Ce travail de thèse s’est attaché à investiguer, d’une part, le mécanisme d’érosion interne par suffusion dans les ouvrages hydrauliques en terre, et d’autre part, les conséquences qu’il pourrait avoir sur le comportement mécanique du sol, l’objectif principal étant d’améliorer notre compréhension de ce processus et du comportement des sols érodés. La démarche adoptée est principalement expérimentale, réalisée à différentes échelles : du macroscopique, à l’échelle du matériau, au microscopique, à l’échelle des grains constitutifs. A l’échelle macroscopique, des essais de suffusion ont été réalisés sur des échantillons de sol à l’aide d’un nouveau dispositif d’essai d’érosion, appelé perméamètre de suffusion, développé dans le cadre de cette thèse. Après érosion dans le perméamètre, les échantillons érodés sont transférés par une procédure de congélation / décongélation dans un dispositif d’essai triaxial afin d’étudier leur comportement sous chargement mécanique. Les résultats obtenus à cette échelle ont permis de donner un aperçu général du mécanisme de suffusion et de mettre en évidence son impact sur les propriétés de résistance au cisaillement du sol. A l’échelle microscopique, une analyse fine a pu être menée en réalisant un essai de suffusion des mesures in-operando de tomographie à rayons X et de la visualisation locale par techniques optiques sur un sol artificiel. La caractérisation du sol à cette échelle microstructurale a permis de mieux comprendre le processus de suffusion, notamment en mettant en évidence l’apparition et le développement de fortes hétérogénéités qui semblent avoir une influence importante sur la réponse mécanique des sols érodés / This thesis work has investigated, on the one hand, the mechanism of internal erosion by suffusion in earthen hydraulic structures, and, on the other hand, the consequences suffusion can cause on the mechanical behavior of soils, the main objective being to improve our understanding of both the suffusion process and the behavior of eroded soils. The approach adopted was mainly experimental, by a multi-scale scope: from macroscopic, at the material scale, to microscopic, at the grain scale. At the macroscopic scale, suffusion experiments were performed on gap-graded cohesionless soil samples using a newly developed testing device, called the suffusion permeameter. Then, the eroded samples are transferred by a freeze/thaw procedure to a triaxial device to study their behavior under mechanical loading. The achieved results provide a general overview of the suffusion mechanism at the sample scale and highlight its impact on soil shear resistance properties. At the microscopic scale, the suffusion mechanism has been studied by performing a suffusion test with in-operando x-ray tomography and using local visualization based on optical techniques in an artificial soil. Subsequent grain-scale analysis has provided a deeper understanding of suffusion process through the characterization of the eroded soil microstructure, particularly highlighting the occurrence and development of strong heterogeneities, which appear to play a key role in the macroscopic mechanical behavior of eroded soils

Le travail présenté dans ce mémoire a pour objectif d'aboutir à une meilleure caractérisation expérimentale du comportement non drainé du sable d'Hostun à l'échelle locale, en relation avec les différentes méthodes de reconstitution utilisées. On vise en particulier à mettre en évidence la façon dont la microstructure influence les propriétés des sols granulaires, notamment vis-à-vis de l'instabilité de liquéfaction. Le point clé de ce travail consiste en l'utilisation de capteurs piézoélectriques pour mesurer les vitesses d'onde de cisaillement au sein d'éprouvettes triaxiales reconstituées par trois techniques différentes à savoir le damage humide, la pluviation à sec et la pluviation sous eau. Les résultats obtenus mettent en évidence l'influence considérable du mode de fabrication sur le comportement mécanique du sable. Ils montrent que pour une même densité initiale, et à même pression de confinement, le comportement mécanique observé est très différent selon les trois modes de préparation. Les valeurs de vitesses d'onde de cisaillement enregistrées sont différentes d'un mode de déposition à un autre. Concernant l'anisotropie, le matériau préparé par damage humide présente un certain degré d'anisotropie inhérente, qui est toutefois minimal. En revanche, la pluviation à sec et la pluviation sous eau induisent des structures initiales plus isotropes. / This work aims to achieve a better experimental characterization of the undrained behavior of the Hostun HN31 sand at the local scale, depending on the different procedures used for sample reconstitution. We particularly highlight the influence of the microstructure on the mechanical behavior of sand especially in relation to liquefaction instability. The key point of this work consists of the use of piezoelectric transducers to measure shear wave velocities within triaxial sand specimens. These specimens have been prepared by different methods, namely: moist tamping, dry pluviation and water pluviation. The obtained results highlight the considerable influence of the deposition mode on the mechanical behavior of sand. They show that for the same initial density, and at the same confining pressure, the mechanical behavior is very different from the three preparation methods. Furthermore, the values of shear wave velocity are different from one deposition mode to another. Concerning the anisotropy, the material prepared by moist tamping presents an inherent degree of anisotropy, which it is however minimal. On the other hand, dry pluviation and water pluviation induce more isotropic initial structures. Moreover, the initial anisotropy is less important than the anisotropy induced by loading. These experimental results indicate that the initial state of a granular medium can not be described by only couple of scalar variables of initial density and confining pressure: a variable that can reflect the initial microstructure and an evolution law of this variable are necessary to model the experimental observations.

