L'objectif de ces travaux de thèse est d'étudier l'effet de l'hétérogénéité du milieu poreux et de la stratification sur l'écoulement et le transfert colloïdal par des expériences de traçage non réactif et d'injection d'une suspension colloïdale en colonnes de laboratoire. Cette étude a été appliquée à des milieux à double porosité naturelle (milieu granulaire) et artificielle (sable avec macropore artificiel) en conditions saturées et non saturées. L'effet de la stratification de deux milieux a été étudié par amendement avec un géotextile. La modélisation numérique a été utilisée pour proposer et valider un modèle conceptuel d'écoulement et de transfert dans un milieu sableux rendu hétérogène par introduction d'un macropore artificiel ainsi qu'un modèle d'influence de la stratification. Les résultats expérimentaux et la modélisation ont permi de mettre en évidence l'effet de la stratification comme réducteur du rôle joué par la macroporosité. Alors qu'en conditions non saturées, la stratification n'induit aucune modification de l'écoulement, en saturé, elle réduit les écoulements et les transferts préférentiels au sein de la macroporosité en favorisant la redistribution de l'eau et des solutés de la macroporosité vers la microporosité au droit de la strate. Une des applications pratiques de ce travail concerne la réduction du transfert colloïdal, potentiellement vecteur de pollution, par l'introduction de géotextiles dans le sol des bassins d'infiltration.

Les vitrages feuilletés, mis en oeuvre dans le secteur du bâtiment (protection pour les bâtiments commerciaux, garde-corps, vitrines...) sont utilisés essentiellement pour la protection contre le heurt accidentel, contre le risque de blessures et contre le vandalisme et l'effraction. Leur résistance aux chocs et à la perforation, leur rigidité résiduelle après casse de la totalité des couches de verre, la réduction de la projection de fragments et du risque de lacération sont évaluées à l'aide de tests normatifs. Ce travail est une contribution à l'étude expérimentale du comportement à l'impact jusqu'à perforation des vitrages feuilletés. A partir d'une analyse expérimentale de l'impact de corps durs, la chronologie et la phénoménologie du processus d'endommagement des vitrages feuilletés ont été identifiées et ont permis de définir le bilan énergétique de la sollicitation. Les phénomènes mécaniques responsables de la dissipation de l'énergie incidente (fissuration, projection de fragments, déformation du film intercalaire et délaminage à l'interface verre/polymère) ont alors été décrits et quantifiés. Cette étude a montré, pour les catégories d'impacts considérés, la prédominance de la déformation du film intercalaire dans la dissipation d'énergie et la nécessité de considérer conjointement ce mécanisme avec les conditions d'adhésion. Enfin, à l'aide d'un dispositif original d'essais d'impact interrompus qui discrétise l'évolution de l'endommagement, la capacité du vitrage à dégrader l'énergie d'impact a été évaluée au cours du temps. Le principe de ce dispositif est de faire varier, pour une même énergie incidente, la distance de perforation du projectile. Ce dernier est de plus instrumenté afin de suivre l'évolution de son déplacement au cours de l'impact. Ainsi, l'évolution de l'endommagement peut être décrite et confrontée à la dissipation d'énergie afin de caractériser la résistance à la perforation des vitrages feuilletés.

L'étude du comportement des voies ferrées ballastées sous les passages de trains à grandes vitesses est une des recherches les plus importantes dans le domaine des transports. À cause du passage répété de trains à grandes vitesses, des tassements verticaux différentiels sont observés tout au long de la voie ferrée. Ces tassements dépendent de la qualité de la plate-forme, de la vitesse de roulement ainsi que du comportement dynamique de la voie. Ils peuvent menacer le confort et la sécurité des passagers et nécessiter des coûts élevés de maintenance pour rendre la voie à sa géométrie initiale. Pour progresser dans la compréhension du phénomène de tassement, un essai à échelle réduite constitué de trois traverses est proposé. Les traverses sont mises en charge à l'aide de trois vérins hydrauliques fournissant des signaux ayant la forme de la lettre M qui simulent les passages de bogies. Cet essai permet de mesurer plusieurs paramètres tels que les déplacements, les accélérations et les contraintes dans l'éprouvette. Il est modélisé par la méthode des éléments finis avec des comportements élastiques linéaires et avec deux zones différentes de ballast (compactée et non compactée). Les résultats numériques déterminés grâce à un modèle tridimensionnel sont comparés à ceux de la mesure. Le but essentiel de cet essai est d'établir une loi de tassement vertical pour un grand nombre de cycles dépendant d'un paramètre dynamique qui peut être déterminé par le modèle numérique tridimensionnel.

