L'étanchéité composite géomembrane(GM)-géosynthétique bentonitique (GSB) mise en place dans les barrières de fond d'installations de stockage de déchets non dangereux (ISDnD) peut être sujette à des transferts advectifs liés à l'existence de défauts dans la GM. Les lixiviats peuvent percoler dans le GSB, pénétrer dans le sol et les nappes phréatiques sous-jacentes ce qui peut nuire à l'environnement. Il est donc important de comprendre les mécanismes de transferts dans les étanchéités composites GM-GSB et de les quantifier afin de connaitre, maitriser et minimiser l'impact des transferts advectifs à travers la barrière vers l'environnement. Cependant, l'inaccessibilité de la GM rend difficile l'estimation réelle des fuites à travers l'étanchéité composite. La présente thèse évalue via une démarche expérimentale et numérique les transferts advectifs à travers les étanchéités composites et contribue à améliorer la compréhension des mécanismes de transfert en fonction des sollicitations extérieures. Le but est de bien cerner la problématique des transferts advectifs à travers les étanchéités composites GM-GSB, combler les vides des précédentes études et mettre en évidence les principaux paramètres à prendre en compte (contrainte de confinement, hétérogénéité du GSB, qualité de contact à l'interface GM-GSB, altération chimique et physique des GSB durant leur durée de service sur site). Leur influence sur l'étanchéité de l'ensemble et sur l'évolution des caractéristiques des matériaux utilisés est étudiée. L'approche expérimentale a consisté à acquérir des données sur la rétention d'eau et à introduire la notion des surfaces d'états des GSB sous le confinement généré par les déchets. Il a été démontré que le confinement réduit le gonflement du GSB lors de son hydratation ce qui permet de diminuer sa conductivité hydraulique à saturation. Ce résultat renforce les recommandations appelant à confiner rapidement les GSB après leur mise en place afin qu'ils acquièrent rapidement toutes leurs capacités d'étanchéité. Cette étude expérimentale a été complétée par une quantification numérique des transferts à travers les étanchéités composites en prenant en compte le caractère hétérogène du GSB. Cette étude numérique de prédiction des fuites a fourni de précieux renseignements sur la réduction des débits de fuite qui s'est avérée dépendante des courbes de rétention respectives du géotextile et de la bentonite. En effet, en plus de contenir la bentonite et de promouvoir la résistance aux efforts de traction, le géotextile contribue à la réduction des débits de fuite grâce sa faible perméabilité une fois désaturé. Des expérimentations de mesure du débits de fuites et de quantification de la transmissivité d'interface pour différentes combinaisons d'étanchéités composites GM-GSB ont permis de conclure que ni les sollicitations extérieures conduisant à l'altération chimique, physique et hydraulique des GSB, conduisant à augmenter la conductivité hydraulique du GSB de 4 à 5 ordres de grandeurs, ni la qualité de la GM (en lien avec la rugosité, rigidité, épaisseur) n'affectent significativement les transferts dans les étanchéités composites GM-GSB en régime permanent. Un effet est décelé sur le régime transitoire. Une approche synthétique est enfin donnée et permet une analyse globale des transferts dans les étanchéités composites GM-GSB afin de prévoir au mieux l'impact des transferts dans les barrières vers l'environnement. Il a été confirmé que le gonflement de la bentonite intervient dans la réduction du débit de fuite à travers les étanchéités composites indépendamment de la forme granulométrique de la bentonite. Par ailleurs, il a été conclu que la phase transitoire durant laquelle une réduction des débits de fuites à travers la barrière d'étanchéité composite est observée, doit être prise en compte dans les calculs de fuites pour une prédiction réaliste et rigoureuse des fuites à travers la barrière. / Geomembrane (GM)-geosynthetic clay liner placed in bottom landfill barriers could be faced to advective transfers caused by the appearance of GM defects. Leachate could percolate naturally through the GCL; penetrate the soil and the ground water which could result in environmental damage. It's therefore important to understand leakage transfer mechanism though GM-GCL composite liners and quantify them in order to be aware, to master and to minimize advective transfer impact through the barrier to the environment. However, the GM is not accessible in bottom land fill liner which makes it harder to correctly estimate leakage