Les glissements de terrain sont les risques naturels fréquents dans le monde. D'une part, ils concernent un comportement alterné pour les géomatériaux : le comportement solide décrit classiquement par la géomécanique, et celui fluide après la rupture. D'autre part, ils peuvent être induits par plusieurs facteurs. Par exemple, la géologie, la topographie, la végétation, la variationclimatique, et les activities humaines. Dans les régions tropiques et tempérées, il est bien connu que les glissements de terrain surviennent fréquemment après les pluies intensives, à cause de la saturation des sols non saturés.Comme jusqu'à présent, il n'y a aucun modèle constitutif satisfaisant pour décrire une telle transition pour les géomatériaux non saturés, nos travaux se concentrent d'abord à un modèle unifié, qui associe un modèle hydro-élasto-plastique pour les géomatériaux non saturés, un modèle visqueux de Bingham, et un critère de transition entre les phases solide et fluide. Le modèle unifié permet dedécrire complètement le comportement avant et après la rupture, induite par des conditions hydromécaniques, pour les géomatériaux non saturés dans un cadre unifié.Ensuite, la Méthode des Eléments Finis avec les Points d'Intégration Lagrangiens (MEFPIL), qui bénéficie des avantages des approches Lagrangiennes (suivre les variables internes) et de celles Eulériennes (traiter les grandes transformations), est améliorée et choisie pour effectuer les calculs dans ce cadre. Nous avons introduit une nouvelle formulation hydro-élasto-plastique avec le couplage hydromécanique basée sur la MEFPIL, et l'implanté dans l'Ellipsis (le code basé sur la MEFPIL). En outre, pour inverser la matrice non symétrique de la formulation, un nouveau solver basé sur la méthode stabilisée du gradient bi-conjugué (BiCGSTAB) a été aussi implanté.Enfin, plusieurs benchmarks sont proposés pour valider le comportement mécanique des géomatériaux non saturés décrit par le modèle, et un glissement de terrain heuristique induit par la pluie est simulé, nous pouvons étudier les effets de paramètres divers sur l'infiltration d'eau et sur la rupture. En outre, une simulation du glissement de terrain à Shien (Chine, 2012), avec des paramètres réels est présentée. / Landslides are common natural disasters all over the world. On one hand, they implicate an alternate behaviour for geomaterials: the solid behaviour dealt with classically by geomechanics, and the fluid behaviour after failure. On the other hand, they can be induced by several factors. For example,geology, topography, vegetation, climatic variation, and human activities. In tropic and tempered regions, it is well known that the landslides occur frequently after intense rainfalls, because of saturation effect of unsaturated soils.As there is, up to now, no satisfactory constitutive model to describe such a transition for unsaturated geomaterials, our work is thus focused firstly on a unified model, that associates an hydro-elastoplastic model for unsaturated geomaterials, a Bingham's viscous law, and a transition criterion between solid and fluid states. The model allows to describe both solid and fluid behaviours for unsaturated geomaterials in a unified framework, and is made possible to simulate completely the behaviour of unsaturated geomaterials before and after failure, induced by hydromecanical conditions.Secondly, the Finite Element Method with Lagrangian Integration points (FEMLIP), that benefits from both the Lagrangian approaches (track internal variables) and Eulerian approaches (solve large transformations), is ameliorated and chosen to carry out calculations in this framework. We have introduced a new hydro-elasto-plastic FEMLIP formulation with hydromecanical coupling, and implemented it in Ellipsis (FEMLIP based code). Moreover, in order to inverse nonsymmetric matrixin the formulation, a new solver based on the biconjugate gradient stabilized method (BiCGSTAB) has been also implemented.Finally, several benchmarks are proposed to validate the model for the main features of unsaturated geomaterials, and a heuristic rainfall-induced landslide is simulated, we could study the effects of various parameters on the water infiltration and on the failure. Moreover, a simulation of the Shien landslide in China (2012) with real parameters is presented.