Les développements récents du génie civil créent de multiples problèmes d'interaction entre structures et sols. La compréhension du comportement des sols et des ouvrages et de leurs interactions joue donc un rôle croissant et important dans les études géotechniques. Cela suppose une estimation fiable et pertinente des caractéristiques de déformation et de résistance des sols. La détermination des paramètres mécaniques, notamment modules de déformation des sols et la connaissance de leur évolution des petites aux grandes déformations, et de leur variation suivant les chemins de contraintes deviennent donc des enjeux importants. Pour l'obtention de valeurs appropriées des paramètres caractérisant la rupture et la déformabilité, deux voies actuellement sont offertes :<br>- le prélèvement d'éprouvettes « intactes » et l'exécution d'essais sophistiqués en laboratoire,<br>- les essais sur le sol en place, plus ou moins rustiques. Ce mémoire de thèse expose une étude du comportement d'un sol argileux naturel prélevé sur le site expérimental de Cubzac-les-Ponts en combinant différents types de chargement aptes à explorer le domaine des petites déformations au moyen d'essais au laboratoire et in situ. L'idée est de réaliser des essais en laboratoire à l'aide d'appareils tels que l'oedomètre, l'appareil triaxial de précision avec système de mesure locale, les capteurs piézo-électriques et la colonne résonnante et les essais en place en utilisant des matériels innovants comme le pressiomètre autoforeur (P.A.F 2000), le triaxial in situ (T.I.S) et le système de tubage autoforé (S.T.A.F). Le programme d'essais en laboratoire a permis de déterminer la forme de la surface de charge et le comportement des sols lorsque le chemin de contraintes atteint cette surface, à analyser l'évolution des surfaces de charge en fonction de l'histoire de chargement du matériau et de la procédure d'essai ainsi la variation des modules de déformation en fonction du niveau des déformations, de la profondeur et du chemin de contraintes. Lors des essais réalisés en place, le pressiomètre autoforeur de nouvelle génération (P.A.F 2000), équipé de palpeurs et de géophones, a permis de déterminer un profil continu de modules de déformation des très petites déformations aux grandes déformations. Le triaxial in situ (T.I.S) a essayé de récréer in situ les conditions aux limites maîtrisées d'un essai triaxial de laboratoire et de réaliser des essais triaxiaux. Ce mémoire présente également une synthèse des données collectées avec différents types d'essais de laboratoire et en place des méthodes d'essais adaptés pour tester les différentes échelles de déformations ainsi que l'évolution des modules de déformation.

