Les mâchefers sont les résidus solides issus de la combustion des ordures ménagères dans des fours d’usine d’incinération. L’utilisation des mâchefers dans le domaine du Génie Civil est une voie de valorisation très intéressante car les quantités d’ordures ménagères sont de plus en plus importantes alors que les matériaux utilisés dans les travaux publics se raréfient. Les mâchefers ont été utilisés depuis des dizaines d’années dans le domaine du Génie Civil. Cependant, les caractéristiques mécaniques du matériau « mâchefer » ne sont pas très bien connues. Ce travail de thèse contribue à l’amélioration des connaissances des caractéristiques mécaniques des mâchefers.Après une caractérisation géotechniques (paramètres de nature, paramètres mécaniques, paramètres d’état), chimiques et environnementales, le potentiel d’utilisation de ces mâchefers est évalué selon la Circulaire du 9 mai 1994 et selon le Guide technique SETRA-LCPC 2000 « Réalisation des remblais et des couches de forme ».Dans la partie expérimentale, des essais oedométriques et triaxiaux sont effectués. En ce qui concerne des essais oedométriques, l’effet de l’énergie de compactage et de l’immersion des éprouvettes ainsi que l’effet de la vitesse de chargement de l’essai sont évalués. L’effet de la vitesse de chargement est également étudié par des séries d’essais triaxiaux. Grâce aux essais triaxiaux, les paramètres mécaniques comme le module d’Young, le coefficient de Poisson, l’angle caractéristique, l’angle de dilatance, la cohésion et l’angle de frottement ont été ainsi déterminés. Ces paramètres mécaniques propres au mâchefer étudié pourront être intégrés dans un schéma de dimensionnement spécifique aux structures de chaussées à base de mâchefers. Ces principaux paramètres permettent d’évaluer l’influence de la pression de confinement effective. Les évolutions du module de déformation selon la déformation axiale et de la variation du déviateur de pression selon la pression moyenne sont également étudiées. Un ensemble de points caractérisant l’état limite a été déterminé à partir des essais triaxiaux. Il caractérise la forme de la surface de charge de ce type de mâchefer.Enfin, les essais triaxiaux ont été simulés. Cette partie du travail contribue à la modélisation du comportement mécanique des mâchefers. Le modèle de Mohr-Coulomb et de Nova sont choisis pour caractériser l’évolution de matériau « mâchefer » sous l’effet d’actions mécaniques extérieures. Ce sont des exemples types de modèles de comportement des sols complètement identifiables uniquement sur des essais triaxiaux classiques. La simulation des essais triaxiaux est réalisée à l’aide du progiciel CESAR-LCPC. Les résultats de modélisations obtenues sont très prometteurs. / Bottom ash is the solid residua coming from domestic waste combustion in the furnace of incineration factory. The utilization of bottom ash in the field of Civil Engineering is necessary because the municipal wastes are increasing causes many environmental problems while the materials of Civil Engineering dwindle. The bottom ash was used for a decade in the field of civil engineering; however the mechanical characteristics of material “bottom ash” are not very well known. This work of thesis contributes to improving knowledge of the mechanical characteristics of bottom ash. After the determination of the geotechnical characteristics (parameters of nature, mechanical parameters, parameters of state), chemical and environmental characteristics, the potential of use of these bottom ash is evaluated according to the « Circulaire de 9 Mai, 1994 » and according to the technical guide SETRA-LCPC 2000 « Réalisation des remblais et des couches de forme ».In the experimental part, the oedometric and triaxial tests are carried out. For oedometric tests, the effect of compaction energy and immersion of specimens as well as the effect of the loading rate of the test were evaluated. The effect of loading rate is also evaluated by some sets of triaxial tests. From the triaxial tests, the mechanical parameters such as the Young’s modulus, the Poisson‘s ratio, the characteristic angle, the dilatancy angle, the cohesion and the friction angle were determined. These mechanical properties are specific to the material and can be integrated in a diagram of dimensioning specific to the structures of roadways based on bottom ash. The studied principal parameters allow us to evaluate the influence of the effective confining pressure. The evolution of the deformation modulus versus to the axial deformation and finally, the variation of the deviator stress versus to the mean effective pressure were also analyzed. A set of points of the yielding state was determined from triaxial tests and it specifies significantly the shape of yielding surface of our bottom ash.Finally, the triaxial tests were simulated numerically. This part is a contribution to the modelling of the mechanical behaviour of bottom ash. The model of Mohr-Coulomb and Nova were chosen to characterize the evolution of the material “bottom ash” under the influence of external mechanical actions. These are typical examples of model soil completely identifiable only through traditional triaxial tests. The simulation of triaxial tests is carried out using the CESAR-LCPC software. The results are found to be promising.

