L'évapotranspiration (ET) et ses deux composantes, l'évaporation du sol et la transpiration des plantes, jouent un rôle crucial dans le cycle hydrologique, en particulier dans les régions semi-arides. Le suivi de l'évaporation du sol à des échelles multiples est particulièrement intéressant pour une multitude d'applications agronomiques, hydrologiques, météorologiques et climatiques, pour lesquelles la télédétection a un grand potentiel via deux observables clés liées à l'évaporation: la température de surface (Land Surface Temperature - LST) et l'humidité du sol en surface (Soil Moisture - SM). Cette thèse avait pour but d'améliorer la représentation spatio-temporelle de l'évaporation du sol, par une modélisation multi-échelle capable d'utiliser la synergie des données de télédétection disponibles. Une nouvelle méthodologie a été développée afin d'estimer l'efficacité évaporative du sol ou SEE (Soil Evaporative Efficiency, définie comme le rapport entre l'évaporation du sol réelle et celle potentielle), avec une résolution comprise entre 100 m et 40 km. Elle combine l'humidité du sol dérivée à 40 km de résolution des données micro-ondes, la température de surface, le couvert végétal et l'albédo de surface issues des capteurs optiques avec une résolution spatiale variant de 100 m and 1 km, et des données météorologiques. Cette approche a été testée sur des zones irriguées semi-arides au Maroc, au Mexique et en Espagne. Dans une première étape, un modèle du bilan d'énergie du sol (EBsoil) a été proposé pour estimer les limites humide/sèche d'un modèle de l'ET basé sur la LST. Les sorties du modèle EBsoil ont été validées avec des mesures in situ de la température du sol réalisées au Maroc. Les estimations de l'ET obtenues soit uniquement à partir des données de télédétection, soit en utilisant EBsoil, ont ensuite été comparées avec une ET de référence sur le site mexicain pour des résolutions de 100 m et 1 km. Les résultats ont montré que l'intégration de EBsoil améliore les estimations de l'ET à la résolution de 1 km. L'étape suivante s'est concentrée sur la dynamique temporelle de la SEE, en utilisant la technique de la modélisation globale. Cette approche a été utilisée jusqu'à présent pour un petit nombre de contextes environnementaux, avec encore moins de modèles obtenus qui sont en mesure de reproduire la dynamique d'origine. Pour la première fois, un modèle chaotique de dimension quatre a été obtenu pour le cycle journalier de la SEE, capable de reproduire la dynamique de la variable avec une bonne approximation dans l'espace des phases. Dans une dernière étape, les deux approches de télédétection utilisées pour calculer la SEE - en fonction de la LST ou de la SM - ont été combinées dans un algorithme de désagrégation (DISPATCH) des données SM SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity). EBsoil a été intégré dans DISPATCH et un nouvel algorithme a été développé: DISPATCH-E. Une évaluation indirecte de l'approche de modélisation de la SEE a été implémentée sur le site espagnol en comparant la SM DISPATCH-E aux mesures in situ. L'intégration de EBsoil améliore significativement la SM désagrégée à 1 km de résolution. De plus, elle fournit des points de référence pour l'étalonnage des modèles multi-résolution de la SEE, ainsi qu'une évaluation indépendante de l'incertitude des données de télédétection. / Evapotranspiration (ET) and its two main components, soil evaporation and plant transpiration, play a crucial role in the hydrological cycle, especially over semi-arid regions. Monitoring soil evaporation at multiple scales is especially relevant to a multitude of agronomic, hydrologic, meteorological and climatic applications, where remote sensing-based approaches have great potential via two evaporation-related observable variables: the land surface temperature (LST) and the surface soil moisture (SM). The aim of this PhD was to try and improve the spatio-temporal representation of soil evaporation by developing a multi-scale modeling approach that makes use of the synergy between readily available remote sensing data. A new methodology was developed to estimate the soil evaporative efficiency or SEE (ratio of actual to potential soil evaporation) at 100 m to 40 km resolution by combining 40 km resolution microwave-derived SM, 100 m to 1 km resolution thermal-derived LST, 100 m to 1 km resolution reflectance-derived vegetation cover/surface albedo and available meteorological data. The approach was tested over three different semi-arid irrigated areas in Morocco, Mexico and Spain. In a first step, a soil energy balance model (EBsoil) was proposed to improve the determination of the dry/wet boundaries of a LST-based ET model. EBsoil outputs were validated against in situ measurements