Le solution du stockage des déchets nucléaires en formations géologique profondes est de plus en plus envisagée. Au cours des travaux d'excavation la barrière naturelle est soumise à des sollicitations de déconfinement qui peuvent induire un endommagement important, et mener localement le matériau à la rupture. Les conditions d'écoulement des fluides et la perméabilité du massif peuvent se trouver fortement modifiées du fait de cet endommagement, mettant ainsi en jeu la sûreté du site. Notre travail de recherche a consisté en la caractérisation expérimentale du comportement hydromécanique de deux roches argileuses : l'argile de Boom (site de Mol, Belgique) et l'argile à Opalinus (site du Mont Terri, Suisse). Des essais triaxiaux axisymétriques en condition saturée ont été réalisés afin d'étudier l'évolution de la perméabilité de ces deux roches en fonction de la contrainte isotrope et du déviateur des contraintes. Les roches argileuses sont des géomatériaux aux comportements complexes liés à de nombreux processus couplés. L'existence d'interactions physico-chimiques fortes entre le fluide et les particules solides et la très faible perméabilité de ces matériaux ont nécessité l'adaptation du dispositif expérimental. Enfin des procédures spéciales de mesures de la perméabilité et de détection de la localisation de la déformation en bandes de cisaillement ont été développées. Nous montrons que la rupture par localisation de la déformation ne modifie pas significativement la perméabilité de l'argile de Boom. En revanche, pour l'argile à Opalinus une forte augmentation de la perméabilité est mise en évidence dans le cas d'une importante fracturation sous faible confinement.

Le vieillissement de la population des pays industrialisés s'accentuant, des pathologies liées à l'âge telles que l'ostéoporose, posent des problèmes majeurs de santé publique. Les praticiens et les autorités de santé publique sont à la recherche d'outils de diagnostic et de dépistage du risque fracturaire. La mesure de la densité minérale osseuse (DMO) par DXA fait actuellement référence dans l'évaluation du risque fracturaire de l'extrémité supérieure du fémur, mais cette technique a toutefois des limites: il existe un chevauchement des valeurs de DMO entre les sujets fracturés et les sujets non fracturés. Par ailleurs, plusieurs études cliniques ont montré que des paramètres macro-architecturaux étaient des facteurs déterminants de la solidité osseuse, mais ces mesures étant bidimensionnelles, elles sont dépendantes des biais de projection 2D. L'objectif de notre étude est de mettre au point un outil permettant d'associer mesures DMO et géométrie 3D afin de prédire d'une meilleure manière le risque fracturaire. Pour ce faire, nous nous sommes basés sur un système de stéréoradiographie basse dose (le système EOS

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.

Le boulonnage et le câblage à ancrage réparti sont deux techniques de renforcement du terrain couramment utilisées dans l'industrie minière et dans le génie civil. Au fil de cette recherche, on s'intéresse à la réponse de ces éléments sous des sollicitations axiales de traction, en régime statique. Dans ces conditions, l'expérience montre que la rupture se produit le plus fréquemment à l'interface barre-scellement via un processus de décohésion qui commence dès que la force sur la barre atteint une valeur limite. L'objectif est de mieux comprendre le comportement de cette interface, avant et après rupture. Premièrement, on revoit l'état de l'art afin de comprendre le travail effectué et les aspects non maîtrisés à ce jour. Deuxièmement, on décrit des outils analytiques qui permettent de comprendre la réponse d'un boulon ou d'un câble à ancrage réparti soumis à une force de traction. Ensuite, on présente les études expérimentales menées en laboratoire et in situ. Des essais d'arrachement ont été effectués pour déterminer les principaux facteurs qui régissent la réponse de l'interface. Finalement, on analyse les résultats des essais effectués en laboratoire sur les boulons. Après l'obtention des variables nécessaires, on propose un modèle semi-empirique d'interface, qui devra être validé par des essais complémentaires. Cette perspective et d'autres améliorations sont également présentées.

