Réseau Ferré de France et la Société Nationale des Chemins de Fer souhaitent mettre à jour le référentiel technique datant de 1985 régissant l'utilisation des ouvrages de soutènement en sol renforcé rapporté. L'objet de ce travail de thèse est l'étude du comportement des ouvrages en Terre Armée sous sollicitation ferroviaire, notamment en terme de déformation verticale. Dans le cadre de cette recherche, un programme d'essais de grande ampleur a été mis en oeuvre. Il s'appuie essentiellement sur un ouvrage expérimental en vraie grandeur associant un soutènement en Terre Armée et un remblai classique, ce dernier servant de référence. Une large gamme de sollicitations, incluant aussi des chargements statiques supérieurs ou égaux aux états de service, a permis la mise en évidence de l'influence de la fréquence de sollicitation sur la réponse de l'ouvrage et les effets de la fatigue entraînés par sept années de trafic ferroviaire. L'interaction sol - armature a été caractérisée au moyen d'essais d'extraction sous application d'efforts dynamiques. Deux modèles aux éléments finis, l'un, bidimensionnel discret et l'autre, tridimensionnel homogénéisé, ont été développés en tenant compte des enseignements tirés d'un concours de prévisions de la réponse de l'ouvrage soumis à un chargement statique. Un travail spécifique a été mené sur l'interface sol - armature. Enfin, un modèle physique centrifugé et une instrumentation adaptée ont été mis au point pour permettre un approfondissement de ce travail de recherche.

Résumé de la thèse en français : Le clouage des sols est une technique de soutènement d’excavations développée en France dans les années 1970. En pratique aujourd’hui, les parements de tels ouvrages sont souvent dimensionnés pour reprendre les efforts de traction admissibles dans les renforcements. De manière générale, dans la profession il est notoire qu’au parement les efforts de service dans les renforcements sont en fait plus faibles que calculés, et ce d’autant plus à proximité du pied de parement en raison du phasage de construction de ces ouvrages, du haut vers le bas. En 2015 la Commission de Normalisation Française Justification des Ouvrages Géotechnique (CNJOG) a engagé une révision de la norme NF P 94 270, notamment pour clarifier la justification du parement. Dans ce contexte, cette thèse vise à améliorer les connaissances sur le fonctionnement des massifs de sol cloué en place et en particulier sur la mobilisation du parement. Les travaux réalisés ont comporté une étude paramétrique expérimentale sur modèle physique réduit en centrifugeuse géotechnique (trois longueurs de clous), complétée par une analyse par modélisation numérique en déformations. Sur le modèle réduit, la mobilisation des efforts dans les clous était observée à plusieurs niveaux à l’aide de fibres optiques munies de réseaux de Bragg, situées à l’axe neutre des clous. Les réseaux de Bragg étaient distants de 5 mm, soit 25 cm dans l’ouvrage réel modélisé. Les déplacements au sein du massif ont été suivis à l’aide d’une technique d’imagerie de type Particle Image Velocimetry (PIV), par suivi de motifs de grains de sables au travers d’une paroi latérale transparente du modèle physique à échelle réduite. Les essais ont montré une nette influence de l’élancement des ouvrages sur l’amplitude des déplacements et le profil des efforts mobilisés. Parallèlement, un modèle numérique tridimensionnel de calcul par éléments finis et respectant le phasage de construction a été développé sous CESAR-LCPC. Les clous ont été modélisés par des éléments linéiques partageant leurs nœuds avec les éléments volumiques par l’intermédiaire d’un degré de liberté supplémentaire, correspondant au déplacement relatif sol-clou. Le comportement en déformations du sol a été représenté par le modèle Hardening Soil Model (HSM). La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations numériques a permis de mettre en avant l’influence de l’élancement sur le comportement du mur mais a souligné les limites de l’utilisation des éléments finis, et en particulier la forte sensibilité aux raideurs du sol et de l’interface sol-clou. Cette comparaison a également permis de proposer une amélioration du dimensionnement des sols cloués. Le logiciel PROSPER réalise ce dimensionnement en choisissant une courbe de rupture le long de laquelle le déplacement du sol mobilise la réaction des clous. Ce déplacement est généralement considéré homogène mais les résultats de ce travail permettent d’en proposer une allure. Des abaques ont été établis donnant cette distribution en fonction du rapport d’élancement. Cette approche du calcul des efforts au parement dans les renforcements a été mise en œuvre dans le cas d’un ouvrage expérimental. / Soil nailing is technique developped in France during the 70s for the retaining of excavations. Today, the facing of such structures is often designed to support the maximal tensions admissible in the reinforcements. The professionals generally admit that the service loads in the reinforcements