of dry/wet soil temperatures over the Moroccan site. ET estimates were subsequently derived either from remote sensing data solely or by using EBsoil and intercompared at 100 m and 1 km resolutions with a reference ET over the Mexican site. Results showed that integrating EBsoil improves ET estimates at a medium (1 km) resolution. The next step consisted in looking into the temporal dynamics of SEE, using the global modeling technique, approach used for a very small number of environmental contexts, with even fewer models obtained that are able to reproduce the original dynamics. For the first time ever, a four dimensional chaotic model was obtained for the daily cycle of SEE, able to reproduce the dynamics of the variable with a good approximation in the phase domain. In a final step, the two remote sensing approaches used in deriving SEE - as a function of LST or SM - were combined within a disaggregation algorithm (DISPATCH) of SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) SM data. EBsoil was integrated in DISPATCH and a new algorithm was developed: DISPATCH-E. An indirect validation of the SEE modeling approach was performed by assessing DISPATCH-E's results in terms of 1 km resolution SM estimates over the Spanish site. Implementing EBsoil significantly improves the downscaled SM. Furthermore it provides reference points for calibrating multi-resolution SEE models, as well as being an independent way of assessing uncertainty in remotely sensed data.

Cette recherche traite de l'interprétation des mesures des pressions interstitielles au cours des essais in situ au piézocone et au pressiomètre autoforeur en vue de la détermination des caractéristiques géotechniques des sols en place. L'interprétation des essais s'appuie essentiellement sur la modélisation du phénomène d'expansion de cavité provoquée par la sollicitation appliquée. Dans la première partie de ce rapport, on passe en revue les études antérieures concernant l'utilisation des mesures obtenues au piézocone. On tente à travers cette étude bibliographique de déterminer les paramètres principaux influençant la réponse du sol à la pénétration et les valeurs des surpressions interstitielles ; cela en analysant les résultats expérimentaux rapportés dans la littérature d'une part et ceux obtenus théoriquement d'autre part, en particulier à partir des approches d'interprétation en contraintes totales du phénomène d'expansion de cavité. La deuxième partie du rapport a pour objectif de tester différentes approches de modélisation en laboratoire, à partir d'essais d'expansion sur des échantillons annulaires sur un sol limoneux. Le type d'essai a été conçu de manière à obtenir une reproductibilité des résultats expérimentaux d'essais d'expansion sur un sol remanié dont les caractéristiques sont déterminées à partir d'essais triaxiaux sous des conditions aux limites bien définies. L'interprétation des essais a eu essentiellement pour objectif de vérifier les hypothèses des diverses approches de modélisation. On a considéré d'une part une approche en contraintes totales considérant un sol élastique parfaitement plastique avec le critère de Tresca et d'autre part une approche d'analyse en contraintes effectives. Cette dernière utilise un modèle relativement simple (GUERMAZI, 1985) considérant le sol comme un matériau élastoplastique écrouissable à loi d'écoulement non associée. On montre que l'approche de modélisation en contraintes totales permet de déterminer les caractéristiques du sol à court terme. La cohésion non drainée et le module de cisaillement sont comparables avec ceux obtenus aux essais triaxiaux. Cependant, il est nécessaire d'élaborer une approche en contraintes effectives pour une interprétation adéquate des mesures des surpressions interstitielles permettant une détermination des caractéristiques effectives du squelette du sol à savoir sa résistance au cisaillement, sa compressibilité et ses propriétés de contractance et/ou dilatance. Dans la troisième partie, la comparaison des résultats théoriques avec ceux obtenus au laboratoire montre que la détermination des caractéristiques du sol étudié est assez fiable. On montre ainsi que les caractéristiques effectives du squelette du sol ainsi obtenues sont en accord avec celles déterminées à partir d'autres types d'essais, in situ et en laboratoire. Dans la quatrième et dernière partie, on expose les différents essais effectués in situ au pénétromètre à tête piézoélectrique. Deux types de sites ont été testés ; d'une part des sols argileux relativement homogènes où l'effet du drainage partiel au cours de la pénétration pourrait être négligé, d'autre part des sols sableux où la perméabilité est assez importante et où l'hypothèse d'essai non drainé n'est plus vérifiée. Sur le