Cette thèse a pour cadre général l'étude du comportement des ouvrages de génie civil, sous le double aspect, de la loi de comportement non-linéaire des sols et des roches, et de la résolution des problèmes du creusement des tunnels par la méthode de calcul aux éléments finis. Deux catégories de lois de comportement non-linéaires ont été plus particulièrement considérées : modèles hyperboliques (modèle de Duncan et Chang, 1970 ; modèle modifié de Hardin et Drnevich, 1972) et modèles élastoplastiques avec écrouissage (modèle Cam-Clay modifié, 1968) ; dans le dernier, différentes variantes ont été proposées pour tenir compte de la non-linéarité de la partie élastique, trois variantes de type hyperélastique, considérés à partir d'une fonction énergie complémentaire et obéissent aux principes de la thermodynamique Ces modèles ont été appliqués à la simulation du creusement d'une galerie à section circulaire en milieu homogène. Les variantes élastiques non-linéaires du modèle Cam-Clay modifié donnent, dans le cas de contraintes initiales anisotropes, en piédroit des zones en compression et en clé des zones en extension à l'intérieur du massif. L'étude des chemins de contrainte à proximité de la galerie met en évidence l'influence de l'état des contraintes initiales sur les mécanismes différents de rupture induits par le déconfinement. Les modèles retenus ont également été appliqués à la construction du tube Sud du tunnel de Las Planas, creusé dans des marnes. Le comportement de la marne de Las Planas a été étudié à partir d'essais triaxiaux réalisés sous fortes contraintes (essais isotropes et de cisaillement). Les variantes élastiques non-linéaires de type hyperélastique du modèle Cam- Clay modifié et le modèle de Duncan et Chang (1970) conduisent aux résultats les plus satisfaisants pour la plupart des essais de cisaillement. En revanche, la variante élastique linéaire du modèle Cam-Clay modifié surestime systématiquement les déformations volumiques. La modélisation de creusement du tunnel Sud de Las Planas à l'aide des variantes hyperélastiques du modèle Cam-Clay modifié conduit également à des simulations plus représentatives des mesures expérimentales que les autres modèles. Les modèles hyperboliques tendent à surestimer les déplacements induits, par le creusement, dans le massif encaissant.

L'interaction entre un renforcement linéaire (clou) et un sol granulaire (sable) est étudiée à plusieurs échelles en vue de réaliser des calculs en déformation de murs en sol cloué. L'interaction entre un clou et un sol à l'échelle des grains est étudiée à l'aide d'un milieu continu généralisé avec microstructure rigide (milieu de Cosserat). Trois lois de comportement du sol : élastique anisotrope, rigide parfaitement plastique et élastoplastique avec écrouissage, ainsi que deux jeux de conditions aux limites microscopiques : statiques et cinématiques, sont considérés pour modéliser la formation des couches d'interfaces. Le lien entre les phénomènes de localisation surfacique (couche d'interface) et volumique (bande de cisaillement) est établi. L'interaction entre un lit de clous et la tranche de sol afférente du mur en sol cloué est étudiée dans le cas d'un chargement thermique (gel). Un modèle couplant les effets thermiques (pénétration du gel), hydrauliques (gonflements du sol gelé) et mécaniques (interaction sol-clou) est développé et validé à partir des mesures réalisées sur les soutènements en vraie grandeur de La Clusaz durant l'hiver 1980/1981. Des dispositions constructives innovantes sont proposées pour limiter les effets du gel. L'interaction entre les clous et le sol à l'échelle d'un ouvrage de soutènement est analysée afin de développer une correspondance entre le mur 3D et le modèle numérique calculé en déformations planes (calcul 2D). Les méthodes de détermination des paramètres mécaniques des matériaux à partir des essais in situ et en laboratoire sont analysées et comparées. Le calcul en déformation de la construction du mur expérimental en vraie grandeur CLOUTERRE-CEBTP no. 1 est réalisé à l'aide de deux logiciels (CESAR et FLAC) pour valider l'approche proposée.

