Au cours des dernières décennies, les retours d'expérience de tunnels ont mis en évidence de nombreux dommages causés par le phénomène de gonflement. Ce phénomène, qui concerne des formations variées très répandues dans les ères géologiques (terrains argileux ou anhydrite), est susceptible d'affecter un certain nombre de tunnels futurs. Cette thèse envisage de mettre au point une méthodologie de calcul des revêtements de tunnels en terrain gonflant.<br /><br />En s'inspirant des retours d'expérience et des méthodes existantes, une loi de comportement élastoplastique a été établie pour simuler le développement de gonflement apparaissant dans le massif du fait d'un changement d'état de contraintes et d'une arrivée d'eau. La loi de gonflement supposée élastique et tridimensionnelle relie le logarithme de la contrainte à la déformation, en tenant compte d'une éventuelle anisotropie de gonflement associée à la stratification du terrain.<br /><br />Après avoir été implanté dans le code par éléments finis CESAR-LCPC, ce modèle de gonflement a été validé à deux niveaux : d'une part, sur un échantillon de matériau gonflant soumis à un essai de gonflement et, d'autre part, sur un ouvrage instrumenté directement concerné par le phénomène de gonflement.<br />Des essais de gonflement spécifiques permettent d'identifier les différents paramètres de gonflement. Les tentatives de calage de la loi de gonflement ont donné des résultats satisfaisants sur plusieurs matériaux gonflants différents.<br />La modélisation numérique du tube Nord du tunnel de Chamoise pour lequel les mesures in situ ont mis en évidence le développement du gonflement des marnes sous le radier, a montré une meilleure concordance du modèle de gonflement avec les mesures in situ que les calculs classiques ; en particulier, on a pu retrouver une asymétrie marquée du comportement du radier et obtenir des déplacements dans le massif plus proches de la réalité.

Cette thèse rapporte les résultats d'études expérimentales effectuées à l'?domètre avec imposition de succion par la méthode osmotique sur des matériaux gonflants compactés lâches et naturels denses. Plusieurs cycles de séchage/humidification ont été appliqués sur ces matériaux sous trois faibles charges mécaniques constantes. Pendant ces cycles, les éprouvettes manifestent un retrait cumulé pour le sol lâche et un gonflement cumulé pour le sol dense. Les résultats montrent que dans les deux cas, les déformations volumiques convergent vers un état d'équilibre où le sol présente un comportement réversible. A la fin des cycles de succion, un cycle de chargement/déchargement a été effectué sous les succions constantes. Les valeurs de la pression de préconsolidation p0(s), de l'indice de compression vierge lambda(s) et de l'indice de compression élastique lambda dépendent directement des chemins de contrainte suivis.<br>L'ensemble des résultats expérimentaux permet de déterminer les surfaces de charge : la limite de séparation de micro/macro (Lm/M) ; la surface de chargement-effondrement (LC) et la surface de comportement saturé (SCS). La succion limite entre la micro- et la macrostructure (Lm/M) dépend parfaitement de la structure interne et du diamètre qui délimite les deux familles de pores. L'évolution de la pression de préconsolidation en fonction de la succion imposée est présentée par la surface LC. Les courbes de compressibilité sous différentes succions convergent vers la courbe correspondant à l'état saturé sous de fortes contraintes appliquées. La pression à partir de laquelle, le sol continue son chemin sur la courbe du comportement normalement consolidé est appelée la pression de saturation (Psat). Plus la succion imposée est élevée, plus la charge nécessaire pour atteindre cette pression de saturation est importante. La surface SCS présente la variation de la pression de saturation en fonction de la succion imposée. Nous pouvons considérer que les surfaces de charge SCS et LC sont uniques pour les sols denses cependant elles se superposent à la fin des cycles de succion pour les sols lâches. Les cycles hydriques augmentent aussi la limite (Lm/M) entre la micro- et la macrostructure pour les deux sols.

