Les CSD ( Centre de Stockage de Déchet (CSD) de classe II) deviennent des ouvrages de plus en plus techniques au sein desquels interagissent des matériaux naturels (argile, sable), artificiels (géosynthétiques) et des déchets dont le comportement est variable à la fois dans le temps et dans l'espace. Ces interactions restent relativement méconnues car, si l'on appréhende relativement bien le comportement des argiles ou des géosynthétiques en conditions dites normales, le comportement des déchets, par leur hétérogénéité et leur caractère évolutif, est marqué par un grand nombre d'inconnues. Le programme de recherche faisant l'objet de ce mémoire est relatif à la compressibilité des déchets. Les enjeux sont importants. S'agissant des nouveaux sites ouverts, ceux-ci sont à la fois d'ordre sécuritaire (estimation des tassements différentiels que la couverture devra supporter, stabilité des talus), économique (prévision de la capacité de stockage ultime, optimisation de la durée d'exploitation et période de pose de la couverture finale) et réglementaire (anticipation par rapport à la hauteur maximale autorisée pour le tumulus de déchet). Quant aux anciens sites à réhabiliter, la maîtrise des tassements, bien que plus complexe, est tout aussi primordiale.

Cette thèse porte sur l’utilisation de présoutènements pour réduire les tassements, c’est-à-dire la mise en place de boulons au front et d’une voute parapluie au-dessus du front. Elle cherche à fournir des outils pour évaluer l’impact des techniques de construction sur les tassements au moyen de calculs numériques par éléments finis. Une attention particulière est portée aux conséquences des choix de simulation sur les résultats obtenus.Le chapitre 1 présente une comparaison de différentes approches de simulation du creusement d’un tunnel peu profond en déformation plane. Les résultats ne justifient pas de privilégier les approches alternatives par rapport à l’approche classique qui utilise des forces de déconfinement. D’autre part, la disposition des présoutènements impose de réaliser des modélisations tridimensionnelles. Dans toute la suite du mémoire, on se place donc dans le cadre tridimensionnel. Dans un premier temps, le chapitre 2 présente une étude de l’influence de la géométrie du front de taille d’un tunnel sur sa stabilité : on compare le cas d’un front de taille vertical et d’un front de taille incliné ou courbe.Le chapitre 3 porte sur la prise en compte dans les simulations numériques du renforcement du front de taille par boulonnage. Nous avons comparé différentes approches, et montrer l’apport des modélisations qui prennent en compte de manière détaillée l’interaction sol-boulon, pour la simulation d’essais effectués en centrifugeuse.Dans le chapitre 4, on étudie l’influence des boulons au front sur les tassements. Nous avons cherché à discuter l’utilité de décrire en détail certains aspects du processus de construction, comme le cycle de renouvellement des boulons au front. Nous avons également discuté l’influence de la distance de pose du radier en arrière du front.Le chapitre 5 étudie l’influence de la voute parapluie sur les tassements. Nous avons établi une modélisation qui prend en compte la géométrie conique de la voute parapluie et du soutènement et le cycle de renouvellement des tubes de la voute. Enfin, on a proposé une modélisation originale du procédé de réduction des tassements au moyen d’injections réalisées à partir des tubes de la voute, appelé « présoutènement actif ».Les résultats fournissent des éléments pour le dimensionnement des procédés de présoutènements, en montrant, par exemple qu’il existe une valeur limite à partir de laquelle il n’est plus utile d’augmenter le nombre de boulons ou de tubes. Ils montrent également que certains choix de modélisation ont peu d’influence sur les tassements, ce qui justifie de prendre en compte des hypothèses qui simplifient la réalisation pratique des études numériques.La thèse a été financée par le projet FUI Newtun, piloté par Solétanche-Bachy / This thesis focuses on the use of pre-reinforcements to reduce the settlements, namely the reinforcement of the tunnel face by bolts, or the installation of a pipe-roof umbrella placed above the face. It seeks to provide tools to evaluate the influence of the construction techniques on the settlements by means of finite element simulations. A special attention is paid to the consequences of the choices of simulation on the numerical results obtained.Chapter 1 presents a comparison between different approaches of simulation for the excavation of a shallow tunnel in plane strain. The results show that the alternative approaches do not give better results, in terms of width of the predicted settlement trough, than the classical approach based on excavation forces. On the other hand, the implementation of the pre-reinforcements imposes to carry out three-dimensional simulations. In this context, ones discusses, in chapter 2, the influence of the geometry of the tunnel face of a tunnel on his stability: we compare the case of a vertical tunnel face and with an inclined or curved tunnel face.Chapter 3 focuses on the techniques that can be used to take into account in the numerical simulations the reinforcement of the tunnel face by bolting. We have compared different approaches, and showed that models that take into account in more detail the soil-bolt interaction give better results for the simulation of centrifuge tests.In Chapter 4, we discuss the influence of the bolts on the settlements. We have discussed the utility of taking into account in the simulation some aspect of the construction process, such as the renewal of the bolts. Also, we have discussed the influence of the distance between the tunnel face and the invert.Chapter 5 studies the influence of the pipe umbrella on the settlements. We have established a model that takes into account the conical geometry of the pipe umbrella and the lining, and the cycle of renewal of the pipes. In the last place, we have proposed an original modelling of the technique of aiming at reducing the settlements by means of injections carried out from the pipes, called “active pre-reinforcement”.The results provide some elements for the design of the pre-reinforcement elements, and show for example that there exists a threshold value above which it is not useful to increase the number of bolts or of pipes. On the other hand, they show that some choices of simulation have little influence on the computed settlements, which justifies some assumptions that can be useful to reduce the complexity of three dimensional numerical models.The thesis has been funded by the project FUI Newtun (under the coordination of Solétanche-Bachy)