Cette recherche porte sur les fils multi-filamentaires de verre utilisés pour renforcer les matériaux à base de ciment. Elle est focalisée sur les interactions mécaniques de ce type de fils, constitués d'un assemblage de milliers de filaments micrométriques, avec un micro- béton et sur le rôle spécifique de l'imprégnation du fil par cette matrice cimentaire. Trois pré- conditionnements des fils ont été employés lors de la fabrication des éprouvettes afin de moduler les conditions d'imprégnation par la matrice cimentaire. L'imprégnation de 5 fils multi-filamentaires par la matrice cimentaire a été caractérisée et les paramètres d'imprégnation ont été définis en s'appuyant sur des observations MEB, ainsi que des essais de porosimétrie au mercure et des essais spécifiques d'écoulement le long du fil enrobé. Des essais classiques d'arrachement de type pull-out ont été utilisés pour la caractérisation mécanique. L'analyse des liens entre les propriétés mécaniques et les paramètres d'imprégnation ont permis de mieux comprendre les micro-mécanismes d'interaction filaments / matrice cimentaire et d'expliquer le comportement macroscopique à l'arrachement.

Des écoulements matriciels et des flux préférentiels peuvent se produire concurremment dans le même sol. Ces deux régimes d'écoulements se manifestent par des empreintes de flux caractéristiques qu'on peut visualiser par des essais de traçage. Afin d'extraire l'information quantitative des essais de traçage un grand nombre de méthodes existe. On peut, entre autre, décrire les empreintes de traceur par ce qu'on appelle la fonction de couverture, c'est à dire le pourcentage de région teintée par un traceur coloré en fonction de la profondeur du sol. En utilisant la statistique des valeurs extrêmes cette fonction peut être réinterprétée comme une fonction exprimant la probabilité de trouver le traceur à une profondeur donnée. Ainsi, la fonction de probabilité à deux paramètres 1 - H, H étant la distribution de Pareto généralisée, peut être ajustée. Le paramètre de forme de cette fonction est utilisé comme indice de risque de propagation verticale des solutés. Nous avons effectué des essais de traçage au Bleu Brillant FCF sur trois sites différents : dans une forêt d'épicéa dans le sud-est de l'Allemagne, dans une forêt tropicale humide montagnarde en Équateur et sur un champ agricole au sud de la France. Nous avons examiné la capacité de l'indice de risque à rassembler l'information principale des essais de traçage et à caractériser les empreintes de flux dans des sols différents, sous conditions aux limites diverses. Nos résultats indiquent que l'indice de risque est, dans une certaine mesure insensible aux changements des conditions aux limites (comme l'intensité d'irrigation). Par contre, l'humidité initiale du sol semble influencer cet indice de façon importante. L'ajustement des paramètres de la fonction Pareto généralisée s'avère difficile si la fonction de couverture fluctue ou ne décroît pas de manière monotone. Ceci peut être dû à la tortuosité des chemins d'écoulement, à la variation des mécanismes de flux ou aux changements de propriétés physiques du sol (stratification). Ainsi, dans des sols stratifiés nous avons restreint l'analyse à la partie inférieure du profil de sol. En effet, étant donné que la théorie de l'indice de risque est basée sur les valeurs extrêmes de propagation verticale de solutés c'est la partie inférieure qui est la plus intéressante. Nous proposons de combiner les deux paramètres de la fonction Pareto généralisée et d'utiliser la distribution 1 - H complète afin d'estimer le risque de propagation verticale des solutés dans le sol. Bien que l'indice de risque montre une certaine invariance vis-à-vis du changement des conditions aux limites il n'est pas un paramètre intrinsèque de sol. Comme le régime d'écoulement dans un même sol peut être dominé soit par le flux matriciel soit par le flux préférentiel le risque de propagation verticale des solutés change. Ceci est une réalité physique et non un défaut dans la théorie de l'indice de risque. Les paramètres de la fonction de Pareto généralisée capturent le régime d'écoulement dominant représenté par les empreintes du traceur. En prenant en compte les conditions aux limites de l'essai de traçage comme l'intensité d'irrigation, le traceur utilisé, l'humidité initiale du sol ou la nature de la végétation (pérenne ou saisonnière, type d'enracinement) il est ainsi possible de comparer des sites différents ou des résultats obtenus sur le même site sous conditions aux limites différentes et d'estimer le risque de propagation verticale de solutés. L'analyse d'image d'empreintes de flux basée sur le risque de propagation verticale de solutés a révélé l'existence d'écoulements préférentiels sur le site allemand. Afin de comprendre les mécanismes de flux ainsi que les impacts éventuels des flux préférentiels sur la chimie du sol nous avons analysé la texture du sol, la densité racinaire, la densité du sol, la concentration des cations échangeables, le pH, et les teneurs en C et N total dans les chemins préférentiels et la matrice du sol. Les résultats de la modélisation indiquent que sur ce site les racines constituent les chemins préférentiels et créent les écoulements le long des macropores, surtout dans la partie supérieure du sol. Dans la partie inférieure la densité racinaire diminue et l'infiltration hétérogène à partir des chemins préférentiels dans la matrice provoque un écoulement non-uniforme. Nous n'avons constaté aucune différence significative de texture, mais des différences de densité du sol dans les chemins préférentiels par rapport à celle de la matrice. Ceci est probablement dû à la quantité de matière organique plus élevée dans les chemins préférentiels. Nous avons également trouvé des pH plus acides, plus de Ca, plus de Mg, et plus de C et de N dans les chemins préférentiels. Comparé à la matrice, des quantités plus importantes d'Al et de Fe (mais de petites quantités absolues) ont été trouvés dans la partie inférieure du sol où l'écoulement préférentiel le long des macropores créés par les racines diminue et le flux matriciel hétérogène domine. Ces propriétés chimiques distinctes peuvent s'expliquer par l'activité racinaire et la translocation de solutés et du carbone organique dissous (COD) le long des chemins préférentiels. Le temps de contact entre le COD et le sol étant réduit il est transporté plus bas dans le profil où il peut potentiellement créer des complexes organo-minéraux. Ainsi, l'écoulement préférentiel est un mécanisme qui peut promouvoir la séquestration de C en sous-sol et n'influence pas uniquement son environnent immédiat, mais aussi les horizons sous-jacents. Un des acquis majeurs de cette thèse est le nombre important d'images d'empreintes de flux issues des sols différents. Dans les études qui suivront les méthodes récentes de réduction de dimensionnalité peuvent être employées afin de trouver d'éventuelles structures de basse dimensionnalité dans ces images