L'étude présentée dans ce mémoire se propose de réfléchir sur les relations existant entre une sollicitation homogène de laboratoire telle que l'essai triaxial classique, et une sollicitation non homogène telle que l'expansion de cavité cylindrique, le lien entre les deux types de sollicitation étant réalisé via un modèle de comportement. Ainsi, le premier chapitre constitue une étude bibliographique destinée à faire le point sur les éléments essentiels concernant la rhéologie des sables et sur les modèles de comportement actuellement utilisés. Le deuxième chapitre propose une nouvelle modélisation du comportement mécanique des sables qui s'inscrit entièrement dans le cadre élastoplastique et, dont l'objectif principal est de prendre en compte la notion de paramètre d'état (Been et Jefferies, 1985) et plus récemment d'indice d'état (Ishihara, 1993) sur le comportement de type lâche ou dense du sable. Le dernier chapitre, est consacré à l'étude des expansions de cavité à partir des modèles basés sur l'élastoplasticité généralisée (Zienkiewiez Pastor et Leung 1985). Ce modèle est tout d'abord appliqué à la sollicitation pressiométrique monotone et cyclique dans des sols cohérents avec prise en compte du couplage eau-squelette. Le cas des sables est finalement étudié, en mettant en oeuvre dans le code de calcul développé pour cette étude le modèle de Pastor, Leung et Zienkiewiez (1985) et en comparant les simulations obtenues à des essais réalisés au cylindre épais par Dupla (1995) dont la sollicitation est proche de la sollicitation pressiométrique. On montre comment à partir de l'essai pressiométrique cyclique, il est possible d'évaluer par démarche inverse le potentiel de liquéfaction d'un massif sableux.

Le sujet de la thèse est l'étude de la dégradation des caractéristiques élastiques d'une roche fragile induite par le chargement. En particulier on s'intéresse à l'anisotropie induite et à son influence sur le caractère fragile de la rupture. L'étude présente le développement d'un modèle de comportement approprié à ce phénomène, une étude expérimentale pour l'étalonnage et la validation du modèle et enfin une application à un problème aux limites particulier représentant l'étude de la rupture d'un cylindre creux et d'une excavation souterraine profonde. Le cadre théorique utilisé est celui de la mécanique de l'endommagement continu. Le modèle développé est caractérisé par un tenseur de vitesse d'endommagement anisotrope d'ordre deux. Les lois d'évolution des trois composantes du tenseur d'endommagement sont obtenues expérimentalement à partir d'essais de compression triaxiale. Les essais ont été réalisés sur deux roches d'origine sédimentaire : une calcarénite italienne, la pietra leccese, et un grès français, le grès de Rothbach. L'influence des conditions de réalisation des essais (élancement des échantillons, frettage ou lubrification des bases des échantillons) a été étudiée. Nous avons simulé le comportement d'un cylindre creux et d'une cavité cylindrique soumise à un état de contraintes isotrope à l'infini. Les résultats de cette simulation numérique ont montré que plus l'anisotropie induite est forte, plus le comportement de la roche est fragile et plus élevé est le nombre de stabilité.

Cette thèse examine la réponse de différents types de lois de comportement en chargement et en déchargement et modélise numériquement les problèmes du creusement dans un massif du sol. Deux méthodes de modélisation d'excavation par éléments finis, l'une proposée par Ghaboussi et Pecknold (1984) et Brown et Booker (1985) et l'autre par Borja et al. (1989) ont été programmées dans le code CESAR-LCPC. Ces deux méthodes ont été ensuite comparées pour la simulation par étapes de l'excavation de massifs de sol élastique et élastoplastique. Nous avons également développé la notion de chargement-déchargement-rechargement multiaxial basée sur le signe du travail incrémental. L'application de ce principe (qui englobe le cas unidirectionnel) à une excavation pour différents types de lois de comportement, nous permet de connaître l'étendue des zones en chargement et/ou en déchargement autour de l'ouvrage. Un modèle élastique non-linéaire (Wong et Duncan), un modèle élastoplastique parfait à critère de Mohr-Coulomb et un modèle élastoplastique avec écrouissage (Nova) ont été étudiés plus en détail dans cette étude. Ces modèles ont été d'abord appliqués à la simulation d'essais triaxiaux, puis à un problème d'excavation. Ce travail s'achève par la modélisation d'un ouvrage réel : une excavation réalisée devant un rideau de palplanche butonné dans un milieu sableux (Université de Karlsruhe). Dans cette partie, nous avons comparé avec les observations sur site, les résultats des modélisations en éléments finis avec le modèle élastoplastique à critère de Mohr-Coulomb et avec le modèle de Nova.