Les géomatériaux sont présents dans la nature sous des formes très diverses : sols et rochesin situ solides, argiles ductiles, boues quasiment liquides, etc... La géomécanique s’intéresseà la compréhension du comportement solide des géomatériaux. Cependant, il arrive que sousl’effet de conditions extérieures particulières, des terrains initialement solides se transformenten fluides : c’est ce qui se produit par exemple lors de coulées de boues ou de débris. Dans untel contexte, il existe peu d’outils numériques capables de modéliser les différentes phases ducomportement. Il semble de plus, qu’il n’existe pas à ce jour de modèle constitutif satisfaisantpour décrire une telle transition.Nos travaux s’intéressent de manière générale à la transition solide-fluide dans le comportementdes géomatériaux, et à l’élaboration d’un modèle constitutif décrivant la phase solide, laphase fluide, ainsi que la transition entre les deux. Nous avons choisi dans ce cadre de menerles calculs en nous basant sur la méthode MEFPIL (Méthode aux Éléments Finis avec desPoints d’Intégration Lagrangiens) qui a déjà montré de fortes potentialités pour décrire descomportements très variés (dont des comportements à variables d’histoire), dans un mêmemodèle.Après avoir implanté et validé la première loi élasto-plastique dans Ellipsis (code basé sur laMEFPIL), nous avons pu introduire dans ce code le modèle de transition. Celui-ci se base surl’évolution du comportement solide élasto-plastique vers un comportement fluide, visqueux àseuil, et ce, au moment de la rupture matérielle détectée par le critère du travail du secondordre.Après quelques applications du modèle de transition solide-fluide sur des cas simples et homogènes(en considérant la loi élasto-plastique Plasol et loi visqueuse de Bingham), nous avonsappliqué ce modèle à la modélisation des coulées de boue de Sarno et Quindici (Italie, 1998).Les premiers modèles montrent la possibilité de décrire les trois phases de ce mouvement deterrain (l’initiation, la propagation et l’immobilisation), et nous avons pu étudier l’effet dedifférents paramètres sur l’arrêt contre un ouvrage de protection. / Geomaterials are present in nature in many forms : solid soil or rock, soft clay, almost liquidmud, etc... Geomechanics deals with the understanding the solid behavior of geomaterials.However, solid ground can happen, under specific external conditions, to turn into fluid : asfor example during mudflows or debris flows. In such a context, there are few numerical toolsable of modeling the different phases of the behavior. Furthermore, it seems that there is,nowadays, no satisfactory constitutive model to describe such a transition.Our work concerns, in a general way, solid-fluid transition in geomaterials behavior and thedevelopment of a constitutive model describing both the solid phase, fluid phase, and thetransition between the two. In this framework, we chose to carry out calculations with theFEMLIP numerical method (Finite Element Method with Lagrangians Integration Points)which has shown a strong potential to describe a wide variety of behaviors (including historydependant behavior), in a unique model.Having implemented and validated the first elasto-plastic law in Ellipsis (FEMLIP basedcode), we have introduced in this code the solid-fluid transition model. This last is based onthe evolution, at the failure state detected by the second order work criterion, of the solidelasto-plastic behavior towards a viscous fluid behavior, exhibiting a yield stress.After validation of the solid-fluid transition model in homogeneous cases (considering Plasolelasto-plastic law and Bingham viscous one), we applied this model to the modeling of Sarnoand Quindici mudflows (Italy, 1998). The first models shows the possibility to describe thethree phases of the flow (initiation, propagation and immobilization), and we could study theeffect of various parameters on the stop against a protection work.

Cette thèse présente un travail expérimental dans le domaine de la mécanique des milieux granulaires.Ce travail introduit une nouveauté fondamentale: durant la déformation d’échantillonsde sable en compression triaxiale classique, leur micro-structure est enregistrée par tomographieà rayons-x en environ 15 étapes de déformation différentes.Afin que tous les grains d’un échantillon soient individuellement visibles dans les imagesde tomographie, les échantillons sont considérablement réduits pour qu’ils mesurent 11 mm endiamètre et 22 mm en hauteur. Cela permet d’identifier et d’individualiser tous les plus decinquante mille grains d’un échantillon.Dans ce travail expérimental, une série d’essais triaxiaux a été réalisée sur trois sables naturels(le sable d’Hostun, le sable d’Ottawa et des Caicos ooids, tous à partir des états initiauxrelativement denses), à deux valeurs de pression de confinement différents (100 et 300 kPa).Dans les images 3D résultantes de la reconstruction des acquisitions tomographiques réaliséesau cours de chaque essai, les grains sont identifiés dans chaque état en utilisant un algorithmede type watershed (ligne de partage des eaux) classique. À partir de ces données discrétisées,des techniques ont été mises au point pour caractériser les contacts grain-à-grain mais aussipour mesurer la cinématique de tous les grains identifiés entre les états pour lesquels des imagestridimensionnelles existent. La cinématique des grains est mesurée avec deux outils spécialementdéveloppés: “ID-Track” suit les grains et donne leurs déplacements; cette information est ensuitenécessaire pour une technique hybride de corrélation d’images discrète pour mesurer la rotationde chaque grain.Des mesures à l’échelle du grain sont présentées en détail pour un essai, et sont ensuitecomparées à des essais dans des conditions différentes. L’objectif est de