premier type de sol, on a essayé de tester les approches de modélisation en contraintes totales du phénomène d'expansion de cavité. L'utilisation de paramètres adimensionnels a présenté un intérêt particulier pour la reconnaissance et la classification des sols. Sur le deuxième type de sol, en l'occurrence à DUNKERQUE où le site présente un intérêt particulier compte tenu de la présence des inclusions de sable lâche et dense entre des couches argileuses, on a utilisé une pointe permettant de mesurer d'une part la résistance de pointe et le frottement latéral, d'autre part les surpressions interstitielles sur la pointe et sur le manchon de frottement latéral et ceci au cours du même essai. On a insisté en particulier sur les résultats des études paramétriques concernant : - l'effet de la position de la cellule des mesures des surpressions interstitielles ; - l'effet de la vitesse d'enfoncement ; - l'effet du diamètre du cône. Ces essais ont permis de mettre en évidence l'effet de la position de la cellule sur les mesures des pressions interstitielles. Les mesures avec la cellule placée sur le manchon de frottement latéral semblent plus adéquates pour caractériser la susceptibilité des sables à se contracter ou à se dilater. Cependant, c'est la différence de comportement sur la pointe et sur le manchon du frottement latéral qui permet d'identifier les inclusions de sable à l'état lâche ou dense. Cela met en évidence l'intérêt du "dual" piézocone pour la détermination in situ du potentiel de liquéfaction des sols en place.

Le comportement des interfaces entre les sols granulaires et les matériaux de construction structuraux a un impact important sur la réponse monotonique et cyclique de nombreux systèmes d'interaction sol-structure (SSI) tels que les structures de soutènement, les canalisations enterrées, les fondations superficielles et certains barrages en remblai. L'interface, en tant que milieu de transition, peut présenter différents comportements complexes sous des conditions de chargements variées, y compris la localisation des contraintes et des déformations, le glissement et la séparation, l’écrouissage / écrouissage négatif, la dilatance, la contraction accumulative, la dégradation des contraintes et la rupture des particules. Comprendre la mécanique et la modélisation de ces zones d'interface est une étape importante pour une conception et une analyse sûres et efficaces des problèmes d’interaction sol-structure. Cette thèse de doctorat comporte trois phases majeures: le développement de nouveaux modèles de comportement d'interface avancés ; l’implémentation du modèle de comportement d'interface développé dans un code d'éléments finis d’usage général; et, par conséquent, l'application du modèle de comportement d'interface implémenté à l'analyse numérique de la réponse d’un barrage en enrochement avec masque en béton soumis à des mouvements sismiques du sol. Phase de développement du modèle : Des modèles de comportement d'interface avancés pratiques et efficaces ont été développés dans le cadre de la plasticité à deux surfaces et de la mécanique des sols à l'état critique (CSSM) et ils sont compatibles avec le concept de paramètres d'état. Le développement du modèle utilise une formulation unifiée pour simuler le comportement monotonique et cyclique des interfaces sol granulaire (sableux et graveleux)-structure pour une large gamme de masses volumiques de sol et sous différentes contraintes normales et cheminements de contraintes, en utilisant un seul ensemble de paramètres d'étalonnage. Le modèle considère la rupture des particules sous cisaillement et est capable de simuler le comportement d'interface complexe comme la transformation de phase, l’écrouissage et l’écrouissage négatif, la dégradation des contraintes, la contraction accumulative cyclique, la stabilisation de la contraction cyclique et la dépendance aux cheminements de contraintes. Le modèle d'interface nécessite huit paramètres d'étalonnage pour simuler le comportement de l'interface sol graveleux- structure, neuf paramètres pour simuler le comportement pratique des interfaces sol granulaire (sableux et graveleux)-structure et onze paramètres d'étalonnage pour les interfaces sol granulaire-structure en tenant compte de la rupture des particules. Tous les paramètres du modèle ont une signification physique et peuvent être facilement déterminés en utilisant des essais de cisaillement d'interface standard. Les capacités du modèle ont été validées à l'aide de données expérimentales extraites de la littérature. Phase d’implémentation du modèle : Le modèle de comportement d'interface développé a été implémenté dans un code d'éléments finis (FE) d’usage général (ABAQUS) sous forme d'un élément d'interface solide à couche mince. Le schéma