through the composite liner. The present work used to evaluate advective transfer through GM-GCL composite liner via an experimental and numerical approach. This work used also to ameliorate the comprehension of leakage transfer mechanisms as a function of external solicitations compared to the literature. The purpose of this study was thus to properly identify advective transfer problem through composite liner by highlighting the main parameters affecting advective transfers through composite liners (confining stress, heterogeneity of the GCL composition, contact quality at the GM-GCL interface, chemical and physical alteration during its service life). Those parameters influence the whole barrier performances and material characteristics evolution were studied. Experimental program was dealing with acquiring water retention data of GCL by introducing state surface concept under the confining stress generated by the waste. It has been found that confining stress used to reduce GCL swelling facilities while hydrated and consequently lead to the decrease of the saturated hydraulic conductivity. This result emphasizes on landfill conception recommendations based on rapidly covering the GCL in in order to acquiring its watertightness capabilities. This experimental study was reinforced by a numerical computation study dealing with water transfer through composite liner due to a GM defect and a hydraulic head with considering the heterogeneity of the GCL. This numerical study highlighted new phenomena regulating flow rate through composite liners consisting of geotextile deaturation due to high suction performed by the bentonite as part of the GCL. Indeed, in addition to containing the bentonite and providing tensile shear stresses, the geotextile contribute to reduce the flow rate through composite liner thanks to its high hydraulic conductivity while desaturated. Interface transmissivity tests were also carried for different composite liners combinations. Measurements concluded that neither external solicitations resulting from chemical and physical alteration conducting to the increase of the hydraulic conductivity of the GCL nor the quality of the GM (in relation with its roughness, rigidity and thickness) significantly affect advective transfer through composite liners at the steady state. However an effect was highlighted during transient state. A synthetic approach was thus given to summarize composite liners transfers mechanism and anticipate environmental impact of its leakage. It was later confirmed that the bentonite swelling contributes also to flow rate reduction through composite liner regardless of the bentonite nature and granulometry. In addition, it has been concluded that the transient state within which flow rate reduction though has been observed must be taken into consideration to realistically predict flow rate leakage through composite liners.

Ce mémoire présente une étude de la perméabilité aux gaz et du frottement d'interface des géocomposites bentonitiques (GCBs) et d'autres systèmes géosynthétiques utilisés en couverture des centres de stockage des déchets. La perméabilité aux gaz a pu être étudiée grâce à la conception d'un équipement et d'une nouvelle méthodologie d'essai permettant la mesure de la perméabilité aux gaz en régime transitoire des géocomposites bentonitiques partiellement hydratés. Comparée à la méthode conventionnelle de détermination de ce paramètre en régime stationnaire, la méthode proposée a donné des résultats similaires, mais plus rapidement et avec un appareillage plus simple. <br />La caractérisation du frottement d'interface de géosynthétiques a été réalisée à travers l'emploi de l'équipement « plan incliné », adapté aux faibles contraintes de confinement. Cette étude a montré que les géosynthétiques sont sensibles à la déformation cumulée sur leurs surfaces, ce qui joue sur leurs propriétés de résistance au cisaillement d'interface. Les constats experimentaux conduisent à une discussion sur l'usage des géosynthétiques de renforcement du sol de couverture selon la méthodologie constructive traditionnelle qui utilise ces géosynthétiques pour renforcer l'interface sol-géotextile supposée critique. De plus, des interfaces géosynthétiques avec géocomposites bentonitiques ont été étudiées pour évaluer leur comportement résistant en fonction du degré d'hydratation de la composante bentonite, de l'incidence des cycles de sèchage-humidification, du ruissellement d'eau au niveau de l'interface, de l'humidification de l'interface et du type de géotextile de contact.