Le phénomène de radoucissement d'une roche est étudié à partir de l'observation des modes de localisation des déformations. A partir d'essais de compression triaxiale sur un grès de Fontainebleau, on caractérise à la fois de comportement pré-localisation et la formation des bandes de cisaillement. Les conditions d'essais sont optimisées par un choix adapté de la géométrie de l'échantillon (élancement, taille, forme) et des conditions à l'interface roche-plateau. On montre que le frettage à l'interface modifie l'allure des courbes contraintes-déformations et affecte le mode de rupture. Les caractéristiques de bandes de cisaillement (orientation et épaisseur) sont également modifiées par le frettage. Une technique anti-frettage par lubrification de l'interface est utilisée et validée. L'effet de la présence d'un fluide interstitiel est étudié. On montre que la loi de contrainte effective de Terzaghi est vérifiée dans le cas des essais réalisés en conditions drainées. Les phases de fissuration des échantillons correspondant au seuil de microfissuration, au seuil de dilatance et au seuil de localisation sont identifiées. Le problème du contrôle expérimental de la phase post-pic est également discuté. Les observations de bandes de cisaillement montrent que l'épaisseur et l'angle d'orientation de la bande par rapport à la contrainte principale mineure ont tendance à diminuer quand on augmente la pression de confinement. La microstructure des bandes est étudiée à partir de microphotographies obtenues au microscope électronique à balayage (MEB) et à la loupe binoculaire. L'évolution de la porosité et de la granulométrie dans la zone de localisation est quantifiée. Sous faible pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à l'intérieur et à proximité de la bande caractérisé par une augmentation de la porosité. A forte pression de confinement, on observe un phénomène de dilatance à proximité de la bande et de contractance au co eur de la bande caractérisé par une intense fragmentation des grains et une réduction importante de la porosité. Un modèle de comportement élastoplastique du second-gradient avec écrouissage et radoucissement pour le grès de Fontainebleau est développé. La phase d'écrouissage est étalonnée sur la phase pré-localisation des essais triaxiaux. Le comportement radoucissant est évalué de façon indirecte à partir d'une analyse de l'épaisseur des bandes de cisaillement. (Résumé de l'auteur)