d'intégration numérique utilisé dans la phase d’implémentation a été examiné par la simulation de différents problèmes de valeurs limites, y compris l’essai de cisaillement à un seul élément, l’essai de cisaillement par blocs coulissants et l'essai d'arrachement pour différentes valeurs de pas de temps. Phase d'application du modèle : Dans cette phase, les réponses statiques et sismiques des barrages en enrochement avec masque en béton (CFRD) ont été examinées en considérant l'effet de l'interaction dalle du masque - couche d’amortissement à l'interface. Les effets des différents éléments, tels que l'approche de la modélisation de l'interface, le niveau d'eau dans réservoir et la rugosité de l'interface sur la réponse de la dalle en béton dans les CFRDs ont été évalués sous des conditions statiques et dynamiques. Mots-clés: Interface sol granulaire-structure, géo-structures, modèle de comportement, développement de modèles, implémentation de modèles, simulation numérique, chargement monotonique et cyclique, barrages en enrochement avec masque en béton. / The behavior of interfaces between granular soils and structural construction materials has an important impact on the monotonic and cyclic response of many soil-structure interaction (SSI) systems such as retaining structures, buried pipelines, shallow and deep foundations, and some embankment dams. The interface as a transition medium may experience different complex behavior under different loading conditions, including stress and strain localization, sliding and separation, stress hardening/softening, stress dilatancy, accumulative contraction, stress degradation and particle breakage. Understanding the mechanics and modeling of these interface zones is an important step towards a safe and effective design and analysis of SSI problems. This doctoral thesis has three major phases: the development of new and efficient advanced interface constitutive models; the implementation of the developed interface constitutive model in a general-purpose finite element code; and consequently the application of the implemented interface constitutive model in the numerical response analysis of concrete-faced rockfill dam under earthquake ground motion. Model Development Phase: Practical and efficient advanced interface constitutive models were developed in the framework of two-surface plasticity and critical state soil mechanics (CSSM) and compatible with the concept of state parameters. The model development uses a unified formulation to simulate both monotonic and cyclic behavior of granular (sandy and gravelly) soil-structure interfaces over a wide range of soil densities and under different normal stresses and stress paths, using a single set of calibration parameters. The model considers particle breakage under shear cycles and is capable of simulating the complex interface behavior such as phase transformation, stress hardening and softening, stress degradation, cyclic accumulative contraction, cyclic contraction stabilization and stress path dependency under different loading conditions. The interface model requires eight calibration parameters to simulate gravelly soil-structure interface behavior, nine parameters to simulate the practical behavior of granular (sandy and gravel) soil-structure interfaces, and eleven calibration parameters for granular soil-structure interfaces considering particle breakage. All model parameters have physical meaning and can be readily determined using standard interface shear tests. The model capabilities were validated using experimental data collected from the literature. Model Implementation Phase: The developed interface constitutive model was implemented into a general-purpose finite element (FE) code (ABAQUS) in the form of a solid thin-layer interface element. The numerical integration scheme employed in the implementation phase was examined through simulation of different boundary value problems, including single element shear test, slide block shear test and shaft pullout test under different time step sizes. Model Application Phase: In this phase, the static and seismic responses of concrete-faced rockfill dams (CFRD) were examined considering the effect of the concrete face slab-cushion layer interaction at the interface. The effects of different elements, such as interface modeling approach, reservoir water level and interface roughness, on the response of the concrete face slab in CFRDs were evaluated under both static and dynamic conditions due to earthquake ground motion. Keywords: granular soil-structure interface, geo-structures, constitutive modeling, model development, model implementation, numerical simulation, monotonic and cyclic loading, concrete-faced rockfill dams