L’objectif principal de cette recherche est l’étude du dommage des bâtiments en maçonnerie subissant des tassements différentiels. Cette contribution, en s’appuyant sur la modélisation numérique, les méthodes analytiques et sur l’expérimentation, vise à une meilleure compréhension du comportement des structures en maçonnerie. Ce problème trouve diverses applications en ingénierie avec par exemple les maisons situées dans des zones de creusement de tunnels, ou des zones subissant des affaissements de terrains. L’étude bibliographique met en évidence la diversité des méthodes permettant de catégoriser le dommage des bâtiments subissant des tassements. La cohérence de ces méthodes est étudiée. En particulier, le travail porte sur l’étude de l’influence des propriétés mécaniques des bâtiments sur les valeurs seuils proposées pour catégoriser le dommage. Une étude de sensibilité est mise en œuvre afin de proposer des intervalles de seuils dépendant des propriétés des bâtiments. Cette incertitude est alors formalisée par le développement de courbes de fragilité permettant de quantifier en terme de probabilité la sévérité du dommage pour différents types de bâtiments. En addition, la rigidité des bâtiments subissant des mouvements de terrains est un paramètre important pour étudier les phénomènes d’interaction sol-structure et évaluer les tassements différentiels transmis par le terrain aux structures. L’évolution de cette rigidité en fonction du dommage associé aux tassements n’est pas étudiée dans la littérature. Une méthodologie d’étude de la variation de la rigidité des bâtiments en maçonnerie en fonction du tassement transmis a été développée au moyen de modélisations numérique (logiciel UDEC). Des formulations analytiques sont alors proposées pour relier la réduction de la rigidité des bâtiments en fonction du tassement subis et de leurs propriétés. Une procédure expérimentale est mise en place afin de valider la méthodologique numérique. En conclusion, les deux principales contributions de cette thèse sont 1) une amélioration de l’évaluation du dommage des bâtiments en fonction de leurs propriétés, au moyen des courbes de fragilité et 2) le développement d’une méthodologie numérique permettant d’évaluer l’évolution de la rigidité des bâtiments en maçonnerie en fonction du tassement qu’ils subissent et en fonction de leurs propriétés / The main purpose of this research is the assessment of the damage of masonry buildings undergoing differential settlements. This contribution, which is based on numerical modeling, analytical methods and experimentation, aims for a better understanding of the behavior of masonry structures. The treated issue may be applied in different engineering fields, as for example the case of buildings located in tunneling areas or in areas suffering land subsidence. The bibliography survey presents a diversity of methods to categorize the damage of buildings undergoing settlement. This variety of methods, parameters and thresholds used to qualify the severity of the damage, prompted us to study the consistency of these methods, and the effect of the properties of masonry buildings - undergoing ground movements - on proposed threshold values. A sensitivity analysis on building properties is implemented in order to propose thresholds values intervals that depend on buildings properties. This uncertainty is then taken into account with the development of fragility curves that aim quantifying the damage in terms of probability according to a typology of buildings. In addition, the stiffness of buildings undergoing ground movements plays a very important role in studying the phenomenon of soil-structure interaction. However, the evolution of the stiffness of the damaged building due to settlements is not investigated in the literature. Numerical modeling (UDEC) is used to develop a methodology for the study of the stiffness variation of masonry buildings in relation to he settlement suffered by the structure. Analytical formulations are proposed to relate the reduction of the stiffness of the buildings with regard to the suffered settlement, and depending on the buildings properties. Some experimental tests are performed to validate the numerical methodology. Finally, the two mains results are 1) improvement in the assessment of buildings damage with the drawn of fragility curves and 2) the numerical methodology to formulate the changes in the stiffness of masonry buildings according to the suffered settlement, and according to their properties