Les sols gonflants compactés sont largement utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Après leur mise en place, ces matériaux risquent d'être soumis à des sollicitations hydriques et/ou mécaniques complexes qui peuvent entraîner de fortes modifications de leurs propriétés hydromécaniques susceptibles de mettre en cause leur fonctionnement initial. Il est donc important de prévoir le comportement hydromécanique de ces matériaux compte tenu des applications sensibles auxquelles ils sont destinés.<br />L'équipe de Barcelone a développé un code de calcul aux éléments finis (Code_Bright) pour l'analyse des problèmes couplés (THM) dans des géomatériaux, avec l'intégration du modèle élastoplastique (BBM) pour les sols non saturés non gonflants. Ce modèle est capable de décrire correctement le comportement hydromécanique des sols non saturés mais ne tient pas compte de quelques aspects particuliers observés sur des sols gonflants. Un deuxième modèle (BExM) a été alors proposé pour prendre en considération ces aspects. <br />L'objectif principal du travail présenté ici est : (i) d'implanter le modèle élastoplastique BExM pour les sols gonflants non saturés dans le code de calcul aux éléments finis Code_Bright ; (ii) de valider le modèle numérique à partir d'essais réalisés au laboratoire sur des sols gonflants ; et (iii) d'appliquer ce modèle aux simulations des problèmes pratiques. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle famille de procédures numériques adaptées au modèle BExM a été introduite dans le code. L'équation de la fonction de charge de ce modèle pour un état donné de contrainte déviatorique a été déterminée de manière à faciliter les calculs de ses dérivées. La validation numérique du modèle a été vérifiée par des simulations numériques d'essais œdométriques à succion contrôlée, réalisées sur trois sols gonflants différents. Les résultats des simulations numériques de ces essais ont montré les aptitudes du modèle numérique implanté à reproduire correctement les résultats expérimentaux. Enfin, le modèle a été appliqué à deux problèmes pratiques : le stockage de déchets radioactifs dans les couches géologiques profondes et l'effet du retrait-gonflement du sol sur une fondation superficielle. Les résultats obtenus ont montré la capacité du modèle implanté à modéliser des problèmes couplés hydromécaniques.

Les sols gonflants compactés sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Ces matériaux subissent d'importantes variations de volume en fonction de leur état hydrique, i.e. de leur succion. L'objectif principal du travail présenté ici est d'étudier l'influence de ce paramètre sur le comportement mécanique d'un matériau gonflant compacté dans la gamme des succions comprises entre 0 et 300 MPa. <br />Pour atteindre cet objectif, deux types d'œdomètre à succion contrôlée, soit par la méthode osmotique, soit par la technique des solutions salines saturées, ont été utilisés, les œdomètres à solutions salines ayant entièrement été développés pour ce travail.<br />Le support de l'étude est un matériau gonflant compacté. Les essais réalisés montrent en premier lieu que la pression de préconsolidation apparente atteint une valeur constante à partir de 38,5 MPa, dans le domaine des fortes succions. Par contre, la pente de compression plastique varie de manière non monotone en fonction de la succion appliquée. La variation de ces deux paramètres apparaît fortement liée à la structure initiale des éprouvettes. Par la suite, l'influence des sollicitations hydriques complexes a été étudiée, ce qui a permis de montrer que les résultats d'un essai sur un sol gonflant dépendent du chemin de contrainte hydrique même lorsqu'une humidification est réalisée en cours d'essai. L'interprétation de ces résultats dans le cadre des modèles de Barcelone a ensuite été proposée afin d'évaluer les possibilités de chacun des deux modèles existants. Le modèle de Barcelone pour sols gonflants nécessite, en outre, la réalisation d'essais comportant des cycles hydriques et au moins un essai à volume constant et à succion contrôlée.<br />En conclusion, ce travail a permis la mise en œuvre, le développement et la validation de deux dispositifs expérimentaux à succion contrôlée. Ceci a rendu possible la caractérisation du comportement hydromécanique d'un sol gonflant compacté en fonction de différentes sollicitations hydriques.