are smaller than the calculated ones. Especially at the facing foot because of the construction phasage, from top to bottom. In 2015, The French Standardization for Geotechnical Structures Verification launched a revision of the standard concerning soil-nailing, especially about the facing design. In this context, this thesis aims at a better knowledge of soil-nailed walls behaviour and especially about the mobilization of the facing. The works consisted of a parametrical study on a centrifuge model (three nail lengths) and of a numerical modelling. On the centrifuge model, the nail tensions were observed, at each level, using Bragg grated optic fibers, placed at the core of the nails. The Bragg networks were placed 5 mm from each other (25 cm on the real wall). The displacements inside the soil were followed by a Particle Image Velocimetry like technique. The grains patterns were observed through a lateral translucid face. The experiments have shown a strong influence of the structure slenderness on displacements amplitude and on tensions allures. A 3D numerical model was also developped with CESAR-LCPC. It was realized with Finite Elements Method and the building phasage was respected. Nails were modelized by lineic elements whose nodes where shared with volumic elements. In order to simulate the friction law, an additional degree of freedom was introduced : the relative displacement between soil and nail. The deformation behaviour of the soil was simulated using Hardening Soil Model. The comparison of experimental and numerical results highlighted the influence of slenderness on wall behaviour as well as the limits of Finite Elements Method. In particular, the results are strongly dependant on the stiffness of soil and of the interface between soil and nail. This comparison also allowed to propose an improvement of the soil-nailing design. The PROSPER software choses a failure surface along which the displacement of soil mobilizes the reaction of the nails. This displacement is generally considered as homogenous but the results of the present work allow to propose an allure. Abacus have proposed for the distribution of this displacement and this design approach has been tested on an experimental wall.

La convection thermique dans les objets naturels de grande taille est associée à de fortes variations de la pression, hydrostatique au premier ordre. C’est le cas pour l’atmosphère de la Terre (et d’autres planètes), les planètes gazeuses géantes, les étoiles, mais aussi l’intérieur des planètes telluriques. De part l’importance des effets de compressibilité, l’approximation de Boussinesq n’y est pas vérifiée et d’autres modèles, comportant également des approximations, sont utilisés : les modèles anélastiques. Toutefois, peu d’expériences ont été réalisées pour les vérifier. Cette thèse présente une expérience dont les paramètres ont été optimisés afin d’obtenir des effets de compressibilité importants en laboratoire. Pour ce faire, une gravité apparente forte est obtenue à l’aide d’une centrifugeuse et du xénon gazeux est utilisé, nous permettant d’atteindre un nombre de dissipation significatif. Ces expériences ont permis l’observation en laboratoire d’un gradient adiabatique de 3 K/cm et d’un exposant de 0,3 pour la loi de puissance caractérisant le transfert thermique turbulent entre le nombre de Nusselt et le nombre de Rayleigh superadiabatique.L’étude des fluctuations de pression et de température montrant que l’écoulement est quasi-geostrophique dû à la forte rotation imposée par la centrifugeuse, un modèle anélastique quasi-géostrophique est développé afin de réaliser des simulations numériques bidimensionnelles relatives à l’expérience. / In large natural objects, thermal convection is associated with large pressure differences, mainly due to hydrostatic balance. This is true in the atmosphere of the Earth (and other planets), in gas giant planets, in stars, but also in the interior of telluric planets. Boussinesq approximation is not valid owing to large compressibility effects, and other approximate models can be used to model these objects, like the anelastic approximation. However, very few experiments have been performed to assess these models. In the present PhD thesis, an experiment is shown, with parameters designed to maximize compressibility effects in a laboratory. In this perspective, an enhanced apparent gravity is obtained using a centrifuge, and Xenon gas is used, allowing us to reach a significant dissipation parameter. In our experiments, we have observed an adiabatic gradient of 3~K/cm and the power law between the superadiabatic Rayleigh number and the Nusselt number measuring the turbulent heat transfer is characterized by an exponent 0.3.Measurements of temperature and pressure fluctuations show that the flow is quasi-geostrophic as a result of the strong rotation rate of the centrifuge. An anelastic, quasi-geostrophic model has then been developed and solved numerically in the same configuration as the experiments.