La localisation des déformations sous forme de bandes de cisaillement dans des roches tendres et des sols indurés est étudiée par une approche expérimentale et théorique :<br /><br />L'étude expérimentale porte sur trois matériaux de caractéristiques différentes : un grès des Vosges, une siltite du Gard et une marne tendre de Beaucaire. On décrit d'abord la mise en opération d'une cellule triaxiale à haute pression et le développement d'une instrumentation de mesure des déformations. On présente ensuite une campagne d'essai sur un grès des Vosges jusqu'à des confinements de 60 MPa. L'étude concerne le comportement homogène de la roche sur des chemins de compression, extension et isotropes, la détection de la localisation, la caractérisation des structures localisées par une observation macroscopique, des mesures tomodensitométriques et une analyse microstructurale quantitative. Sur une siltite du Gard, plus raide que le grès, une étude de l'évolution de la fracturation de l'initiation jusqu'à la ruine de l'éprouvette est menée en utilisant la stéréophotogrammétrie de faux relief. Pour la marne de Beaucaire, le comportement normalement consolidé est exploré en réalisant des mesures de perméabilité au cours de la déformation, en régime isotrope ou déviatoire.<br /><br />L'étude théorique présente la nouvelle loi CloE Roche développée spécifiquement pour les roches tendres à partir du modèle de lois incrémentales non-linéaires hypoplastiques CloE. Elle prend en compte une dépendance du comportement en volume vis-à-vis de la contrainte moyenne. L'identification de la loi est réalisée sur le grès des Vosges. Une analyse paramétrique d'un critère explicite de bifurcation en mode localisé prévoyant le moment d'apparition et l'inclinaison des bandes de cisaillement est réalisée pour obtenir un calage des résultats théoriques de bifurcation sur les expériences. Cette démarche illustre l'esprit de la loi, qui considère les observations de localisation comme un élément de calage de ses paramètres.

Modélisation du comportement du béton sous des charges multiaxiales avec une loi incrémentale non linéaire. Simulation numérique d'essais uniaxiaux, biaxiaux et triaxiaux. Comparaison avec les résultats expérimentaux obtenus avec une presse biaxiale.

L'objet de cette recherche est de modéliser le comportement Thermo-Hydro-Mécanique des massifs rocheux fracturés en vue du stockage de déchets radioactifs. A cette fin, nous avons été amené à proposer une méthodologie de modélisation des massifs rocheux fracturés qui a été appliquée à un site souterrain réel (Site EDF de Nouvelle Romanche). Cette méthodologie consiste, dans un premier temps, à rechercher les VER hydraulique et mécanique. Au dessus du plus grand de ces VER, les développements effectués dans un programme d'éléments finis permettent de modéliser toutes les fractures de manière explicite. On détermine les propriétés mécaniques homogénéisées en condition drainée et non drainée en simulant des essais triaxiaux représentatifs du massif soumis à un chargement. Ces simulations permettent d'analyser l'évolution des propriétés hydrauliques homogénéisées avec l'état de contraintes. La réalisation des expériences de type drainé et non drainé permet de discuter de la pertinence de l'assimilation d'un milieu fracturé à un milieu poreux. Ces simulations ont mis en évidence, en particulier, le rôle du comportement en cisaillement des fractures sur les propriétés homogénéisées mécaniques et hydrauliques. Du point de vue de la thermique, tant que le mode principal de propagation de la chaleur est la conduction, les propriétés thermiques homogénéisées sont peu différentes des propriétés thermiques de la matrice rocheuse.

Après avoir identifié expérimentalement les principaux traits de comportement du sable en petites et grandes déformations pour différents types de chargement, un diagramme de comportement des sables est proposé. Valable pour tout état initial de déposition, ce diagramme permet de bien définir les différentes zones de comportement, notamment de mieux évaluer le potentiel d'effondrement observé dans les sables lâches. En petites déformations, une forme d'anisotropie élastique de type isotropie transverse est mise en évidence grâce à un simple essai triaxial. Deux paramètres type paramètre d'état, nommés couple d'état, sont définis pour quantifier le comportement d'un matériau granulaire dans une condition initiale donnée, notamment sous consolidation isotrope ou anisotrope. Deux essais avec des échantillons ayant le même couple d'état présenteront un comportement similaire. Ces différents traits de comportement ont été formalisés par un modèle d'état critique. Il a été développé pour simuler le comportement des sols granulaires sous chargements monotones et cycliques. Une des priorités du modèle est de pouvoir simuler le comportement d'un sable lâche, moyennement dense et dense avec le même jeu et les mêmes valeurs de paramètres, en ne faisant varier que les conditions initiales qui contrôlent ces types de comportement, comme observé expérimentalement. L'originalité de ce modèle réside dans l'introduction du couple d'état et la considération d'un double mécanisme de plasticité dans un cadre d'élastoplasticité généralisée. Ce cadre a l'avantage de permettre une description simple des phénomènes observés expérimentalement sans suivre nécessairement le cadre rigide de la plasticité classique. Des simulations d'essais réalisés sur le sable d'Hostun rf ont permis de montrer que cette formulation reproduit bien le phénomène d'effondrement aussi bien en monotone qu'en cyclique. Toujours avec le même jeu de paramètres et en ne variant que la densité, des simulations concernant le même sable ont montré que le modèle reproduit d'une manière assez fidèle l'influence de la densité sur le comportement. D'autres simulations d'essais réalisés sur d'autres sables ont permis de valider le modèle pour des essais de mobilité cyclique et des essais drainés monotones et cycliques.