Avec les récents développements des mesures de champs, il est devenu possible deréaliser des expériences sur un échantillon de sol en effectuant des mesures simultanémentaux différentes échelles pertinentes : celle de l'échantillon, et celle des grains, et ceci en3D volumique. Ces progrès ont permis une meilleure compréhension des processus qui seproduisent dans le sol, en les observant au cœur même des échantillons.Cette thèse vise à caractériser les comportements de rétention d'eau et hydro-mécaniquedu sable d'Hostun non saturé à l'échelle du grain. Pour ce faire, des essais de rétentiond'eau et des essais triaxiaux ont été effectués, qui ont nécessité le développement d'outils detraitement d'image et des montages expérimentaux spécifiques. L'installation de tomographie à rayons X du Laboratoire 3SR de l'Université des Grenoble a été utilisée pour générer des images en 3D de la microstructure du sol non saturé. Une technique de trinarization a été mise en œuvre pour permettre la séparation des phases (les grains, l'eau et l'air) dans les images 3D, et d'effectuer différentes mesures à l'échelle du grain. La porosité et le degré de saturation ont été mesurées macroscopiquement en utilisant les images segmentées, et microscopiquement en utilisant un code de cartographie spécialement développé. Les mesures microscopiques ont été réalisées sur un volume élémentaire représentatif (VER), dont la taille a été déterminée en utilisant une analyse développée sur la base d'outils statistiques. Plusieurs analyses discrets ont été développées pour étudier l'évolution de la phase fluide (l'eau et l'air) avec le chargement (succion, et chargement mécanique). La corrélation d'images numérique 3D volumique a été mise en œuvre systématiquement pour ces deux types d'essais.Pour analyser le comportement de rétention d'eau du sable d'Hostun pendant les processus de séchage et de mouillage, une cellule spécifique a été développée. La succion a été appliquée en utilisant la technique de tensiomètre. L'échantillon (cylindrique 1x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau et scanné avec une résolution de 7,5micron. La courbe de rétention d'eau, surface et les domaines hydriques ont été obtenus et le phénomène d'hystérésis et la cohésion du sol ont été analysés à l'échelle du grain.Pour le comportement hydro-mécanique des sols non saturés, des essais triaxiaux ontété effectué sous trois conditions: saturé drainé, non saturé drainé et non saturé non drainé. Un appareil triaxial que l'on peut placer à l'intérieur de la cabine du tomographe à rayons X a été développé afin de permettre le suivi des changements dans la microstructure du sable et la distribution de l'eau lorsque l'on soumet l'échantillon à chargement mécanique. L'échantillon (cylindre de dimensions hxd=2x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau (complétement saturé au début des trois tests), amené ensuite au niveau de saturation désiré (dans le cas des essais non saturés), puis chargé par étapes successives avec scan à chaque étape avec une résolution de 13micron, jusqu'à arriver à 21% de déformation axiale pour les trois types d'essai. Les courbes contrainte-déformation, la réponse volumétrique et les déformations ont été obtenus et le profil de déformation, l'hétérogénéité de l'échantillon, la cohésion et la distribution de l'eau ont été analysés. / With the recent developments of full field measurements, it has become possible to do experiments on a soil specimen, and perform measurements at different scales. This progress has allowed greater understanding for all the processes that occur within the soil, and also created better environment to observe these mechanisms in 3D. This PhD work aims to characterize water retention and hydro-mechanical behaviours of unsaturated Hostun sand at the grain scale. To achieve this goal, water retention and triaxial tests were performed and a set of experimental and image processing tools was developed and used for the two series of tests. X-ray computed tomography set up available at 3SR Laboratory in Grenoble University was used to generate 3D images of the unsaturated soil microstructure non-destructively. A developed region growing systematic technique (trinarization technique) was used to allow the separation of the phases (i.e., grains, water and air) in the 3D images, and performing different measurements at the grain scale. Porosity and degree of saturationwere measured macroscopically using the trinarized images and microscopically using a developed mapping code. The microscopic measurements were performed over an REV, whose size was determined using a developed analysis based on statistical tools. Several microscopic-discrete analyses were developed to investigate the evolution of fluid phase (water and air) with loading (suction and mechanical loading). Digital Image Correlation was performed for the two tests.To analyze water retention behaviour of Hostun sand during drying and wetting processes, a pressure plate apparatus was developed. Suction was applied using tensiometry technique. The specimen (cylindrical 1x1cm) was prepared using water pluviation technique and scanned with a resolution 7.5micron. As a result, water retention curve, surface and domains were obtained and hysteresis phenomenon and soil cohesion were analyzed at the grain scale.For the mechanical behaviour of unsaturated soils, triaxial test were performed at three conditions: saturated drained, unsaturated drained and unsaturated undrained. A triaxial apparatus that can be placed inside the x-ray cabinet was developed in order to facilitate monitoring the changes in sand microstructure and water distribution when subjecting the soil specimen to loading. The specimen (cylinder of hxd=2x1cm) was prepared using water pluviation technique (completely saturated at the beginning of the three tests), loaded then scanned with a resolution 13micron, repeatedly till reaching 21% axial strain forthe three tests.Consequently, stress-strain curves, volumetric response and deformations measurements were obtained and deformation pattern, specimen heterogeneity, cohesion and water distribution were analyzed.

