L'objectif de ce travail est de mieux comprendre les phénomènes liés à la technique du vibrofonçage et de la valoriser. Ce rapport comporte trois chapitres. Le premier décrit les deux principales techniques de fonçage des pieux : le battage et le vibrofonçage. Le second présente deux séries de résultats expérimentaux : - une étude en vraie grandeur de l'impact acoustique et plus particulièrement une analyse des bruits engendrés par le fonçage des pieux avec un vibrateur, un marteau ou un trépideur, - une étude en vraie grandeur des vitesses particulaires pendant le fonçage des pieux, couplée à une étude numérique par éléments finis, en 2D et 3D, avec le progiciel CESAR-LCPC. A partir également d'expérimentations en vraie grandeur, le troisième chapitre compare la capacité portante des pieux mis en œuvre par battage et par vibrofonçage et propose une prise en compte de la différence de ces techniques de mise en œuvre dans les règles de calcul françaises de portance des pieux.

L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'étude du comportement sismique des fondations superficielles et d'offrir de nouveaux outils pour le traitement de problèmes pertinents, orientés vers la nouvelle philosophie de conception parasismique des structures : la conception basée sur la performance (« performance-based design »). On a travaillé suivant quatre axes d'approche sur la problématique de la thèse :<br />a. Reconnaissance des caractéristiques principales du problème par l'examen de ruptures sismiques de structures réelles. Cet effort a abouti à la création d'une base de données d'environ 200 structures qui ont subi une rupture par perte de capacité portante au niveau de la fondation.<br />b. Approche théorique pour la détermination de la capacité portante sismique d'un système de fondation. On a traité le problème de la capacité portante sismique d'une semelle circulaire sur un sol purement cohérent hétérogène par l'approche cinématique du Calcul à la Rupture. Les solutions établies nous ont permis de proposer une modification/extension des procédures de conception existantes qui sont incorporées dans les normes de conception parasismique européennes (Eurocode 8). <br />c. Approche expérimentale pour la validation de la solution théorique établie. Une collaboration avec le LCPC – Centre de Nantes a abouti à la planification des trois séances d'essais en centrifugeuse. Les deux premières séances sont incluses dans la thèse et portent sur la détermination de la capacité portante d'une semelle circulaire sur sol cohérent sous chargement quasi-statique. <br />d. Développement d'un outil intégré permettant la mise en œuvre d'analyses dynamiques efficaces pour la prise en compte de l'interaction sol-structure non-linéaire au niveau de la fondation. On a développé un nouveau modèle de macroélément pour le système sol-fondation. Le macroélément est utilisé comme élément de liaison à la base de la superstructure et reproduit les effets non-linéaires qui ont lieu au niveau de la fondation lors d'une sollicitation sismique. Le modèle proposé comporte deux mécanismes en couplage : la plastification du sol et le décollement qui peut se produire sur l'interface sol-structure. L'objectif de cet outil est de permettre d'effectuer de manière efficace un grand nombre d'analyses de structures dynamiques non-linéaires.<br />L'objectif ultérieur de nos développements est d'enrichir les normes de conception parasismique actuelles et de les orienter vers une philosophie de conception basée sur la performance des structures lors d'un séisme.

En plasticité associée c’est-à-dire avec la loi de normalité, la solution analytique de Prandtl-Hill donne la charge limite exacte d’un poinçon sur un massif semi-infini de fondation avec le critère de Mohr-Coulomb. Or, il est reconnu expérimentalement que les sols ont un comportement plastique non associé, ce qui signifie qu’en réalité la valeur de la charge limite n’est qu’une estimation.On se propose dans ce travail de combler ce manque en abordant le problème de la capacité portante d’une fondation superficielle lorsque la loi de plasticité est non associée. Sur la base des simulations numériques et d’une extension de l’analyse limite aux matériaux à lois non associées par l’approche du bipotentiel, de Saxcé (1992), on propose une solution analytique approchée par une méthode variationnelle et on la compare à la formule de Drescher et Detournay (1993) et aux résultats numériques. / In associated plasticity, i.e. with the normality law, Prandtl-Hill analytical solution gives the exact limit load of a punch on a semi-infinite massive of foundation with Mohr-Coulomb model. However, it is experimentally recognized that geomaterial shave a non-associated behavior, what means that in reality the value of the limit load is only an estimation.In this work, it is proposed to fill this lack in addressing the problem of the bearing capacity of a shallow foundation, when the low of plasticity is no-associated. On the basis of numerical simulations and an extension of the limit analysis method to materials with non-associated laws by the bipotential approach, de Saxcé (1992), we proposed an approximated analytical solution by a variational method and we compared to Drescher-Detournay formula (1993) and numerical results.