Ce travail s'inscrit dans un processus de réflexion qui vise à améliorer la compréhension de l'étalement urbain depuis la seconde guerre mondiale en périphérie bruxelloise, en particulier au travers de la cartographie et de l'analyse de l'utilisation du sol. Depuis cette date, l'urbanisation au sein des espaces ruraux à proximité des villes, processus qualifié de périurbanisation, s'est nettement renforcée. L'examen de la littérature dans ce domaine révèle que peu d'approches se basent sur l'emprise physique des modes d'utilisation du sol. C'est ce constat qui nous a amenée à envisager l'étude de la périurbanisation bruxelloise au travers des formes qu'elle a engendrées en se concentrant sur la notion d'utilisation du sol. Nous l'avons abordée au travers de trois aspects. Tout d'abord, nous avons exploré l'apport des nouvelles techniques d'interprétation numérique à l'élaboration de cartes d'utilisation du sol à moyenne échelle (1:100 000) à partir d'images satellitaires. L'analyse des différentes étapes du processus de classification a montré que, lors de l'utilisation de classifications supervisées, la localisation et l'échantillonnage aléatoire des sites d'entraînement ainsi que la combinaison des caractéristiques des paramètres de classification (informations spectrales, texturales et contextuelles) améliorent considérablement l'exactitude du résultat. On constate également, dans ce dernier cas, l'importance de travailler avec une forme de voisinage isotrope et de pouvoir en faire varier la taille en fonction des classes considérées. L'utilisation de classificateurs multiples a permis de tendre vers une plus grande généralisation et de supprimer une série d'artefacts. Enfin, les essais ont montré que la classification par segmentation se rapproche fortement de la généralisation de l'interprétation visuelle tout en diminuant sensiblement le nombre d'objets à classer. Dans un second temps, une analyse approfondie de la structure et de l’évolution de l’utilisation du sol à Bruxelles et dans sa périphérie au cours du dernier demi-siècle a été réalisée à partir d'une base de données diachronique à grande échelle (1:25 000). Elle confirme la vision d'une périphérie bruxelloise peu dense où le poids de la classe de tissu urbain résidentiel clairsemé discontinu s'intensifie au cours du temps. Les espaces privilégiés de l'urbanisation ont été identifiés de manière systématique à l'aide de canevas d'analyse radio-concentriques et directionnels. Le croisement entre les données d'utilisation du sol et d'autres indicateurs spatialisables comme les plans de secteur a montré les marges d'évolution potentielles, tant au moment de la mise en place de ces plans que plus récemment. D'autres combinaisons avec des statistiques socio-économiques ou démographiques ont fourni de nouveaux indicateurs permettant d'explorer les densités de l'occupation de l'espace périurbain et de s'interroger sur les discordances entre réalité physique et enregistrement statistique. Enfin, l'arrangement spatial des différentes classes d'utilisation du sol a été exploré. L'ensemble de ces analyses ont fait l'objet d'une synthèse thématique ainsi que régionale, au sein de compartiments paysagers. La dernière approche de la problématique de l'utilisation du sol en milieu urbain s'est faite au travers d'une démarche basée sur la modélisation spatiale. La calibration des relations de voisinage à l'aide des règles d'autocorrélation spatiale a démontré que les affinités entre classes décrivent bien la structuration de l'agglomération bruxelloise et traduit le renforcement des structures héritées. L'analyse des résidus de la modélisation a montré le rôle contraignant de l'introduction des plans de secteur pour la classe du tissu urbain résidentiel clairsemé discontinu, laissant beaucoup plus de place qu'attendu dans les parties sud de la zone d'étude. La modélisation dynamique a aussi clairement mis en évidence le changement de logique de localisation de l'industrie et des services, qui rompent avec leurs localisations traditionnelles au cours de la période étudiée. En conclusion, la thèse a permis de confirmer les atouts d'une approche sous l'angle de l'utilisation du sol pour appréhender le phénomène de périurbanisation. Elle montre aussi le rôle unificateur de cette approche, qui peut s'insérer aisément dans les études thématiques ou susciter des questionnements nouveaux du fait des avancées apportées par le caractère quantitatif des exploitations régionales. Enfin, des outils communs et des enrichissements mutuels, acquis ou potentiels, sont identifiés entre les différents champs de la discipline (télédétection, géographie urbaine, modélisation spatiale) mobilisés pour cette exploration de la production, de l'analyse et de la modélisation des données d'utilisation du sol.