Dans un puits pétrolier, une gaine de ciment est coulée entre la roche réservoir et le cuvelage d'acier. Cette gaine de ciment a un rôle primordial dans la stabilité et l'étanchéité des puits pétroliers. Durant les différentes étapes de la vie d'un puits, depuis le forage jusqu'à l'exploitation et finalement l'abandon du puits, le ciment est soumis à différentes sollicitations mécaniques et thermiques. Ces sollicitations peuvent endommager le ciment et dégrader ses propriétés mécaniques et sa perméabilité et par conséquent modifier sa contribution dans la stabilité et l'étanchéité du puits. La connaissance du comportement de ce ciment dans des conditions de fond de puits (hautes températures, fortes pressions) et de son évolution au cours du temps est essentielle pour l'analyse de fonctionnement du puits pendant l'exploitation et aussi pour garantir son étanchéité pour le stockage et la séquestration des gaz à effet de serre dans des réservoirs pétroliers abandonnés. C'est dans ce but qu'est développée cette étude sur la caractérisation du comportement thermo-poro-mécanique des ciments pétroliers sous fortes contraintes pour des températures entre 20 et 90°C. Les paramètres poro-mécaniques du ciment et leurs variations avec l'état de contraintes et la température ont été évalués dans un programme d'essais de compression isotrope drainés, non drainés et sans membrane. Un phénomène de dégradation des propriétés élastiques a été observé dans les essais. Les observations microscopiques ont montré que cette dégradation est provoquée par la microfissuration du matériau y compris sous chargement isotrope. La bonne compatibilité et la cohérence des paramètres poro-mécaniques obtenus montrent que le comportement de ciment peut être décrit dans le cadre de la théorie des milieux poreux. Les essais poro-mécaniques ont été couplés avec une évaluation de la perméabilité du ciment sous chargement en régime transitoire. Des essais déviatoriques ont été également réalisés pour étudier l'endommagement du matériau sous chargement déviatorique. Lorsqu'un puits pétrolier est soumis à de rapides variations de températures, les déformations et la surpression interstitielle qui en résultent peuvent porter atteinte à l'intégrité du puits. Ce phénomène de pressurisation thermique induit lors d'un chauffage en conditions non-drainées est dû à la différence entre le coefficient d'expansion thermique du fluide interstitiel et celui de la matrice solide. Une étude préliminaire, théorique et expérimentale a été menée sur un grès. Les effets des déformations mécaniques et thermiques du système de drainage lors d'un essai de chauffage non-drainé ont été analysés et une méthode simple a été développée pour apporter une correction aux valeurs de pressions interstitielles mesurées. Le comportement thermique du ciment a été étudié expérimentalement dans les essais de chauffage drainés et non-drainés et le coefficient de pressurisation thermique ainsi que les coefficients d'expansion thermique drainé et non-drainé du ciment ont été évalués. Le coefficient de pressurisation thermique a été évalué à 0.6 MPa/°C, ce qui montre l'importance des changements de contraintes effectives que peut occasionner un brusque changement de température. L'anomalie du comportement thermique du fluide interstitiel du ciment a été attribuée à son confinement dans les pores de très petite taille et cette anomalie a été étudiée à partir des résultats expérimentaux. En complément de travail sur le comportement du ciment, une étude expérimentale a été menée sur la loi de contrainte effective qui contrôle la perméabilité d'un calcaire et un modèle conceptuel basé sur la micro-texture du matériau a été proposé.