La concentration de plus en plus importante de la population dans les milieux urbains exposés à une forte sismicité peut générer de plus en plus de dommages et de pertes. La réponse sismique en milieu urbain dépend des effets du site (direct amplification et non-linéarité du sol) et du couplage entre le sol et les structures (interaction sol-structure et site-ville). Par conséquent, la compréhension de la sismologie urbaine, c'est-à-dire le mouvement du sol intégrant l'environnement urbain, est critique pour réduire les dommages. Cela passe par la prédiction du mouvement du sol dans le milieu urbain, ingrédient fondamental à l'évaluation de l'aléa sismique. La prise en compte de l'amplification provoquée par la présence de sédiments est largement étudiée. Au contraire, la réponse non-linéarité du sol et du couplage entre le sol et la structure est rarement intégrée à la prédiction du mouvement du sol. A cause de leur complexité, ces problèmes ont toujours été abordés séparément. Dans ce contexte, cette thèse analyse la réponse non-linéaire du système sol-structure en intégrant la non-linéarité du sol et de l'interaction sol-structure. Deux travaux expérimentaux ont été conduits, avec comme but de proposer un proxy, rendant compte de la non-linéarité du sol. Le premier est l'essai en centrifugeuse qui reproduit à échelle réduite la réponse du sol et des structures. L'état de contrainte et de déformation est conservé en appliquant une accélération artificielle au modèle. Cet essai a été effectué à IFSTTAR Nantes dans le cadre de l'ANR ARVISE. Différentes configurations ont été testées, avec et sans bâtiments, sous différents niveaux de sollicitation, pour analyser la réponse du sol et des structures. Le deuxième utilise les enregistrements des réseaux accélérométriques verticaux de deux sites tests californiens : Garner Valley Downhole Arrat (GVDA) et Wildlife Liquefaction Array (WLA), gérés tout deux par l'Université de Californie, Santa Barbara (UCSB), Etats-Unis. La réponse in-situ est importante car elle décrit le comportement réel du site. Plusieurs informations décrivant les conditions de sites sont disponibles et les séismes enregistrés ont permis de tester plusieurs niveaux de déformations pour reconstruire la réponse globale de chaque site. De plus, le site GVDA est équipé d'une structure Soil-Foundation-Structure-Interaction (SFSI) qui a comme objectif d'étudier les problèmes d'interaction sol-structure. Dans les deux expériences, grace au réseau accélérométrique vertical dans le sol et la structure, on peut appliquer la méthode de propagation d'ondes 1D pour extraire la réponse de ces systèmes. Les ondes sont considérées comme des ondes SH qui se propage horizontalement dans une couche 1D. La méthode interférométrie sismique par déconvolution est appliquée pour extraire l'Impulse Response Function (IRF) du système 1D. On analyse ainsi la variation de Vs en fonction de la solliictation et à différente position dans le sol ainsi que la variation des éléments expliquant la réponse dynamique du système sol-structure. On propose au final un proxy de déformation permettant de rendre compte mais aussi de prédire la nonlinéarité des sols en fonction des niveaux sismiques subits. / The concentration of population in urban areas in seismic-prone regions can generate more and more damages and losses. Seismic response in urban areas depends on site effects (direct amplification and nonlinearity of the soil) and the coupling between the soil and structures (soil-structure and site-city interaction). Therefore, the understanding of urban seismology, that is the ground motion incorporating the urban environment, is critical to reduce the damage. This requires the prediction of ground motion in urban areas, a fundamental element in the evaluation of the seismic hazard. Taking into account the amplification caused by the presence of sediment has been widely studied. However, the non-linearity of the soil and the coupling between the ground and the structure is seldom integrated to the prediction of the ground motion. Because of their complexity, these problems have been addressed separately. In this context, this dissertation analyzes the non-linear response of the soil-structure by integrating the non-linearity of the soil and the soil-structure interaction. Two experimental studies were performed, with the aim of providing a proxy that reflects the non-linearity of the soil. The first is the centrifuge test that reproduces the response of soil and structures at reduced scale. The state of stress and strain is conserved by applying an artificial acceleration