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Electro-optic (EO) polymers are an attractive alternative to inorganic nonlinear materials. EO polymers with a Pockel's coefficient, r33, greater than 320 pm/V have been recently demonstrated. In addition to their high EO activity, EO polymers have the additional benefit that their dielectric constants at optical and millimeter wave frequencies are closely matched which allow for bandwidths which are limited only by the resistive losses of traveling wave electrodes. The amorphous nature of the host polymer makes heterogeneous integration of the materials on any substrate possible. The devices which will have the most immediate impact based on these recent materials developments are EO waveguide modulators. Performance benchmarks of less than 6 dB insertion loss, sub-volt Vpi and greater than 100 GHz bandwidth have been achieved separately however, the challenge of achieving all of these benchmarks in a single device has not yet been met.The aim of this dissertation is to optimize passive materials to achieve efficient in device poling of EO polymers, optimize the chromophore loading of the active polymers and to optimize waveguide modulators for device performance within a particular system, analog RF photonic links. These optimizations were done by defining figures of merit for the materials and modulators. This research strategy has led to significant improvements in poling efficiency as well as modulators with record low insertion losses which maintain a low half-wave voltage; on the order of 1 - 2 Volts. Using this optimization strategy and state of the art EO polymers, devices which meet or surpass the benchmark performance values in all categories are expected in the near future.

This research focuses on the development of a biomimetic photosynthetic energy transduction system which can convert the light energy into a transmembrane potential gradient. This potential gradient provides energy for transmembrane proton pumping, which can be detected potentiometrically and/or spectroscopically through the changes in the optical and electrochemical properties of conductive polymers that supports a lipid bilayer. To achieve this goal, there were two major objectives: 1) Development of a pH sensitive, conducting polymer-based thin film platform as a suitable interface to couple a planar lipid membrane to an ITO electrode and as a pH transducer to detect transmembrane proton motive force (pmf). 2) Construction of an ionophore-aided, transmembrane proton transport model system in a planar supported lipid membrane.Toward the first objective, two different approaches have been used: a) to create a conducting polymer thin film, composed of alternating layers of poly(aniline) PANI and poly(acrylic acid) PAA on an ITO-coated, planar glass substrate. The electroactivity in a neutral environment and the pH dependence of the self-assembled (SA) PANI/PAA multilayer thin films were demonstrated both electrochemically and spectroscopically. Additionally, (PANI/PAA)2 films were shown to be compatible with PSLB. The polymer cushion supported lipid bilayer was found to be highly impermeable to protons, as demonstrated by the blockage of the pH response of the PANI film underneath the lipid membrane. b) to create a PANI nanowire/sol-gel hybrid thin film on an ITO-coated, planar glass substrate. Electrochemical growth of PANI nanowires through a porous sol-gel matrix was demonstrated. The PANI nanowire/sol-gel hybrid thin film with a sol-gel capping layer was found to respond to pH both potentiometrically and spectroscopically and a uniform lipid membrane was formed on the capping layer.To achieve the second objective, a ΔpH-driven transmembrane proton transport model system supported by a PANI nanowire doped sol-gel/ITO substrate with a sol-gel capping layer was developed. Ionophore valinomycin and CCCP were incorporated into the planar supported lipid bilayer (PSLB). Driven by a transmembrane pH gradient, an enhanced rate of proton transport with a proton permeability ca. 3 orders of magnitude higher than that of the lipid membrane without ionophores was demonstrated.

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