Le géotextile Armater a été mis au point il y a environ dix ans. Il s'agit d'une nappe alvéolaire obtenue en cousant ou collant des bandes de géotextile non tissé aiguilleté entre elles. Les alvéoles sont de forme hexagonale. L'idée est de constituer un massif de sol renforcé par un empilement de lits d'alvéoles où la connexion verticale des lits est réalisée au moyen de bandes de textiles agrafées aux pointes des alvéoles.<br /><br />Le travail de recherche sur ce nouveau concept de mur a consisté à étudier le comportement local et global, afin d'en développer une méthode de dimensionnement.. Nous avons dans un premier temps par un programme expérimental exhaustif mis en évidence le comportement mécanique du géosynthétique alvéolaire et tenté de le comprendre. Dans un deuxième temps nous avons développé des modèles théoriques permettant de proposer une méthode rationnelle de dimensionnement que nous avons validé sur des ouvrages réels. Nous avons utilisé deux approches différentes : approche par un calcul à la rupture utilisant la méthode des deux blocs et approche en déformations en différences finies. <br /><br />Le mémoire a été structuré en quatre parties exposées ci-dessous :<br /> - en premier lieu, une étude bibliographique rappelle les hypothèses et les méthodes habituelles de caractérisation des géotextiles, du sol ainsi que l'interaction sol-géotextile.<br /> - la deuxième partie s'attache à mettre en évidence le fonctionnement mécanique du complexe au niveau d'une alvéole. Plusieurs séries d'essais locaux ont été réalisées afin de comprendre le fonctionnement de ce produit dans différentes configurations. <br /> - la troisième partie présente les différentes méthodes de calcul analytiques (intégrant les modèles mis au point dans la deuxième et la troisième partie) ou numériques mis au point durant ce travail, ainsi qu'une étude de l'influence des paramètres géométriques (longueur, hauteur) ou mécanique (comportement des matériaux). Ces modèles n'utilisent pour ce travail que des chemins de chargement monotones croissant.<br />- la quatrième partie confronte les résultats d'expérimentations sur un ouvrage réel instrumenté et des modèles de taille réduite avec ceux des calculs de modélisation.<br /><br />Les apports du travail présenté ci-dessus qui nous semblent les plus intéressants sont les suivants. En premier lieu, une meilleure connaissance du fonctionnement du phénomène de confinement. A l'égard de ce mode de fonctionnement, le rapport côté sur hauteur joue un rôle important. Après avoir montré la capacité des logiciels à représenter le complexe sur divers chemin de sollicitation au niveau local nous avons développé deux méthodes de dimensionnement du massif en sol renforcé. Ces méthodes permettent de modéliser l'hétérogénéité du comportement des matériaux et la géométrie complexe des ouvrages.

Esta tese consiste no estudo da permeabilidade à gás e da resistência ao cisalhamento de interface de geocompostos bentoníticos (GCLs) e de outros sistemas geossintéticos que compõem as camadas de cobertura de aterros sanitários. Com relação ao fluxo gasoso, a pesquisa teve o propósito de apresentar um equipamento e propor uma nova metodologia de ensaio destinada a medir a permeabilidade a gás de GCLs parcialmente hidratados sob regime de fluxo transiente. Comparada à metodologia convencional de determinação desse parâmetro sob regime de fluxo permanente, o método proposto forneceu resultados similares, porém de um modo mais rápido e por meio de uma aparelhagem mais simples. O atrito de interface de geossintéticos foi estudado mediante o emprego do equipamento plano inclinado, sob baixas tensões de confinamento. O estudo mostrou que os geossintéticos são sensíveis à deformação acumulada sobre sua superfície que pode implicar um aumento ou uma redução da resistência de interface. A pesquisa permitiu concluir que é possível distinguir o comportamento resistente de interfaces do tipo solo compactado-geossintético submetidas a baixas tensões confinantes via equipamento de plano inclinado. As constatações experimentais permitem questionar o uso de geossintéticos de reforço do solo de cobertura segundo a metodologia construtiva tradicional que considera a necessidade de emprego destes geossintéticos para reforçar a interface solo-geotêxtil suposta crítica. Além disso, interfaces geossintéticas contemplando GCLs foram estudadas a fim de se avaliar o comportamento resistente desses sistemas conforme o grau de hidratação da bentonita, a incidência de ciclos de secagem e umedecimento, o escoamento de água no nível da interface, a umidificação da interface e o tipo de material de contato. Os ensaios de interface geomembrana-GCL mostraram que a extrusão da bentonita, devida ao carregamento aplicado, determina o comportamento resistente da interface, visto que a resistência