mettre en évidence lesmicro-mécanismes responsables des différents comportements macroscopiques observés pour cesmatériaux. Cette comparaison met en évidence certains micro-mécanismes importants tels que,par exemple, la déformation d’un échantillon. Celle-ci est concentrée dans une bande de cisaillementbien développée qui correspond à une bande de grains avec des rotations intenses. Dans unéchantillon de grains arrondis, cette bande – définie par des grains – est très nette. Par contre,avec des grains anguleux, les rotations des grains dans la bande “polluent” les grains voisins;leur forme facilite l’engrenage entre grains, qui limite aussi les grosses rotations individuelles desgrains. Cette différence de mécanisme de déformation est utilisée pour expliquer la différencedans la contrainte résiduelle observée à macro-échelle. Des signes de déformation localisée sontsystématiquement observés en train de se produire avant le pic de déformation des échantillons etdes systèmes complexes de chaînes de rotations de grains (qui correspondent aussi à une mesurelocale de déformation calculée avec les déplacements des grains) sont remarquées autour du picde la réponse macroscopique de chaque échantillon. / This doctoral thesis presents an experimental investigation into the mechanics of granular media.The novelty that this work brings is that the specimens of sand tested in this work are systematicallyand non-destructively imaged using x-ray tomography. Sample size is considerably reducedfrom standard (specimens measure approximately 22 mm height by 11 mm diameter), allowingentire specimens to be scanned at a sufficiently high resolution to identify all the grains (morethan fifty thousand) in each specimen.A campaign of triaxial compression tests has been run on a series of three different naturalsands with different grain shapes (Hostun sand, Ottawa sand and Caicos ooids – all prepared atrelatively dense initial states), and tested at 100 or 300 kPa cell pressure. In each test around 15x-ray scans are performed. In the 3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scansperformed, grains are identified each state using a standard watershed algorithm. Starting fromthese discretised data, techniques are developed in order characterise grain-to-grain contacts,as well as to measure the kinematics of all the identified grains between imaged states. Grainkinematics are measured with two specifically-developed tools: “ID-Track” to track grains yieldingtheir displacements, and a discrete image correlation technique to measure grain rotations.Grain-scale measurements are reported in detail for one test, and are then compared to testsin different conditions, in order to highlight the micro-mechanisms responsible for the observedmacroscopic behaviour. This comparison highlights some important micro-scale mechanisms suchas the increasing rotational frustration of more angular grains when the sample’s deformation isconcentrated in a fully developed shear band; this is used to explain to some extent the highervalue of their residual stress for these materials. Signs of localised deformation are seen to occurwell before the peak in many samples, and complex patterns of rotating grains (which match alocal, grain-based measurement of strain) are noticed around the peak of each sample’s response.

[pt] Desenvolveu-se estudo teórico e numérico para simular o comportamento tensão-deformação de solos e rochas. Procurou-se estabelecer modelagem constitutiva apta a representar as peculiaridades inerentes ao comportamento destes materiais sob grandes deformações e degradação da estrutura. Dentro do contexto geotécnico brasileiro, o objetivo da pesquisa foi, também, investigar uma nova abordagem constitutiva para modelar o comportamento de solos moles, solos residuais e rochas sedimentares. O trabalho está dividido nos seguintes tópicos: revisão bibliográfica; estudo de medidas de deformações e taxas objetivas de tensões; definição e desenvolvimento dos modelos constitutivos a serem testados; definição dos algoritmos de retorno para integração das equações constitutivas; implementação em elementos finitos; simulação do comportamento observado em ensaios de laboratório. Os resultados da pesquisa indicam que o comportamento viscoso da argila mole do Sarapuí pode ser reproduzido corretamente adotando-se modelo constitutivo viscoplástico. A abordagem de solo estruturado está condizente com o comportamento do arenito de Vila Velha. Por fim, para modelar o comportamento de solos residuais dentro de um novo quadro constitutivo, foi proposta uma separação das deformações irreversíveis. / [en] A theoretical and numerical study was developed to simulate the stressstrain behavior of soils and rocks, formulating constitutive models able to catch the peculiarities inherent to the behavior of these materials under large strains and structure degradation. Within the Brazilian geotechnical context, the objective of the research was also to investigate constitutive approaches to model the behavior of soft soils, residual soils and sedimentary rocks. The work is divided into the following topics: literature review; study of strain measurements and objective stress rates; definition and development of the constitutive models to be tested; definition of the return mapping algorithms for integrating the constitutive equations; finite element implementation; and simulation of the behavior observed in laboratory tests. Results indicate that the viscous behavior of the Sarapuí soft clay can be correctly reproduced by adopting a viscoplastic constitutive model. The structured soil approach appears to be consistent with the behavior of Vila Velha sandstone. Finally, a decomposition of irreversible strains was proposed to model the behavior of residual soils within a novel constitutive framework.