model. This test was performed at IFSTTAR Nantes in the framework of the ANR ARVISE. Different configurations were tested with and without buildings, under different stress levels, to analyze the response of the soil and structures. The second uses the vertical accelerometric networks of two sites in California: Garner Valley Downhole (GVDA) and the Wildlife Liquefaction Array (WLA), both managed by the University of California, Santa Barbara (UCSB), USA. In-situ response is important since it describes the actual behavior of the site. Information describing the conditions of sites is widely available and the earthquakes recorded were used to test several levels of shaking to reconstruct the overall response of each site. In addition, the GVDA site is equipped with a Soil-Foundation-Structure-Interaction structure (SFSI) which aims to study the problems of soil-structure interaction. In both experiments, thanks to the vertical accelerometer network in the ground and the structure we are able to apply the 1D wave propagation method to extract the response of these systems. The waves are considered as an SH wave which propagates in a 1D horizontal layer. Seismic interferometry by deconvolution method is applied to extract the Impulse Response Function (IRF) of the 1D system. Thus the analysis of the variation in function of elastic properties of the soil and the structure is done under several magnitude of shaking, including variation in depth and the elements of the total response of the structure including the soil-structure interaction. At the end, a deformation proxy to evaluate and also to predict the nonlinear response of the soil, the structure and the soil-structure interaction is proposed.

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.

La contamination en composés aromatiques polycycliques (CAP) a été suivie entre 2014 et 2015 au cours de six campagnes d’échantillonnage sur 8 sites différents entre Auboué et Richemont. Cette section du cours d’eau correspond à la partie aval de la vallée de l’Orne profondément affectée par plus d’un siècle d’activités minières et sidérurgiques qui ont cessé entre 1968 et 2009. L’Orne a donc été le réceptacle de rejets industriels et urbains et a été profondément perturbée dans son hydrodynamisme avec la construction de plusieurs barrages. Dans ce contexte, l’occurrence des 16 hydrocarbures aromatiques polycycliques réglementaires (HAP), de 11 CAP oxygénés (O-CAP) et de 5 CAP azotés (N-CAP) et leur distribution dans les fractions dissoute et particulaire des eaux de l’Orne ont été étudiées en mettant en place des protocoles d’échantillonnage et d’analyse adaptés. Le premier objectif de ce travail a été de comparer les méthodes d’échantillonnage des matières en suspension par filtration et par centrifugation à flux continu sur le terrain. Des différences significatives ont pu être identifiées entre les deux techniques, la filtration amenant à des concentrations en CAP plus élevées du fait d’une plus grande abondance des CAP de bas poids moléculaire. Nous avons pu mettre en évidence le rôle de la fraction fine (< 5µm) et/ou colloïdale plus ou moins retenue par les filtres et qui, de part sa réactivité, piège des CAP. La comparaison des deux méthodes dans différentes situations hydrologiques nous montre que cette rétention n’est pas systématique mais plutôt corrélée à des situations de fort hydrodynamisme. Les deux méthodes d’échantillonnage des matières en suspension ne sont donc pas comparables mais complémentaires. Le suivi saisonnier et multi-sites des eaux de l’Orne montre que la concentration en CAP varie entre 1.6 et 223.7 ng L-1 dans la fraction dissoute et entre 1.5 et 105.5 µg g-1 dans la fraction particulaire avec des variations spatiales de ±35% et ±45% respectivement. Les variations de concentration des CAP dans la fraction dissoute sont importantes d’un site à l’autre lorsque le débit est faible (de 0.5 à 34 m3.s-1). Les concentrations en CAP sont faibles autour de 20 ng.L-1 et spatialement homogènes en périodes de haut débit (> 50 m3.s-1) du fait de la dilution. Les concentrations en CAP dans les matières en suspension varient entre 2.8 to 36.3 µg g-1, et montrent des concentrations stables quelles que soient les situations hydrologiques lorsqu’elles sont collectées par la centrifugeuse de terrain. La fraction dissoute est enrichie en HAP de bas poids moléculaire dans les périodes d’étiage et est marquée par l’occurrence des HAP à 5 et 6 cycles aromatiques au cours des épisodes de crue. Les CAP polaires sont au moins aussi abondants que les HAP dans la fraction dissoute et évoluent