ao cisalhamento mobilizada é fortemente reduzida pela lubrificação adicional desta bentonita quando da incidência de um escoamento de água na interface. Para os ensaios de interface do tipo GCL-geossintéticos de drenagem, a resistência mobilizada se mostrou dependente da estrutura do elemento drenante, do tipo de geotêxtil de contato e da consistência da componente bentonita do GCL. / Cette dissertation correspond à l\'étude de la perméabilité aux gaz et du frottement d\'interface des géocomposites bentonitiques (GCBs) et d\'autres systèmes géosynthétiques destinés à la composition des couches de couverture des centres de stockage des déchets. Par rapport le flux gazeux, la recherche a eu l\'objectif de présenter un équipement et proposer une nouvelle méthodologie d\'essai destinée à mesurer la perméabilité aux gaz des géocomposites bentonitiques partiellement hydratés en régime transitoire. Comparée à la méthode conventionnelle de détermination de ce paramètre sous flux en régime stationnaire, la méthode proposée a donné des résultats similaires, mais plus rapidement et avec un appareillage plus simple. La recherche a fait la caractérisation du frottement d\'interface de géosynthétiques à travers l\'emploi de l\'équipement plan incliné, donc en considerant des faibles contraintes de confinement. Cette étude a montré que les géosynthétiques sont sensibles à la déformation cumulée sur leurs surfaces, ce qui joue sur leurs propriétés de résistance au cisaillement d\'interface, pouvant augmenter ou réduire la stabilité des interfaces. La recherche a permis de conclure qu\'il est possible de distinguer les comportements résistants d\'interfaces du type sol compacté-géosynthétique soumises à de faibles contraintes de confinement grâce à l\'équipement plan incliné. Les constats experimentaux entraînent une discussion sur l\'usage des géosynthétiques de renforcement du sol de couverture selon la méthodologie constructive traditionnelle qui considère le besoin de recourir à ces géosynthétiques pour renforcer l\'interface sol-géotextile supposée critique. En plus, des interfaces géosynthétiques avec géocomposites bentonitiques ont été étudiées pour évaluer leur comportement résistant en fonction du degré d\'hydratation de la composante bentonite, de l\'incidence de cycles de sèchage-humidification, du ruissellement d\'eau au niveau de l\'interface, de l\'humidification de l\'interface et du type de géotextile de contact. Les essais d\'interface Géomembrane-GCB ont montré que l\'extrusion de bentonite dûe au chargement appliqué détermine le comportement résistant car la résistance d\'interface mobilisée est drastiquement réduite par la lubrification additionnelle de cette bentonite, du fait de l\'écoulement au niveau de l\'interface de l\'eau de ruissellement. Pour les essais d\'interface du type GCB-Géosynthétiques de drainage, la résistance mobilisée s\'est montrée fortement dépendante de la structure du dispositif de drainage, du type de géotextile en contact et de la consistance de la composante bentonite du GCB.

Les géosynthétiques (GSY) sont des matériaux polymériques utilisés dans la construction d’ouvrages géotechniques et environnementaux, en remplacement et/ou en complément de matériaux naturels. Dans les installations de stockage de déchets non dangereux (ISDND), les GSY sont utilisés comme dispositif d’étanchéité et de drainage (barrière de sécurité) afin de prévenir les infiltrations de lixiviats vers la nappe phréatique.De nos jours, la rareté des sites adaptés à la construction de nouvelles ISDND conduit de nombreux opérateurs à opter pour la création de casiers de stockage en appui sur d’anciens casiers. Dans ces ouvrages en rehausse (extensions d’ISDND), une barrière de sécurité est généralement disposée entre les anciens casiers et les nouveaux casiers. Toutefois, dans cette configuration spécifique, les risques d’instabilité au glissement translationnel de l’ouvrage sont favorisés par la présence de plusieurs interfaces GSY représentant autant de surfaces de glissement préférentielles. Par ailleurs, ces risques sont accentués par le caractère compressible des déchets qui favorise l’apparition de tassements différentiels et/ou d’effondrements localisés (formation de cavités) sous la barrière de sécurité, susceptibles d’engendrer une perte d’intégrité (tensions / déformations excessives) de cette dernière. Dès lors, la compréhension des mécanismes associés à ces phénomènes de glissement translationnel et de déformation des GSY apparait capitale pour la réussite d’un tel projet.Dans ce contexte, les travaux objet du présent mémoire de thèse se sont attachés à mieux appréhender le comportement mécanique des systèmes GSY et de leurs interactions. Cette analyse a été effectuée sous l’angle de la stabilité au glissement translationnel (à l’échelle de l’ouvrage : grande