La liquéfaction des sols saturés lors des séismes est l’un des problèmes les plus importants auxquels sont confrontés les ingénieurs. Il n’y a guère eu de séisme majeur sans au moins quelques cas de liquéfaction. Des tassements, des basculements de bâtiments, des écoulements latéraux, des cônes de liquéfaction et des instabilités de pentes, sont certaines de ses manifestations. La conception sismique des centrales nucléaires et autres installations critiques comprend systématiquement une évaluation du risque de liquéfaction.Dans ce cadre, des méthodes de nature entièrement empirique sont couramment utilisées en ingénierie. Ces approches procurent des marges à la conception et des limitations d’utilisation. Pour exploiter ces marges en situation de réévaluation, on a recours à des calculs transitoires non linéaires avancés dans lesquels on doit modéliser finement la loi de comportement du sol pour mettre en évidence les montées de pression interstitielle.Ces derniers calculs sont coûteux en termes de temps et de compétences numériques. L’objectif de ce travail de recherche est notamment de réduire les conservatismes en vigueur lors de l’utilisation de la méthode simplifiée sans pour autant mettre en œuvre d’emblée les méthodes les plus sophistiqués. On propose pour cela une méthode de complexité intermédiaire qui élargit l’applicabilité des modèles semi-empiriques pour une analyse plus fine du risque sismique.Dans un premier temps, en partant d’un calcul linéaire équivalent conventionnel, une nouvelle approche pour la prise en compte de la montée de pression interstitielle est proposée sous le nom « X-ELM ». Le modèle de comportement employé est basé sur la relation entre la pression interstitielle et les déformations volumiques plastiques. La nouvelle approche «X-ELM » est utilisée pour modéliser la réponse des sols pour le séisme de Tōhoku (Mw=9.0) à la ville d’Urayasu au Japon. Le modèle a été appliqué sur douze profils de sols différents. L’étude de ces cas rend possible la validation du modèle par comparaison des résultats des calculs aux observations in situ. Le modèle peut donc être considéré comme un outil fiable pour la prédiction de déclenchement de liquéfaction des sols saturés.Ensuite, un outil de prédiction rapide a été conçu en se basant sur des approximations de processus aléatoire, sur les propriétés mécaniques de base du sol et sur les caractéristiques du chargement sismique. Outre son ampleur, une caractéristique importante du signal sismique d’entrée est sa durée qui peut conduire à de fortes non linéarités et à un état de liquéfaction étendu. En considérant donc la durée de phase forte, le spectre de réponse, la fréquence propre du modèle et les caractéristiques de densification du sol, l’outil de prédiction proposé procure des estimations rapides du taux de montée de pression interstitielle et du tassement pré-liquéfaction sans devoir exécuter des calculs transitoires.Enfin, un modèle 2D de barrage est étudié, en examinant l’influence de la montée de pression interstitielle et celle des déformations de cisaillement sur la réponse sismique de l’ouvrage. Un calcul linéaire équivalent adapté aux situations bidimensionnelles est élaboré et le prédicteur est employé pour évaluer la montée de pression interstitielle. On compare les résultats de la simulation aux observations in situ, piézométriques et accélérométriques.En conclusion, ce travail de recherche fournit des méthodes et outils de calculs numériques performants et accessibles aux ingénieurs pour l’évaluation sismique des profils de sols et des ouvrages en terre tels que digues ou barrages / The liquefaction of saturated soils during earthquakes is one of the most important problems facing engineers. There has hardly been a major earthquake without at least some cases of liquefaction. Settlements, tilting of buildings, lateral flows, sand boilings and slope instabilities have been some of its manifestations. The seismic design of nuclear power plants and other critical facilities systematically includes a liquefaction risk assessment.In this context, fully empirical methods are commonly used in engineering. These approaches provide design margins and limitations of use. To exploit these margins in a re-evaluation situation, we use advanced nonlinear transient calculations in which the soil behavior must be finely modeled to highlight the pore-water pressure build-up. These last calculations are expensive in terms of time and numerical skills. The objective of this research work is to reduce the conservatisms in force when using the simplified method without necessarily implementing the most sophisticated methods from the outset. To this end, we propose a method of intermediate complexity that broadens the applicability of semi-empirical models for a more detailed analysis of seismic risk.First, starting from a conventional equivalent linear calculation, a new approach for taking into account excess pore pressure is proposed under the name "X-ELM". The behavioral model employed is based on the relationship between pore pressure and plastic volumetric deformations. The new "X-ELM" approach is used to model soil response in the city of Urayasu,Japan during the Tohoku earthquake (Mw = 9.0). The model has been applied to twelve different soil profiles. The study of these cases makes possible the validation of themodel by comparing the results of the calculations with the observations in situ. The model can therefore be considered as a reliable tool for the prediction of liquefaction triggering of saturated soils.Then, a prediction tool was designed based on random process approximations, the basic mechanical properties of the soil and the characteristics of the seismic loading. In addition to its magnitude, an important feature of the input seismic signal is its duration which can lead to strong nonlinearities and an extended liquefaction state. Considering the strong phase duration, the response spectrum, the natural frequency of the model and the characteristics of soil compaction, this tool provides fast estimations of the rate of pore pressure build-up and pre-liquefaction settlement without having to perform transient calculations.Finally, a 2D dam model is studied, by examining the influence of excess pore pressure and that of the shear strains on the seismic response of the structure. An equivalent linear computation adapted to two-dimensional situations is elaborated and the predictor is used to evaluate pore pressure increase. Simulation results are compared with in situ, piezometric and accelerometric observations.In conclusion, this research work provides methods and tools of numerical computation that are efficient and accessible to engineers for the seismic evaluation of soil profiles and earth structures such as dikes or dams