On désigne habituellement par retrait-gonflement des sols argileux les variations de volume qu’un massif d’argile peut subir sous l’effet des variations de la pression interstitielle négative (succion) de l’eau, lors d’une humidification ou d’un séchage. L’objectif de ce travail est de compléter les connaissances expérimentales sur le comportement hydromécanique des sols gonflants rencontrés dans les travaux de génie civil, de géotechnique et de géotechnique de l’environnement afin de mieux en tenir compte dans les modèles de calcul. De nombreux travaux ont montré l'intérêt de réaliser des essais œdométriques pour caractériser le potentiel et la cinétique de gonflement des sols. Ils ont révélé également l’influence de l’humidification ou du séchage sur le gonflement ou le retrait, avec des pertes ou des augmentations de rigidité des éprouvettes. En revanche, l’influence de plusieurs cycles de séchage/humidification sur le comportement mécanique n’a été que très rarement analysée. Cette thèse rapporte les résultats d’études expérimentales effectuées à l’œdomètre avec imposition de succion par la méthode osmotique sur des matériaux gonflants compactés lâches et naturels denses. Plusieurs cycles de séchage/humidification ont été appliqués sur ces matériaux sous trois faibles charges mécaniques constantes. Pendant ces cycles, les éprouvettes manifestent un retrait cumulé pour le sol lâche et un gonflement cumulé pour le sol dense. Les résultats montrent que dans les deux cas, les déformations volumiques convergent vers un état d’équilibre où le sol présente un comportement réversible. A la fin des cycles de succion, un cycle de chargement/déchargement a été effectué sous les succions constantes. Les valeurs de la pression de préconsolidation p0(s), de l’indice de compression vierge [lambda(s]] et de l’indice de compression élastique [kappa] dépendent directement des chemins de contrainte suivis. L’ensemble des résultats expérimentaux permet de déterminer les surfaces de charge : la limite de séparation de micro/macro (Lm/M) ; la surface de chargement-effondrement (LC : Loading Collapse du modèle BBM) et la surface de comportement saturé (SCS). La succion limite entre la micro- et la macrostructure (Lm/M) dépend parfaitement de la structure interne et du diamètre qui délimite les deux familles de pores. L’évolution de la pression de préconsolidation en fonction de la succion imposée est présentée par la surface LC. Les courbes de compressibilité sous différentes succions convergent vers la courbe correspondant à l’état saturé sous de fortes contraintes appliquées. La pression à partir de laquelle, le sol continue son chemin sur la courbe du comportement normalement consolidé est appelée la pression de saturation (Psat). Plus la succion imposée est élevée, plus la charge nécessaire pour atteindre cette pression de saturation est importante. La surface SCS présente la variation de la pression de saturation en fonction de la succion imposée. Nous pouvons considérer que les surfaces de charge SCS et LC sont uniques pour les sols denses cependant elles se superposent à la fin des cycles de succion pour les sols lâches. Les cycles hydriques augmentent aussi la limite (Lm/M) entre la micro- et la macrostructure pour les deux sols / We usually define the swelling-shrinkage of the swelling soils by the volume variation of a clayey layer exposed to the negative water pore pressure (suction) variations during the wetting and drying periods. In this research, we try to complete our experimental knowledge on the hydromechanical behaviour of the swelling soils used in civil engineering, geotechnical engineering and geoenvironmental engineering, to better modelize these soils in our numerical calculations. Several authors have used the oedometer tests to characterize the capacity and the process of the soil expansion. They have also studied the influence of the wetting and drying on the soil swelling or shrinkage which can decrease or increase the soil rigidity. However, the influence of several hydraulic cycles on the mechanical behaviour has been rarely studied. This thesis presents an experimental study performed on compacted loose and natural dense expansive soils using osmotic oedometers. Several successive cycles were applied under three different low constant vertical net stresses. The loose soil presents a significant shrinkage accumulation while the dense one produces the swelling accumulation during the suction cycles. The suction cycles induced an equilibrium stage which indicates an elastic behaviour of the samples. At the end of suction cycles, a