de la même façon que les HAP. La part des CAP polaires dans la fraction particulaire est significativement plus basse (de 10 à 20% de l’ensemble des CAP) / The spatio-temporal variations of the concentration and distribution of dissolved and particulate polycyclic aromatic compounds (PACs), namely 16 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), 11 oxygenated PACs (O-PACs) and 5 nitrogen PACs (N-PACs), were studied in the Orne, a river impacted for more than one century by iron mining and steel-making industry. The first objective of this work was to compare the influence of two different methods of separation of suspended particulate matter (SPM), filtration (FT) and field continuous flow centrifuge (CFC). Results showed that in half of the sampling campaigns, PAC concentrations were 2 to 8 times higher for PAHs and 2 to 10 times higher for O-PAC when SPM were collected by filtration. These differences that were not observed systematically over the six sampling campaigns could be explained by the retention of colloidal matter on glass-fiber filters that appeared as a very reactive phase particularly enriched in low molecular PACs. The two methods were then considered as complementary methods to study SPM. The second objective of this work was to perform a long term monitoring of PAC concentrations and distributions in dissolved and particulate fractions. The results from the six sampling campaigns between May 2014 and September 2015 in eight different sites showed that the PAC concentrations ranged between 1.6 to 223.7 ng L-1 in the dissolved fraction (?PACTD), and between 1,55 to 105,5 µg g-1 in the total particulate fraction, with maximum spatial variation of ±35% and ±45% respectively. The dissolved PACs spatial variations were strongly influenced by the hydrological conditions and less spatial variation was observed during high flow events as the result of dilution and homogenization of pollutants. During low flow events, particulate PACSPM-CFC concentrations were more stable and equivalent in values and distribution to the corresponding PACSPM-FT samples. Overall it was in a range between 2.8 to 36.3 µg g-1. The dominance of dissolved low molecular weight PAHTD in the low flow events decreased during high flow events due to the appearance of penta- and hexa-cyclic PAHs. The dissolved polar PACs were as high as the PAHs contribution and also subjected to seasonal changes, the O-PACs ranged between 5.6 to 90.3 ng L-1 and N-PAHs from 1.0 to 42.5 ng L-1. The particulate polar PACs concentrations and contribution were significantly lower, the highest concentrations of 8,76 µg g-1 and 29,41 µg g-1 was observed during high flow event for O-PACs and during low flow event for N-PAH respectively

Deux approches ont été utilisées pour étudier le comportement des sols compressibles lors de l'élargissement d'un remblai : étude sur modèles réduits centrifugés et analyse numérique en éléments finis. Pour l'étude en centrifugeuse, la construction des remblais pendant la rotation du modèle a été effectuée grâce à une trémie développée pour cette recherche. Sept conteneurs d'argile Speswhite reconstituée ont été préparés et équipés de capteurs de tassements de surface, de pressions interstitielles et de déplacements horizontaux. Sept essais ont été réalisés, les premiers pour mettre au point les procédures d'essai et les quatre derniers pour comparer deux variantes d'élargissement d'un remblai. L'analyse des résultats des mesures et des observations faites sur les modèles a montré l'importance des conditions de préparation des massifs d'argile et d'un suivi détaillé de toute l'histoire des sols depuis leur mise en place dans le conteneur jusqu'à la fin de l'essai. Le comportement des argiles pendant la centrifugation dépend d'une combinaison de consolidation et de fluage qui dépend de leur état de surconsolidation initiale et complique l'interprétation des mesures effectuées sur le modèle. La modélisation numérique a été effectuée au moyen de CESAR-LCPC. Elle a porté sur les modèles testés en centrifugeuse et sur le comportement d'un remblai autoroutier élargi vingt-cinq ans après sa construction. Le calcul en éléments finis, de type élastoplastique couplé, nécessitait des données géotechniques qui n'étaient pas toutes disponibles et les comparaisons effectuées avec les mesures sont restées pour cette raison incomplètes, bien que les phénomènes soient reproduits qualitativement de façon acceptable. Ces recherches montrent qu'il est indispensable de mieux définir les propriétés mécaniques des sols pour déboucher sur des résultats d'application pratique.