Cette thèse de doctorat porte sur la réponse des fondations caisson dans du sable pour les éoliennes en mer soumises à des chargements monotones et cycliques combinés. Le processus de défaillance et l’enveloppe de rupture (diagramme de capacité portante) d’une fondation en caisson dans du sable soumise à des chargements monotones combinés sont premièrement étudiés à l’aide du modèle constitutif de Mohr-Coulomb. La méthode Lagrangian-Smoothed Particle Hydrodynamics Combinée (CLSPH) est adoptée pour prendre en compte les grandes déformations et les limites de l'approche sont mises en évidence. Une loi constitutive basée sur la notion de l’état critique pour le sable récemment mis au point (SIMSAND) est ensuite introduite et utilisée avec la méthode CLSPH. Des tests d’effondrement du sol dans un canal rectangulaire et d’une colonne granulaire en prenant en compte différentes géométries sont simulés afin de valider l’approche en termes de morphologie de dépôt final, des profils d’écoulement et de zones non perturbées. La méthode CLSPH et le modèle SIMSAND sont ensuite utilisés pour étudier le diagramme de capacité portante des fondations caisson dans du sable. Différents paramètres ayant une incidence sur la forme et la taille de l'enveloppe de rupture sont pris en compte, tels que la densité et la rigidité du sol, la résistance au frottement, la rupture des grains, la géométrie et les dimensions de la fondation. Une formule analytique est introduite pour décrire la surface de rupture 3D capable à reproduire les résultats numériques. Sur la base de la formule analytique proposée, un macro-élément pour des fondations caisson dans du sable soumises à des chargements monotones et cycliques est finalement développé dans le cadre de l'hypoplasticité. L’outil numérique proposé est validé avec des résultats expérimentaux. / This PhD thesis deals with the response of caisson foundations in sand for offshore wind turbines submitted to combined monotonic and cyclic loadings. First, the failure process and failure envelope (or bearing capacity diagram) of a caisson foundation in sand under combined monotonic loadings is investigated using the conventional Mohr-Coulomb constitutive model. A Combined Lagrangian-Smoothed Particle Hydrodynamics(CLSPH) method is adopted to consider large deformations and the limitations of the approach are highlighted. A recently developed critical state model for sand (SIMSAND) is then introduced and combined with the CLSPH method. Rectangular channel soil collapse tests and granular column collapse tests considering different aspect ratios are simulated to validate the approach in terms of final deposit morphologies, flow profiles and undisturbed areas.The CLSPH method and the SIMSAND model are then used to investigate the bearing capacity diagram of the caisson foundation in sand. Different parameters affecting the shape and size of the failure envelope are considered, as soil density and stiffness, friction strength, grain breakage, geometry and aspect ratio of the foundation. An analytical formula is introduced to describe the 3D failure surface reproducing the numerical results. Based on the proposed analytical formula, a macro-element for the caisson foundation in sand submitted to monotonic and cyclic loadings is finally developed within the framework of hypoplasticity. Validation is provided through comparison with experimental results.

Si le problème de la capacité portante d'une fondation superficielle posée sur un massif plan semi-infini est aujourd'hui bien maîtrisé, il n'en est plus de même dès que l'on s'éloigne de cette configuration de référence. Ce travail s'attache donc à étudier à l'aide de la théorie du calcul à la rupture, la réduction de la capacité portante de la fondation superficielle soumise à différents modes de chargement, due notamment à la proximité d'une pente ou une excavation. L'étude est abordée dans un premier temps, dans le cadre d'une approche bidimensionnelle du problème (cas de la semelle filante), puis dans une seconde partie, une analyse tridimensionnelle est menée (fondation rectangulaire). Une confrontation des résultats obtenus avec ceux établis par des travaux expérimentaux permet une validation de l'étude et conduit à une réflexion sur la construction du critère de résistance du matériau constitutif du massif, et notamment sur sa forme dans le domaine des faibles contraintes de compression.