[pt] Este trabalho tem como objetivo apresentar detalhes do desenvolvimento de um código numérico tridimensional para simulação de processos de fraturamento e fragmentação em geomateriais. O código se baseia no método combinado dos elementos finitos e discretos, sendo capaz de simular a transição do contínuo para o descontínuo. A princípio é apresentada uma breve introdução ao método combinado dos elementos finitos e discretos, e as suas principais implementações são destacadas. Além disso, são apresentados os conceitos básicos dos modelos de zona coesiva, ressaltando o modelo baseado em potencial PPR (Park-Paulino-Roesler). Em seguida, são apresentados os detalhes do desenvolvimento do código. O desenvolvimento do código foi dividido em quatro partes: modelagem do contínuo, transição entre o contínuo e o descontínuo, detecção e interação entre contatos e a resolução das equações de equilíbrio. As implementações feitas no código são verificadas mediante a simulação de três tipos de ensaios de laboratório comumente empregados na mecânica das rochas (ensaio brasileiro, ensaio de compressão simples e ensaio de tenacidade à fratura), cujos parâmetros utilizados e os resultados para comparação foram obtidos da literatura. Por fim, são apresentados os resultados exibindo os padrões de fraturamento para cada tipo de ensaio e suas curvas força-deslocamento, ou tensão-deformação, bem como as considerações finais e sugestões para trabalhos futuros. / [en] This work aims to detail the development of a three-dimensional numerical code for simulating fracturing and fragmentation processes in geomaterials. The code is based on the combined finite-discrete element method, being able to simulate the transition from continuum to discontinuum. At first, a brief introduction to the combined finite-discrete element method is presented, and its main implementations are highlighted. In addition, the basic concepts of the cohesive zone models are shown, emphasizing the PPR (Park-Paulino-Roesler) potential based cohesive model. Then, the details of the code development are presented. The development of the code was divided into four parts: modelling of the continuum, transition from continuum to discontinuum, detection and interaction between contacts, and the solution of the equilibrium equations. The implementations made on the code are verified upon the simulation of three types of laboratory tests commonly employed in rock mechanics (Brazilian test, uniaxial compressive strength test, fracture toughness test), in which the parameters used and the results for comparison were obtained from the literature. At last, the results exhibiting the fracture patterns for each type of test and its force-displacement, or stress-strain, curves are displayed, as well as the final considerations and suggestions for future works.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude du comportement poro-élastique linéaire et non linéaire des matériaux et géomatériaux poreux (notamment les calcaires oolithiques et le minerai de fer) par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Les roches poreuses étudiées sont constituées par un assemblage de grains (oolithes), à forte fraction volumique, cimentés par une matrice. La porosité, supposée connectée, est présente dans les oolithes (inter-oolithique) et dans la matrice (intra-oolithique). Un modèle d'homogénéisation à deux étapes est développé dans le cadre du modèle des sphères composites. L'importance des effets de liaison d'interface sur les propriétés poro-élastiques des sphères composites est étudiée en déterminant la solution exacte du modèle aux conditions d'interfaces parfaite ou/et imparfaite. Le modèle est tout d'abord appliqué pour estimer les propriétés effectives poro-élastiques linéaires des roches étudiées. Le comportement non linéaire de ces roches est étudié en attribuant à la matrice un comportement élastoplastique et en développant un comportement non linéaire pour les interfaces (oolithes - matrice). La comparaison entre résultats issus de la modélisation et ceux expérimentaux macroscopiques montre l'importance cruciale de la zone interfaciale de transition / This work is devoted to the modelling of the linear and non-linear hydro-mechanical behaviour of porous rocks (such as oolitic limestone, iron ore) by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. Porous rocks studied are constituted by an assemblage of grains (oolites), with high volume fraction, coated by a matrix. The overall porosity is supposed connected and decomposed into oolite porosity and matrix porosity. A two step homogenization method has been developed in the framework of CSA models (Composite Sphere Assemblage). The effect of interfacial bonding condition on poroelastic properties of composite sphere is investigated by determining the exact solution of the model in the case of perfect or/and imperfect interface. Micromechanical model is applied firstly to estimation of effective linear poroelastic properties of rocks studied. Their non-linear behaviour is studied by considering a elasto-plastic behavior for both the matrix and the interfaces (oolite-matrix). The comparison between numerical simulations and macroscopic experimental results underlined the crucial role of the interfacial transition zone

Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs dits de moyenne activité à vie longue et de haute activité, la France a fait le choix du stockage géologique profond dans une formation rocheuse située à l’est du bassin parisien, dans une zone tectoniquement stable. Cette formation d’argilites du Callovo-Oxfordien a été choisie pour ses propriétés de rétention des radionucléides puisqu’elle est très peu perméable. Un laboratoire de recherche souterrain a été construit à environ 500 mètres de profondeur afin d’étudier in-situ les propriétés de la roche. Il a été montré que l’argilite du Callovo-Oxfordien présente une anisotropie liée à sa formation géologique. L’objectif principal de cette thèse est de pouvoir reproduire le comportement mécanique anisotrope à l’aide d’un modèle de comportement élasto-plastique. Le modèle de comportement thermo-élasto-viscoplastique et isotrope nommé LKR est la résultante de tout le savoir-faire et l’expertise d’EDF en ce qui concerne le dimensionnement d’ouvrages souterrains. On cherche donc à appliquer une méthode de prise en compte de l’anisotropie structurelle caractérisant plusieurs types de géomatériaux dont l’argilite du Callovo-Oxfordien à ce modèle de comportement. Afin d’atteindre cet objectif, deux méthodes de prise en compte de l’anisotropie développées dans la littérature scientifique sont appliquées à un modèle de Drucker-Prager à écrouissage linéaire négatif et sont comparées. La première méthode consiste à introduire un tenseur de microstructure ou de fabrique permettant de définir les orientations préférentielles du matériau. La seconde méthode est l’approche par plan de faiblesse qui consiste à décrire le comportement anisotrope du matériau via deux mécanismes distincts, l’un décrivant le comportement de la matrice rocheuse isotrope et l’autre décrivant les plans de faiblesse. C’est par ce deuxième mécanisme que l’anisotropie est introduite. Ces deux applications ont été faites dans le logiciel libre de simulation en mécanique, Code Aster, développé par EDF et ont permis d’appréhender les difficultés numériques de chacune de ces méthodes, et de choisir l’approche la plus pertinente pour l’extension du modèle LKR. Ainsi, c’est la méthode avec le tenseur de fabrique qui est, dans notre cas, la plus adaptée. Elle a donc été appliquée au modèle LKR. Cette nouvelle extension au modèle permet de prendre en compte la dépendance à l’orientation du matériau des résistances en compression. Dans ces travaux, on se place dans le cadre de la mécanique des milieux continus. L’anisotropie est introduite seulement dans le mécanisme élasto-plastique du modèle de comportement LKR. / Within the framework of radioactive waste management, for long-lived and high-level radioactive waste, France has chosen deep geological storage. This storage will be located in a rock formation, in the east of the basin Parisian, in a tectonically stable area. This Callovo-Oxfordian claystone formation was chosen for its radionuclides retention properties since it is not very permeable. An underground research laboratory was built 500 meters deep to study the properties of the rock in-situ. The Callovo-Oxfordian claystone has been shown to exhibit anisotropy related to its geological formation. The main objective of this PhD thesis is to reproduce anisotropic mechanical behaviour using an elasto-plastic constitutive model. The thermo-elasto-viscoplastic and isotropic behaviour model named LKR is the result of all EDF’s knowledge and expertise in the design of underground structures. Therefore, we seek to apply a method of taking into account structural or inherent anisotropy characterizing several types of geomaterials including Callovo-Oxfordian claystone to this LKR constitutive model. In order to achieve this objective, two methods of taking anisotropy into account and developed in the scientific literature are applied to a Drucker-Prager model with linear softening and then are compared to each other. The first method consists of introducing a microstructure or fabric tensor to define the preferential orientations of the material. The second method is the weakness plane approach which consists of describing the anisotropic behaviour of the material through two distinct mechanisms, one describing the behaviour of the isotropic rock matrix and the other describing the weakness planes. It is through this second mechanism that anisotropy is introduced. These two applications were made using the free mechanical simulation software, Code Aster, developed by EDF. This allowed to understand the numerical difficulties of each of these methods, and to choose the most relevant approach for the extension of the LKR model. Thus, it is the method with the fabric tensor which is, in our case, the most suitable. It was therefore applied to the LKR model. This new extension to the model enables the material orientation dependency of the compression strengths to be taken into account. In this work, the mechanics of continuous media are considered. Anisotropy is introduced only into the elasto-plastic mechanism of the LKR behaviour model.

