de résultats expérimentaux sur des sols fins très plastiques compactés au voisinage de l’optimum Proctor normal (OPN). Elle est réalisée dans le cadre du projet ANR TerreDurable qui traite de la conception des ouvrages en terre en sols fins. Après l’étude de l’effet de compactage sur des chemins de drainage-humidification, la fissuration induite par la dessiccation est mise en évidence et analysée. Par ailleurs, des relations entre différents paramètres mécaniques (module, IPI, Résistance à la compression) et hydriques (succion, perméabilité, ..) en fonction de l’énergie de compactage et du mode de préparation sont présentées. Le comportement mécanique des sols fins compactés est étudié sur des chemins œdométriques et triaxiaux saturés et non saturés, drainés et non drainés. Dans ce dernier cas, l’évolution des paramètres de pression interstitielle de Skempton est analysée sur des chemins isotropes et déviatoires. Ceci a nécessité la mise au point d’une cellule triaxiale équipée de psychromètres à effet Peltier, de tensiomètre et de jauges de déformations. / The thesis presents an experimental study on very high plasticity soils compacted near of the standard Proctor optimum (SPO). It is performed as part of the ANR TerreDurable project which is devoted on the design of earthworks with fine soils. After the study of the effect of compaction on drying-wetting paths, induced cracking of drying is highlighted and analyzed. Furthermore, relationships between different mechanical parameters (modulus, IPI, compressive strength) and water (suction, permeability) according to the energy of compaction and method of preparation are shown. The mechanical behavior of soils compacted fine soils is studied on saturated and unsaturated, drained and undrained oedometer and triaxial. For the unsaturated undrained triaxial, the change in Skempton parameters pore pressure is analyzed on isotropic and deviatoric paths. This required the development of a triaxial cell equipped with psychrometers, tensiometer and strain gauges.

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.

L'objectif de cette étude était de caractériser les transferts d 'eau et de solutés dans un sol hétérogène pour prédire le devenir de polluants dans le sol et vers l'aquifère sous-jacente. Une série d'essais a été conduite sur le site observatoire de La Côte Saint-André. Les variabilités spatio-temporelles des variables hydriques et des concentrations de différentes molécules ( isotope de l'eau, anions, pesticide, nitrate) ont été mesurées selon différentes méthodes: suivi stationnel (sonde à neutrons, tensiomètres, cellules de prélèvements), percolation à travers un Iysimètre, prélèvements destructifs sur un plan vertical ou dans un volume cylindrique. Une analyse géostatistique et statistique montre que les vari ables ne sont pas corrélées à courte distance et qu'environ 80 % des distributions suivent une loi normale. L' hétérogénéité des variables (estimée par le coefficient de variation) permet de les classer par ordre croissant: masse volumique sèche, teneurs en eau (massique et volumique) et concentrations. Les cartographies des concentrations en solutés obtenues après analyse des échantillons (destructifs) dans des plans verticaux indiquent des écoulements préférentiels d'eau que l'on modélise à une taille supérieure (m) par la partition de l'eau en fractions mobile et immobile. Cette approche est confirmée par les transferts globaux de so lutés à travers Ie Iysimètre pour des flux d'eau élevées. La comparaison entre les cartographies des teneurs en eau (prélèvements) et les mesures non-destructives par sonde à neutrons montre que cet appareil a un bon pouvoir intégrateur sur un volume de l'ordre de quelques dm3. On peut également utiliser ces cartographies pour optimiser la taille du guide d 'onde des sondes TDR. La confrontation entre concentrations en soluté mesurées par prélèvements du sol ou par extractions à l'aide de bougies poreuses fournit des résultats contrastés: pour les fortes valeurs de concentrations (nitrate par exemple), les mesures sont comparables, mais pour de faibles concentrations (traceur et pesticide) les mesures divergent. Enfin, la modélisation d'un milieu équivalent vertical ne semble pas trop mauvaise avec différents comportements: l' un à l'échelle annuelle où les temps de séjour convectifs de l'eau sont suflïsants pour que les cinétiques physiques et chimiques d 'échange soient négligeables (équilibre local) et l' autre à l'échelle de temps de l'épisode pluvieux (intense) où l'on doit tenir compte des cinétiques (comme la partition d'eau mobile - immobile). La base de données expérimentale peut encore être largement exploitée, notamment pour servir de support à une modélisation stochastique.