Les matériaux constitutifs des digues sont souvent des sables silteux dont le comportement mécanique peut manifester une « instabilité » à des états de contraintes situés bien avant la limite de plasticité de Mohr-Coulomb. Ce mécanisme de rupture pourrait expliquer plusieurs brèches dont l'occurrence n'a pas été attribuée aux mécanismes classiques de rupture de digues telle que l'érosion interne. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre, au regard de ce phénomène d'instabilité, le comportement mécanique d'un sable silteux provenant de la zone adjacente à une brèche de digue du Rhône lors de la crue de 2003, à l'aide d'essais triaxiaux.Les résultats sur le sable propre montrent que le matériau étudié est très sensible au phénomène d'instabilité. Ce dernier peut être prédit par une courbe d'instabilité reliant, au déclenchement de l'instabilité, le rapport des contraintes au paramètre d'état. L'analyse de ces résultats suggère qu'une forte contractance du matériau est la condition nécessaire pour que l'instabilité du sable lâche ait lieu et qu'une direction appropriée du vecteur d'incrément de contraintes est la condition suffisante.Les résultats sur les mélanges constitués du sable avec des fines montrent qu'un départ de fines, causé par exemple une érosion de type suffusion, favorise l'occurrence de l'instabilité dans les digues. Par ailleurs, ces résultats révèlent que l'indice des vides équivalent est un paramètre pertinent dans l'analyse du comportement du sable silteux. Le calcul de l'indice des vides équivalent nécessite la détermination du paramètre b pour lequel une nouvelle formule a été proposée. / The constitutive materials of dikes are often silty sands whose mechanical behavior can become unstable at stress states located well under the Mohr-Coulomb plasticity limit criterion. This failure mechanism could explain several dike breaches whose occurrence has not been assigned to conventional mechanisms of dike failure such as internal erosion. The objective of this thesis is to better understand, with respect to the instability phenomenon, the mechanical behavior of a silty sand which is collected in the area adjacent of a breach of the Rhone embankment dike during the flood of 2003, by means of triaxial tests.The test results obtained on clean sand show that this material is very sensitive to the instability phenomenon. The occurrence of the latter can be predicted by an instability curve relating, at the onset of instability, the stress ratio to the state parameter. The analysis of these results suggests that a strong contractiveness of the material is the necessary condition for instability of loose sand and an appropriate direction of stress increment vector is the sufficient condition.The test results obtained on mixtures of sand with fines show that a removal of fine particles caused by an erosion, such as suffusion for example, favors the occurrence of instability in the dikes. Moreover, these results indicate that the equivalent void ratio is a relevant parameter in analyzing the behavior of silty sand. The calculation of the equivalent void ratio requires the determination of the parameter b for which a new formula has been proposed.

Les argiles raides sont généralement rencontrées à grande profondeur (plus de 300 mètres). Ces matériaux se caractérisent par leur teneur en eau relativement faible. De nombreux projets industriels justifient l'intérêt récent porté à ces matériaux. La thèse traite en particulier d'argiles raides susceptibles de répondre à des sollicitations par des déformations élastiques, plastiques et viscoplastiques. C'est la prise en compte simultanée d'une rupture engendrant des déformations plastiques et des déformations différées de types viscoplastiques qui font l'originalité de cette thèse. Cette nouvelle approche constitue une amélioration indispensable dans la description du comportement mécanique d'argiles raides. Ce travail est présenté en trois parties : la première partie est consacrée à l'étude expérimentale et à la modélisation du comportement mécanique des argiles raides. Dans cette partie, nous décrivons les matériaux considérés, et les essais réalisés. Nous discutons les résultats et élaborons un modèle viscoplastique avec rupture. La deuxième partie, « Application du modèle VPR au calcul d'un tunnel de section circulaire », est consacrée à l'élaboration d'une solution originale semi analytique et d'un algorithme implanté dans GEOMEC91. La troisième partie, « Application du modèle VPR au calcul 2d axisymétrique des tunnels soutenus et étude paramétrique », montre très clairement l'influence du modèle VPR sur la convergence du tunnel au moment de la pose du soutènement, et par conséquent sur les sollicitations de ce dernier. Les résultats des calculs montrent une forte influence de la cohésion à court terme sur la convergence du tunnel.