Propagation des fissures microscopiques, est représentée par des variables d’endommagement. L’évolution de la variable d’endommagement est généralement formulée sur la base d’observations expérimentales. De nombreux modèles phénoménologiques d’endommagement ont été proposés dans la littérature. L’objet de cette thèse est de développer une nouvelle procédure pour obtenir des lois d’évolution macroscopique d’endommagement,dans lesquelles l’évolution de l’endommagement est entièrement déduite de l’analyse de la microstructure. Nous utilisons une homogénéisation basée sur des développements asymptotiques pour décrire le comportement global à partir de la description explicite d’un volume élémentaire microfissuré.Nous considérons d’une part un critère quasi-fragile (indépendant du temps) puis un critère sous-critique(dépendant du temps) pour décrire la propagation des microfissures. De plus, le frottement entre les lèvres des microfissures est pris en compte. Une analyse énergétique est proposée, conduisant à une loi d’évolution d’endommagement qui intègre une dégradation de la rigidité, un adoucissement du comportement du matériau, des effets de taille et d’unilatéralité, mettant en avant un comportement différent à la rupture en contact avec et sans frottement. L’information sur les micro-fissures est contenue dans les coefficients homogénéisés et dans la loi d’évolution de l’endommagement. Les coefficients homogénéisés décrivent la réponse globale en présence de micro-fissures (éventuellement statiques), tels qu’ils sont calculées avec la(quasi-) solution microscopique statique. La loi d’endommagement contient l’information sur l’évolution des micro-fissures, résultant de l’équilibre énergétique dans le temps pendant la propagation microscopique.La loi homogénéisée est formulée en incrément de contrainte. Les coefficients homogénéisés sont calculées numériquement pour des longueurs de fissures et des orientations différentes. Cela permet la construction complète des lois macroscopiques. Une première analyse concerne le comportement local macroscopique, pour des trajets de chargement complexes, afin de comprendre le comportement prédit par le modèle à deux échelles et l’influence des paramètres micro structuraux, comme par exemple le coefficient de frottement. Ensuite, la mise en œuvre en éléments finis des équations macroscopiques est effectuée et des simulations pour différents essais de compression sont réalisées. Les résultats des simulations numériques sont comparés avec les résultats expérimentaux obtenus en utilisant un nouvel appareil triaxial récemment mis au point au Laboratoire 3SR à Grenoble (France). / In continuum damage models, the degradation of the elastic moduli, as the results of microscopic crackgrowth, is represented through damage variables. The evolution of damage variable is generally postulatedbased on the results of the experimental observations. Many such phenomenological damage modelshave been proposed in the literature. The purpose of this contribution is to develop a new procedurein order to obtain macroscopic damage evolution laws, in which the damage evolution is completelydeduced from micro-structural analysis. We use homogenization based on two-scale asymptotic developmentsto describe the overall behaviour starting from explicit description of elementary volumes withmicro-cracks. We consider quasi-brittle (time independent) and sub-critical (time dependent) criteria formicro-cracks propagation. Additionally, frictional contact is assumed on the crack faces. An appropriatemicro-mechanical energy analysis is proposed, leading to a damage evolution law that incorporates stiffnessdegradation, material softening, size effect, and unilaterality, different fracture behaviour in contactwithout and with friction. The information about micro-cracks is contained in the homogenized coefficientsand in the damage evolution law. The homogenized coefficients describe the overall response inthe presence of (possibly static) micro-cracks, as they are computed with the (quasi-) static microscopicsolution. The damage law contains the information about the evolution of micro-cracks, as a result ofthe energy balance in time during the microscopic propagation. The homogenized law is obtained in therate form. Effective coefficients are numerically computed for different crack lengths and orientations.This allows for the complete construction of the macroscopic laws. A first analysis concerns the localmacroscopic behaviour, for complex loading paths, in order to understand the behaviour predicted bythe two-scale model and the influence of micro structural parameters, like for example friction coefficient.Next, the FEM implementation of the macroscopic equations is performed and simulations for variouscompression tests are conducted. The results of the numerical simulations are compared with the experimentalresults obtained using a new true-triaxial apparatus recently developed at the Laboratory 3SRin Grenoble (France).