L’objet de cette thèse est l’étude des comportements mécanique et à la corrosion d’un nouveau système de fondation, dit pieux SPIRMEC, adapté aux structures légères. Le travail s’est focalisé sur deux grands aspects. Le premier aspect concerne l’analyse du comportement sous chargement axiale des pieux SPIRMEC sur la base de l’expérimentation et de la modélisation numérique dans un sol mou non cohésif. Quant au deuxième aspect, il traite du problème de la corrosion de l’acier constituant le pieu dans un environnement tropical humide. Le comportement des pieux SPIRMEC sous une charge axiale de traction, dans un sol fin non cohésif, a montré le développement d’une surface cylindrique de rupture. Celle-ci ne dépend pas de la configuration géométrique des pieux tel que : l’espacement S, le diamètre d’hélice Dh et le diamètre du tube d. En adoptant ce critère de rupture et à l’aide d’une analyse statistique des données, nous avons proposé quatre méthodes analytiques de prédiction de la capacité portante des pieux SPIRMEC à partir des essais in-situ et au laboratoire qui sont: • Méthode CPT basée sur la résistance de pointe pénétromètrique (essai CPT), • Méthode MPT basée sur la pression limite pressiomètrique (essai MPT), • Méthode du couple d’installation, • Méthode analytique basée sur les paramètres de cisaillement de sol notamment l’angle de frottement interne (essais triaxial et boîte de cisaillement). Ces méthodes tiennent compte de la géométrie du pieu, du procédé de mise en oeuvre et de la compacité du sol. L’analyse de performance des méthodes proposées a montré que les méthodes analytique et CPT représentent mieux le comportement des pieux testés. La modélisation numérique du comportement des pieux SPIRMEC sous charge axiale de traction a été également étudiée à l’aide du code de calcul Plaxis 2D. Un modèle axisymétrique a été adopté pour modéliser la géométrie de la structure. Le modèle de comportement hardening soil a été retenu pour modéliser le comportement élastoplastiq des couches de sol. Un modèle élastique linéaire a été retenu pour le pieu. Quant au comportement de l’interface sol-structure, il a été pris en compte par un modèle élastoplastique basé sur les critères de Mohr-Coulomb. L’expansion du sol résultant de l’installation des pieux a été approchée par une cavité cylindrique. Cette dernière a été modélisée par des déformations volumiques anisotropes. Nous avons constaté, qu’appliquer une déformation volumique de l’ordre de 40% permet une bonne concordance entre les résultats numériques et expérimentaux. L’étude paramétrique nous a également permis de constater l’existence d’une variation linéaire entre la capacité portante et l’espacement S. Le comportement de l’acier galvanisé dans le sol a été également étudié au moyen de trois approches: électrochimique, visuelles grâce au microscope électronique et gravimétrique. Les tests électrochimiques de corrosion du zinc ont été réalisés dans la solution de sol artificielle pour deux périodes bien distinctes : saison des pluies et après 8 mois de contact sol-pieu. Une forte dépendance est constatée de la vitesse de corrosion de zinc au pH et à la conductivité de la solution. La vitesse de corrosion est plus importante en saison des pluies qu’après 8 mois de contact de pieu avec le sol. Les fortes concentrations en sulfates semblent augmenter la vitesse de corrosion. Les analyses menées au MEB montrent que la zone de fluctuation de nappe et en surface externe (sol/air) sont les zones les plus corrodées. La comparaison entre les différentes techniques d’évaluation de la vitesse de corrosion a montré que l’eau de nappe peut être utilisée comme un milieu représentatif du profil chimique d’un sol non cohésif et légèrement granulaire. / The purpose of this thesis is to study the both behaviors mechanical and of the corrosion of a new foundation system, called spirec piles, for lightweight structures. The work was based on two main aspects. The first aspect concerns the analysis of behavior of the spirmec piles under axial loading on the basis of experimental and numerical modeling in a non-cohesive soft soil. On the second aspect, it addresses the problem of corrosion of steel forming the pile in a humid tropical environment. The behavior of the