échelle) et de l’intégrité structurelle des GSY au sein des barrières de sécurité sur cavité (petite échelle).Pour y parvenir, une analyse multi-approches associant étude analytique, modélisation numérique et étude expérimentale a été mise en oeuvre.Tout d’abord, le volet analytique a porté sur une analyse comparative de dix méthodes utilisées pour l’évaluation de la stabilité au glissement translationnel et de huit méthodes de dimensionnement des GSY de renforcement sur cavité. Ces études comparatives ont permis non seulement d’évaluer les écarts entre ces méthodes, mais aussi d’identifier celles qui se prêtent le mieux à une application en extension d’ISDND.Ensuite, une Méthode Rationnelle de Modélisation des systèmes Géosynthétiques (MeRaMoG) a été développée afin de prendre en compte fidèlement le comportement mécanique des GSY et de leurs interfaces (notamment la non-linéarité du comportement en traction des GSY). Grâce à la MeRaMoG qui a été validée expérimentalement, les mécanismes intervenant et contrôlant les phénomènes de glissement et de déformation des barrières de sécurité sur talus et sur cavité ont été investigués.Enfin, un Dispositif Expérimental grande-échelle pour l’étude de la Performance des GSY de renforcement sur Cavité (DEPGeC) a été développé. Le DEPGeC est un prototype permettant de simuler le comportement mécanique des GSY sur une cavité rectangulaire et sous une contrainte de confinement pouvant atteindre 100 kPa. L’utilisation du DEPGeC a permis d’évaluer l’influence de la contrainte de confinement, de la raideur du GSY de renforcement et d’un ancrage rigide sur les déformations des GSY. / Geosynthetics (GSYs) are polymeric materials that are used in engineering and environmental constructions to replace or in addition to natural materials. In landfills, GSYs are used as a lining system to prevent leachate infiltration into groundwater.Nowadays, the scarcity of suitable sites to establish new landfills leads more and more landfill owners to build new landfill cells over older ones. In such type of construction commonly called piggy-back landfill, a new GSY lining system is often implemented between old and new cells. However, in this specific configuration, the risk of translational instability of the construction is increased since the lining system involved several interfaces with low shear strength. Such instability is related to the failure of the various interfaces within the GSY lining system and hence to the sliding of GSY layers on each other. Moreover, the potential occurrence of differential settlements and / or localized collapses (cavity) which are related to the compressible nature of the waste within the old cell could tear (excessive tensile forces / strains) the GSY lining system under the overload of the new waste. Therefore, understanding the mechanisms controlling translational slip phenomena and deformation of GSYs is essential to ensure a proper design of such a project.In this context, this PhD thesis focused on better understanding of the mechanical behaviour of GSY systems and their interactions. The study was conducted using firstly a global analysis (large scale, all over the piggy-back landfill) of the lining system in terms of translational slips between the various GSYs. Secondly, this study investigated the integrity of the GSY lining system subjected to a cavity (small scale analysis).To achieve this goal, a multi-approaches investigation involving analytical study, numerical modelling and experimental study was performed.First, the analytical part focused on a comparative analysis based on ten methods used to assess the factor of safety of translational slip and on eight methods used for the design of GSY reinforcement over cavities. These comparative studies have not only assessed the differences between these methods, but also identified those best suited to be applied in the context of piggy-back landfills.Then, a rigorous method (MeRaMoG) that addressed the key aspects of the mechanical behaviour of GSYs and interfaces (e.g., the nonlinear axial stiffness of GSYs), was developed for the numerical modelling of multi-layered geosynthetic systems. Through MeRaMoG which was experimentally validated, the mechanisms controlling the translational slip and deformation of the geosynthetic lining system on side slopes and cavity were investigated.Finally, a new large-scale testing device (DEPGeC) was developed to assess the efficiency of a GSY reinforcement to bridge a cavity. The DEPGeC is a prototype that was used to simulate the mechanical behaviour of multi-layered GSY systems over a rectangular cavity and under a confining load of up to 100 kPa. Using the DEPGeC, the influence of the applied vertical load, the stiffness of the GSY reinforcement and a perfect anchorage on the deformations of GSY, was investigated.