Ce travail de thèse a pour objet l’étude du comportement hydromécanique endommageable des géomateriaux non saturés. Plus précisément, cette recherche est appliquée à l’étude du comportement de galeries de stockage de déchets radioactifs en formation géologique profonde. Dans un premier temps, après avoir résumé les principaux traits du comportement hydromécanique des géomateriaux, en insistant sur l’effet de la succion et de l’endommagement mécanique, un nouveau modèle PPE-NS couplant les aspects hydromécaniques, de plasticité et d’endommagement isotrope est présenté. Etabli dans le cadre de la thermodynamique des milieux poreux, il est basé sur le concept de contrainte effective plastique et de la pression interstitielle équivalente. Supposant une distribution bimodale de tailles des pores pour les milieux poreux endommagés, l'effet d'endommagement sur le comportement hydraulique est modélisé au moyen des fonctions phénoménologiques. L’endommagement intervient donc aussi bien sur le comportement mécanique qu'hydraulique dans ce modèle. La prise en compte des contributions à l’énergie des interfaces venant à la fois de l'interaction mécanique entre les phases solide et fluide (via la pression équivalente) et du mécanisme physico-chimique de rétention d'eau (via la fonction de rétention d’eau) permet à ce modèle de décrire de façon pertinente le couplage bilatéral entre elles. Dans un deuxième temps, ce modèle rhéologique est appliqué au comportement de l’argillité du Callovo-Oxfordian, qui est potentiellement la roche hôte du stockage de déchets nucléaires en France, afin d’étudier les évolutions hydromécaniques d’une galerie type selon son cycle de vie simplifié. Tout d’abord, ce modèle est validé par des essais mécaniques et hydrauliques au laboratoire, en considérant des échantillons « homogènes ». Ensuite, l’approche analytique est utilisée pour constituer une solution exacte de référence de ce problème dans un cas limite d’une roche hôte poro-viscoplastique saturée. Cette solution permet de mieux comprendre l’effet du fluage sur le comportement de la galerie et aussi de tester la fiabilité d’autres solutions numériques complexes développées par la suite. Enfin, l’approche numérique des éléments finis est mise en œuvre afin d'implémenter le nouveau modèle PPE-NS dans un code de calcul initialement développé au LGCB (Laboratoire Génie Civil et Bâtiment). Sa validité est partiellement vérifiée en considérant le comportement « limite » en photoélasticité d'une galerie non revêtue ou des solutions quasi-analytiques ont été développées. Des études paramétriques dans le cas général d'un tunnel revêtu montrent la cohérence du modèle et mettent en lumière l’influence de la désaturation sur le comportement de la galerie. / This thesis aims to study the damageable hydromechanical behavior of unsaturated geomaterials. More precisely, the research is applied to study the behavior of underground galleries of radioactive waste disposals in deep geological formations. Firstly, after summarizing the main features of the hydro-mechanical behavior of geomaterials, emphasizing the effect of suction and damage, a new model PPE-N coupling hydromechanical interactions with plasticity and isotropic damage is presented. Established in the framework of thermodynamics of porous media, it is based on the concept of the so called plastic effective stress and equivalent pore pressure. Assuming a bimodal pore size distribution for cracked porous media and using the concept of bundle cylindrical capillaries, damage effects on hydraulic behaviour (water retention curve and hydraulic conductivity) is modelled using phenomenological functions. The accountance of the contributions to the interfacial energy from the mechanical internations between solid and fluid phases (via theequivalent pore pressure) as well as the physico-chemical mechanism of water retention (via the water retention function) enables this model to describe in apertinent manner bilateral couplings between them.Secondly, this constitutive model is applied to Callovo- Oxfordian argillite, which is the potential host rock for the French nuclear waste disposal, and then to study the evolution of the hydromechanical responses of an underground gallery according to its simplified life cycle. The model is first validated against a range of mechanical and hydraulic laboratory tests, considering "homogeneous" samples. The analytical approach is then used to provide an exact reference solution of this problem in the limiting case of a saturated poro-viscoplastic host rock. This solution allows to better understand the effect of creep on the behavior of the gallery and also to test the precision of other complex numerical solutions . Finally, the numerical approach using finite elemnts is used to implement the new model EPP-NS in a computer code originally developed in LGCB (Laboratoire Genie Civil et Batiment). Its validity is partly checked by examining the poroelastic behavior of an unlined tunnel where quasi-analytical solutions have been developed. Parametric studies in the generalcase of a lined tunnel demonstrate the consistency of the model and highlight the influence of desaturation on the behavior of the gallery.