tested piles under axial traction load, in a non-cohesive soil, showed the development of a cylindrical surface of failure. This does not depend on the geometrical configuration of the tested piles such that: the spacing s, the helix diameter dh and the diameter of the shaft. By adopting this failure criterion and using statistical data analysis, we proposed four analytical methods for predicting the bearing capacity of the piles from in-situ and laboratory tests, which are: cpt method based on tip resistance penetrometer (cpt test), mpt method based on pressuremeter limit pressure (test mpt), method of installation torque and analytical method based on the shear parameters of soil (triaxial tests and shear box). These methods take into account the geometry of the pile, the method and implementation of soil compaction. Performance analysis of the proposed methods showed that the analytical methods and cpt represent better the behavior of piles tested. An axisymmetric condition was assumed to model this geometry in two-dimensional space. In this study, we proposed to model the pipe screw pile with plates elements available in plaxis 2d. The helixes were modeled as circular disks. Interface elements were incorporated along the pile to simulate the soil-pile interaction. Hardening soil model was chosen to describe the soil with drained behavior was assigned for all layers. Linear elastic for pile and elastic plastic model based on the mohr-coulomb criterion was used to describe the interface behavior. The lateral expansion generated by the pile shaft was modeled by anisotropic volumetric strains (ɛxx=ɛzz, ɛyy=0). The pile behavior under tensile loading at different volumetric strains, it is clear that the best fit was obtained at volumetric strain of 40%. The parametric study also allowed us to establish the existence of a linear variation between the bearing capacity and spacings. The behavior of the galvanized steel in the ground has also been studied using three approaches such as: electrochemical, microscopic imaging and gravimetrically. Electrochemical tests of the corrosion of the zinc have been made in artificial soil solution into two periods, the rainy season and after eight months of contact soil-pile. Is a strong dependence of the observed corrosion rate of the zinc at the ph and conductivity of the solution. The corrosion rate is higher in the rainy season compared to eight months of contact of the pile with soil. High sulfate concentrations increase the rate of corrosion. The meb analysis shows that the fluctuation zone of the water table is the most corroded area. Comparison between the different methods of evaluating the corrosion rate showed that the ground water may be used as a representative profile of the chemical environment of a non-cohesive soil and slightly granular.

Dans cette recherche est développé un modèle de calcul de la capacité portante des murs en maçonnerie de petits éléments sous charges verticales centrées ou excentrées. Le modèle est capable de prendre en compte l'influence des discontinuités mécaniques introduites par les joints horizontaux et verticaux en considérant les caractéristiques mécaniques des blocs et des joints de mortier. La détermination des caractéristiques mécaniques du mortier des joints a également été menée. Les essais sur des éprouvettes découpées dans les joints de mortier après durcissement ont mis en évidence l'influence des phénomènes de succion des blocs sur les caractéristiques mécaniques du mortier. Cette étude a montré également que la détermination de la loi de comportement du mortier à partir .de celle des assemblages et des blocs en utilisant l'approche proposée par PAGE sous-estime la valeur du module d'élasticité initial du mortier. Un dispositif expérimental spécifique a été mis au point pour la détermination des lois excentricité-courbure à effort normal maintenu constant. Ce dispositif permet également de mettre en évidence les modes de rupture observés dans les assemblages ainsi que l'influence du type de mortier sur leur déformabilité. D'une manière générale, on a pu constater une bonne correspondance entre résultats théoriques et expérimentaux en particulier dans le cas où l'on considère la maçonnerie comme un matériau hétérogène.