loading/unloading test was performed at the constant suctions for both materials. The mechanical parameters, i.e. the virgin compression index [lambda(s)], the apparent preconsolidation stress p0(s) and the elastic compression index values [kappa] ?are completely dependent on the followed stress paths. The whole experimental results made it possible to define the yielding surfaces: suction limit between micro and macrostructure (Lm/M), loading collapse (LC) and saturation curve (SCS). The suction limit (Lm/M) depends completely to the soil fabrics and to the diameter separating the micro- and macrostructure. The preconsolidation stress variation with suction is represented by the LC surface. The compression curves at different imposed suctions converge towards the saturated state for the high applied vertical stresses. We consider the saturation pressure (Psat) as the necessary pressure to reach the saturated state for an imposed suction. The higher the suction, the higher the saturation pressure. The yielding surface representing this pressure as a function of suction is called the saturation curve (SCS). Generally we can state that the suction cycles unified the LC and SC surfaces and increased the (Lm/M) up to a higher value

Les maisons individuelles reposant sur une formation argileuse considérée à moyen risque vis-à-vis des phénomènes de réhydratation et dessiccation des sols argileux, ont été particulièrement touchées par les tassements différentiels provoqués par le phénomène depuis les sécheresses de 2003 et 2005 en Gironde (33). Une première partie de la thèse a été de mener une étude sur le comportement gonflant et rétractant de la formation argileuse de Brach d’âge Plio-quaternaire, responsable de centaines de sinistres sur habitations à l’échelle d’un quartier puis à celle de la parcelle, à l’aide des paramètres géotechniques et mécaniques. Elle a mis en évidence l’hétérogénéité des faciès argileux et l’influence des passées sableuses à l’échelle de la formation argileuse. L’autre intérêt de ce travail est la compréhension des mécanismes et des cinétiques d’hydratation et de dessiccation des sols argileux jusqu’à 3 m de profondeur, sur un cycle annuel. L’étude est basée sur une méthode associant les données géophysiques aux valeurs des paramètres géotechniques obtenus in situ et en laboratoire. Ce couplage repose sur une instrumentation géotechnique et géophysique continue sur un site expérimental de la commune de Pessac (Gironde). L’intérêt de cette instrumentation est d’établir des corrélations entre les sollicitations mécaniques enregistrées par le sol (déplacements verticaux) en fonction de l’évolution de la teneur en eau volumique des sols jusqu’à 3 m de profondeur, reliée aux variations de résistivités électriques. Les travaux présentent les premiers résultats comparés entre les données géotechniques et les données géophysiques issues d’un dispositif de tomographie de résistivité électrique installé à demeure, aboutissant à l’obtention de gammes de résistivité électriques variables corrélées aux faciès rencontrés et à la teneur en eau des sols. / Homes built on sensitive clayey soils, considered as medium risk, are showing cracks evidencing differential movements occurring in their foundations after drought periods of 2003 and 2005. To address this problem in a first part of the thesis, the swell-shrinkage behaviour has been investigated specifically to the Plio-quaternary clayey formation of Brach, both at the scale of a district and a small land. The results reveal the variability of the clay behaviour when sandy lenses occurred inside the formation. The present work aims to assess geotechnical and compressibility parameters to analyse the variability of the swelling-shrinkage parameters inside a same clayey formation. The aim of a second part of this study is to identify the seasonal soil moisture variations occurring between wet period and dry summer down to 3 meter depth, using a new method integrating geophysical and geotechnical data obtained in situ and in laboratory. This research is based on the setting of an experimental site on Pessac town (Gironde) in order to monitor clayey behavior, to establish correlations between geotechnical properties, water content variations and electrical resistivity on soils over time and every month. The purpose is to survey and evaluate kinetics of soil water content evolution, temperature and vertical displacements down to 3 m depth. This work presents the first results which compare geotechnical, volumetric and electrical resistivity data by combining the field and laboratory measurements.