A l’heure actuelle, des sédiments fluviaux et lacustres se trouvent pollués par les polychlorobiphényles (PCB), à des degrés de gravité divers. Les PCB se présentent comme des micropolluants persistants dans l’environnement et nuisibles à la santé. Un programme de recherche « PCB-Axelera » est conduit afin de pencher sur cette problématique et explorer les solutions de diminution de cette pollution. En France, l'ensemble des arrêtés préfectoraux (30/10/2002 et 14/06/2000) et le décret du 18/04/2002 considèrent les sédiments pollués comme déchets et autorisent leur stockage dans les installations de stockage de déchets si leurs teneurs en PCB sont comprises entre 0,68 ppm et 50 ppm. L’objectif principal de cette étude est de concevoir une méthodologie adaptée pour une installation de déchets non-dangereux ISDND. Les géomatériaux dans ce stockage seront utilisés comme barrière d’étanchéité pour les sédiments pollués. L’étude est composée de trois parties : Dans la première partie la caractérisation hydromécanique chimique des sédiments pollués par les PCB est présentée. La classification des sédiments est effectuée. Le comportement mécanique du sédiment est déterminé à l’aide de l’œdomètre. Quant au comportement hydromécanique il est étudié à l’aide du filtre presse et du perméamètre à paroi rigide (PPR). Cette caractérisation est indispensable pour proposer la meilleure mise en œuvre des sédiments dans le centre de stockage. Dans la deuxième partie, les performances hydraulique (perméabilité) et mécanique (gonflement) des différents géomatériaux en contact avec un fluide extrait du sédiment et d’autres fluides synthétiques contenant des PCB sont explorées. L’étude du gonflement des géomatériaux est réalisée à l’échelle du laboratoire tandis que, l’étude de sa performance hydrique est réalisée sur deux échelles centimétrique et métrique. L’étude menée sur un pilote de 1,2 m3 de volume comprenant un système de pluviation automatique a permis de suivre les tassements à l’aide d’un capteur ultrason et de mesurer la perméabilité des sédiments et des géomatériaux sous conditions réelles de stockage. Dans la troisième partie, un modèle hydraulique 1D est développé afin de suivre le front d’eau au sein d’un échantillon de sédiment soumis à une charge hydraulique représentant l’expérimentation dans un PPR. La méthode VER est utilisée. Les résultats expérimentaux montrent que le degré de contamination en PCB de ces sédiments n’influence pas le comportement hydromécanique et donc la qualité d’étanchéité des géomatériaux étudiés. Les résultats numériques de simulation du comportement hydraulique du sédiment sont en concordance avec les résultats expérimentaux. La solution de stockage hors site des sédiments pollués est alors envisageable puisqu’elle confine la pollution en éliminant le risque de contamination du milieu environnant. / Currently, river and lake sediments are contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs), to varying degrees of severity. PCBs are persistent micropollutants in the environment and harmful to health. A research program "PCB-Axelera" is conducted to address this issue and explore solutions to eliminate or decrease the pollution. In France, all prefectural orders (30/10/2002 and 14/06/2000) and the Decree of 18/04/2002 considered contaminated sediments as waste and allow their landfilling in waste storage facility if their PCB concentrations are between 0.68 ppm and 50 ppm. The main objective of this study is to develop a methodology suitable for installation of non-hazardous waste landfill sites. Geomaterials in this storage will be used as a barrier for confinement of contaminated sediment. The study consists of three parts: 1. In the first part, hydro-chemical characterization of sediments contaminated with PCBs is presented. The sediment classification is performed. The mechanical behavior of the sediment is determined using oedometer tests. As for the hydro-mechanical behavior, it is studied using the filter press and the rigid wall permeameter (PPR). This characterization is essential to provide the best implementation of sediment in the storage center. 2. In the second part, the hydraulic performance (permeability) and mechanical (swelling) of various geomaterials in contact with a fluid extracted from the sediment and other synthetic fluids containing PCBs are being explored. The study of swelling of geomaterials is performed on a laboratory scale while studying its water performance was achieved on two centimetric and metric scales. The pilot scale study was conducted on a 1.2 m3 volume tank. The pilot test was equipped with an automatic rain system and an ultrasonic sensor to measure to measure the follow the settlements of the sediment. The permeability of sediments and geomaterials were measured using the pilot test under actual storage conditions . 3. In the third part, a 1D hydraulic model is developed to follow the waterfront in a sediment sample subjected to a hydraulic load representing a PPR experiment. The VER method is used. A water model of the sediment is proposed to reproduce the experimental results. The water retention curve of the sediment is calculated using Durner’s model (1994). The experimental results show that the degree of PCB contamination of the sediments does not affect the hydro-mechanical behavior and therefore the hydro-mechanical performance of the studied geomaterials studied. Numerical simulation results of the hydraulic behavior of sediment are consistent with the experimental results. The solution of landfilling the PCB contaminated sediment is possible since it assure the confinement of the pollution and eliminates the risk of environmental contamination.