Descendant du déflectomètre à boulet du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC), le Heavy Weight Deflectometer (HWD) est devenu aujourd'hui l'appareil de référence international pour la détermination de la portance des chaussées aéronautiques. Il est composé d'une masse tombante qui engendre à la surface de la chaussée, par l'intermédiaire d'une plaque rigide et d'un système d'amortissement, un chargement de type impulsionnel, destiné à simuler le passage d'une roue d'avion. Les déflexions engendrées sont mesurées pendant la période de chargement, au moyen de géophones disposés sous et aux abords de la plaque. Leur analyse permet de déterminer les propriétés structurelles des différentes couches de chaussée au moyen d'une procédure d'identification numérique appelée « calcul inverse » qui consiste à : 1- choisir un modèle mécanique pour décrire le comportement de la chaussée sous chargement, et 2- identifier les paramètres du modèle permettant le meilleur calage entre les données numériques et expérimentales. Un calcul direct peut alors être réalisé, à partir du même modèle mécanique, et en tenant compte des paramètres identifiés, pour estimer la capacité portante de la chaussée et/ou sa durée de vie résiduelle. Les méthodes usuelles d'exploitation des données sont basées, pour les chaussées souples, sur l'utilisation de modèles élastiques multicouches statiques. Les seuls paramètres structuraux à identifier sont les rigidités des différentes couches constitutives. Le calcul inverse est mené à partir de bassins de déflexion pseudo-statiques, reconstitués à partir des déflexions maximales mesurées sur chaque géophone. Les limites de ces méthodes ont été soulignées par de nombreux auteurs. D'une part elles n'exploitent qu'une infime part de l'information disponible (valeurs de pic uniquement des signaux fournis par les géophones et le capteur d'effort), et d'autre part elles reposent sur une modélisation statique très éloignée de la réalité de l'essai. L'objectif de la thèse était donc de développer une méthode avancée d'évaluation des chaussées souples permettant une meilleure représentation physique de l'essai et d'exploiter l'ensemble de l'information disponible. Une modélisation dynamique aux éléments finis, prenant en compte les effets d'inertie et l'amortissement mécanique, y a été proposée. Elle permet le calcul de l'évolution temporelle des déflexions au cours de l'essai. Un algorithme de convergence a été développé sur la base de ce modèle, qui permet d'automatiser la résolution numérique de la phase de calcul inverse. Enfin une méthode d'analyse des résultats du calcul inverse a été proposée à titre d'illustration. Plusieurs expérimentations en vraie grandeur ont été menées afin de valider les phases de calcul inverse et de calcul des déformations critiques. Les essais ont été réalisés sur plusieurs planches de référence, dont l'une est instrumentée. La validation s'est appuyée d'une part sur la comparaison entre propriétés des matériaux identifiées et mesurées en laboratoire, et d'autre part sur l'exploitation de mesures de déformations relatives mesurées in situ. Un outil numérique a par ailleurs été développé, qui permet l'automatisation du maillage aux éléments finis, et le calcul pour les deux étapes consécutives du processus : calcul inverse et calcul direct des déformations relatives.

Les ancrages hélicoïdaux, largement utilisés pour résister à des efforts de traction pour une variété d’applications comme les pylônes électriques, les pipelines, les structures offshore, etc., sont soumis à des chargements cycliques qui influent sur la performance d’encrage et peuvent induire une rupture par fatigue. Cependant, l’influence des sollicitations cycliques sur le comportement d’encrage hélicoïdal est mal connue. Une évaluation approfondie de l’effet des charges cycliques sur la réponse effort – déplacement des ancrages avec une seule hélice dans les sols sableux est présentée, incluant un diagramme d’interaction pour aider à évaluer l’impact des différentes conditions de chargement cyclique. La partie expérimentale de cette thèse comprend des essais en centrifugeuse géotechnique et des essais de chargement in situ. Les essais en centrifugeuse ont été effectués sur des modèles réduits d’encrages hélicoïdaux dans du sable à l’IFSTTAR (Nantes, France). Les essais de chargement in situ ont été réalisés sur des ancrages hélicoïdaux installés dans le sol tropical résiduel du site expérimental de l’Université de Sao Paulo (Sao Carlos, Brésil). De plus la modélisation numérique a été utilisée pour prédire les réponses pré et post cycliques des ancrages d’une hélice testée en centrifugeuse. Les principales conclusions de cette recherche sont : (a) le comportement d’un ancrage hélicoïdal est régi par la capacité portante de l’hélice, et aucune perte de capacité portante d’hélice n’a été observée pour la gamme de charges cycliques testée, (b) la dégradation de la résistance par frottement latéral sur le fut a été remarquée principalement pendant les 100 premiers cycles, lorsque l’accumulation des déplacements permanents est plus importante, (c) un