Cette recherche vise à analyser et à identifier, par des essais, le comportement au fluage d'une argile de type kaolinite sous un état de contraintes triaxial. Une investigation fine de l’état microstructural, avant et après fluage, a par ailleurs été réalisée. Les résultats macroscopiques ont permis de constater que des phénomènes de dilatance et de contractante s’amplifient pendant le fluage. Les résultats montrent également que la position, sur le plan des contraintes (p'-q), du niveau de contrainte vis-à-vis des différents domaines volumétriques, contrôle le développement de la déformation au fluage et du taux de déformation. Les résultats de MEB ont montré que l'évolution microstructurale de l'argile, après le chargement mécanique, dépend fortement de l'histoire du chargement. / The objective of this research is to analyze the creep behavior of a typical clay along triaxial tests, moreover, to analyze the microstructural mechanisms of creep. Analysis on the macroscopic results ascertained that both dilatancy and contractancy phenomena could occur during creep. The magnitude of the dilatancy/contractancy during creep was guided by the test conditions: stress level and the over consolidation ratio, which specifically governed the direction of the volumetric strain variations. The results of SEM indicated that the microstructural evolution of the clay after the mechanical loading depend on the stress history. Afterwards, the structural evolution in creep phase depends on the structural pattern developed in monotonic loading

Le matériau terre peut apporter une réponse face aux problèmes que les constructions modernes rencontrent en termes d’enjeux sociétaux, économiques et écologiques. Cependant, les difficultés à comprendre et à prédire son comportement représente un obstacle au développement de cette technique dans les pays développés. Cette thèse s’insère dans un projet de recherche appelé « Primaterre » et financé par l’Agence Nationale de la Recherche française (ANR). Il vise à apporter les connaissances scientifiques nécessaires afin de pallier ce manque et aider à établir des règlementations adaptées. Ce travail s’intéresse plus particulièrement à l’impact de l’eau sur le comportement mécanique de la matrice fine du matériau, qui a un impact essentiel sur le comportement du matériau dans son ensemble. Cette matrice est constituée de sables, de limons, et d’argiles, et ce sur trois types de terres prélevées sur d’anciennes constructions en pisé. Afin de réaliser des échantillons les plus identiques et homogènes possible, un moule a tout d’abord été conçu, ce qui a permis de travailler avec des échantillons cylindriques de 3,5cm de diamètre et 7cm de hauteur. Une cellule triaxiale a été utilisée et, la seconde étape a été de concevoir les dispositifs permettant la mesure des déformations axiales et radiales, le conditionnement à température contrôlée et l’imposition d’un flux d’air humide variable de part et d’autre de l’échantillon. Différents types d’essais ont alors pu être réalisés : des essais triaxiaux à différent taux d’humidité relative ainsi que des essais de gonflement. Les paramètres mécaniques obtenus ont pu être analysés à la lumière des caractéristiques matériaux mesurées en parallèle. Enfin, l’analyse des essais de gonflement a été menée à bien à l’aide d’un modèle numérique, et ce afin de pouvoir évaluer des paramètres caractéristiques plus complexes. Ce travail de thèse se conclut par une étude supplémentaire, visant à évaluer l’impact du changement de taille d’échantillon sur les paramètres mécaniques mesurés précédemment. Ces essais ont été effectués sur des échantillons approximativement deux fois plus grands, et grâce à un dispositif expérimental plus simple, utilisant la mesure par corrélation d’images. / Earthen buildings can provide an answer to face difficulties in modern constructions in both terms of sociology, economics as well as ecology. However, the difficulty to understand and to predict their behavior prevent the spreading of this technique in developed countries. This PhD is part of a research program called “Primaterre” and founded by the French National Agency for Research. It aims at providing the necessary scientific knowledge to overcome this lack and at helping the creation of appropriate standards. This work is more precisely focusing on the impact of water on the mechanical behavior of the fine proportion of the material, including sand, silt and clay, and on three different earths coming from existing rammed earth constructions. In order to be able to produce samples as identical and homogeneous as possible, a mold has first been designed, which enable to manufacture cylindrical samples with diameter of 3.5cm and height of 7cm. A triaxial cell was used and, the second step was to design different devices allowing the measurement of axial and radial deformations, the conditioning at constant temperature, and the command of a variable moist air flux at both sides of the sample. Different types of tests have thus been realized : triaxial tests at different relative humidity, as well as swelling tests. The mechanical parameters thus obtained have been analyzed in comparison with material characteristics measured in parallel. Finally, results of swelling tests have been analysed using numerical modelling, in order to assess more complex material characteristics. This thesis work ends with an additional study, aiming at evaluating the impact of scale change on the mechanical parameters previously measured. Tests have been conducted on sample approximatively twice larger, and thanks to a simpler experimental device using measurement through image correlation.