diagramme d’interaction montrant les différentes conditions de stabilité cyclique est proposé à partir des résultats des données expérimentales, (d) des valeurs modifiées du facteur de capacité portante (Nq) sont proposées pour l’estimation de la capacité et post-cyclique des ancrages avec une hélice dans du sable, (e) l’effet de l’installation de l’ancrage doit être pris en compte dans le modèle numérique afin d’obtenir des prédictions fiables de la performance de l’ancrage hélicoïdal. / Helical anchors, used widely to resist uplift loading for a variety of applications, including in transmission towers, pipelines, offshore structures, etc., are subjected to environmental cyclic loads that influence the anchor performance and may induce fatigue failure. However, the influence of cyclic loading on helical anchor behaviour is unknown. A comprehensive evaluation of the effect of cyclic loading on the load-displacement response of single-helix anchors in sandy soils is presented here, including an interaction diagram to help designers evaluate the impact of different conditions in cyclic loadings. The experimental work of this thesis includes geotechnical centrifuge modelling and field load tests. The centrifuge model tests were carried out with reduced scale models of helical anchors in sand, at IFSTTAR (Nantes, France). The field load tests were performed on hekical anchors installed in a tropical residual soil of the Experimental Site of the University of Sao Paulo (Sao Carlos, Brazil). In addition, numerical modelling was used to predict the pre- and post-cyclic responses of the single-helix anchors tested in a centrifuge. The main findings of this research are : (a) helical anchor behaviour is governed by helix bearing resistance and no loss of helix bearing capacity was observed in the range of cyclic loadings tested, (b) the degardation of shaft resistance was noticed mainly during the first 100 cycles, when the accumulation of permanent displacements is more significant, (c) an interaction diagramshowing the different conditions of cyclic stability is proposed from the results of the experimental data, (d) modified values of the bearing capacity factor in tension (Nq) are suggested for the estimation of post-cyclic uplift capacity of single-helix anchors in sand, (e) the installation effect of the anchor should be taken into account in the numerical model in order to obtain reliable predictions of the helical anchor performance.

L'emploi de textiles comme additif à des ouvrages en terre est devenu un des procédés majeurs d'amélioration des sols. Ce rmémoire aborde ainsi le thème général de l'interaction d'un milieu fibreux et d'un milieu granulaire sous ses différents aspects géomécaniques. Une première partie est consacrée à la fonction hydraulique d'un géotextile et la seconde partie à la fonction de renforcement. 1 - Fonction hydraulique d'un géotextile : Une loi de perméabilité est proposée pour les milieux fibreux, prenant en compte les paramètres de structure, fibrométrie, porosité, liaisons inter-fibres et anisotropie. A partir des résultats obtenus sur deux fluides, on définit un nombre de Reynolds critique, en -dessous duquel on peut garantir la précision de la mesure. L'application de l'analyse morphométrique permet une formulation de la porométrie d'un textile non-tissé en fonction de la densité des fibres. A partir de là l'auteur propose une détermination théorique de l'ouverture maximale du géotextile (paramètre standard des critères de filtres) basée sur la probabilité de passage d'une particule au travers d'une épaisseur textile de porométrie définie et en déduit une interprétation des divers modes opératoires relatifs à cette mesure . En ce qui concerne le comportement en filtration, l'auteur fait apparaître les contradictions existant entre les différents critères actuellement proposés et une étude expérimentale est présentée, portant principalement sur ces cas de divergence : le mécanisme de rétention des particules par le filtre dépend essentiellement de l'uniformité du sol, de la contrainte de confinement et du gradient hydraulique . 2- Fonction de renforcement d'un géotextile : Les géotextiles constituent des armatures à faible rigidité en traction et à faible raideur en flexion . Le calcul à la rupture d'un sol renforcé devra donc prendre en compte les grandes déformations du complexe sol-textile. Une fois défini le comportement en traction et en ancrage d'une nappe textile, l'auteur présente le traitement complet d'un problème type : il s'agit du poinçonnement d'un bicouche sol pulvérulent sur sol mou, renforcé à l'interface, représentant le problème d'une chaussée sur sol compressible. L'étude comprend une partie expérimentale synthétisant les résultats d'essais de chargement quasi -statique ou cyclique effectués en grande cuve, et une partie théorique où il est proposé une estimation du gain de portance dû au géotextile à partir de la théorie des membranes et de la définition des lois d'interaction sol-textile. Le mécanisme proposé considère un double effet du renforcement, un effet membrane et un effet répartiteur.