Les systèmes de culture en Protection Intégrée de Cultures contre les adventices (systèmes PIC-adventices) sont d’un grand intérêt pour réduire significativement l’utilisation des herbicides en les substituant par une combinaison complexe de différentes techniques culturales. L’objectif principal de notre travail a été de contribuer au volet environnemental de l’évaluation multicritère des systèmes PIC-adventices mis en place depuis 2000 sur le domaine expérimental de l’INRA à Bretenière (21). La variabilité des propriétés physiques et hydrodynamiques qui interviennent dans le transfert de l’eau dans le sol a été étudiée dans les 5 systèmes de culture présents sur le site (1 système de référence et 4 systèmes PIC-adventices). Le premier volet du travail a consisté à étudier la rétention de l’eau dans la couche du sol travaillée dans les 5 systèmes de culture. La rétention de l’eau a été comparée dans des échantillons de sol dont la structure a été soit « conservée », soit « remaniée » afin d’identifier la part de la variabilité liée aux caractéristiques physiques intrinsèques du sol de celle induite par les pratiques culturales. Les résultats ont montré que le sol du système de culture avec suppression totale des herbicides, associant une teneur élevée en argile, une teneur moyenne en C organique et un travail superficiel intensif, présentait les valeurs les plus élevées de rétention de l’eau dans la couche de sol travaillée. Le second volet a porté sur l’étude de la variabilité de la conductivité hydraulique proche de la saturation, K(h), aux échelles de l’année culturale et du profil du sol. Pour cette étude, 3 systèmes PIC-adventices (système de culture en semis direct et systèmes de culture avec travail du sol modéré à intensif) ont été caractérisés pendant 2 ou 3 années culturales consécutives, en considérant 3 profondeurs de sol incluant la couche du sol travaillée et l’horizon sous-jacent. Les résultats n’ont montré aucune variabilité de K(h) à l’échelle verticale. Par contre, ils ont mis en évidence les effets à long terme des systèmes PIC-adventices sur les valeurs de K(h). Enfin, le dernier volet a étudié la dynamique de l’eau dans le sol de 2 systèmes PIC-adventices contrastés (système avec conduite du sol en semis direct et système sans herbicide avec travail du sol intensif) en suivant une approche d’hydraulique agricole et par le biais de la caractérisation in situ du potentiel matriciel de l’eau dans le sol et de la mesure des quantités d’eau collectée au moyen de lysimètres à mèche. L’approche utilisée a permis la description de la dynamique de l’eau du sol pendant la période de drainage, la validation du fonctionnement des lysimètres à mèche et le calcul de la surface de sol équivalente qui contribuait au transfert de l’eau dans ces dispositifs. Ces premiers résultats prometteurs nécessiteront néanmoins d’être validés au cours de prochaines campagnes de mesure. L’ensemble des résultats recueillis constituent une première évaluation du fonctionnement physique et hydrodynamique du sol des systèmes PIC-adventices présents sur le dispositif expérimental. La base de données constituée permettra ultérieurement la poursuite du travail engagé en modélisant le transfert de l’eau, de solutés, de pesticides ou d’autres polluants dans le sol de ces systèmes PIC-adventices. / Integrated weed management (IWM)-based cropping systems are of great interest due to their significant reduction of herbicide inputs by using a complex combination of agricultural techniques. The main objective of our work was to contribute to the environmental dimension of the multi-criteria evaluation of IWM-based cropping systems which were set up since 2000 on the experimental domain of the National Institute for Agronomical Research (INRA) to Bretenière (France). The variability of physical and hydrodynamic soil properties involved in the transfer of water through the vadose zone was studied for the 5 cropping systems present on the experimental site (1 reference cropping system and 4 IWM-based cropping systems). The first section of our study consisted in studying the water retention of the tilled soil layers for the 5 cropping systems. Water retention values were compared between undisturbed and repacked soil samples in order to distinguish the part of the variability due to the intrinsic soil properties from the one induced by the agricultural practices. Our results show that the soil from cropping system without any herbicides, associating high clay content, average organic C content and intensive superficial tillage, may increase soil water retention in the tilled soil layer. The second section carried on the study of the annual and vertical variability of the near-saturated hydraulic conductivity, K(h). For this study, 3 IWM-based cropping systems (no-tilled cropping system and moderate to intensive tilled cropping systems) were characterized during 2 or 3 consecutive years and considering 3 depths including the soil tilled layer and the underlying no-tilled layer. The results showed no vertical variability of K(h). However, they highlighted the long-term effect of IWM-based cropping systems on K(h). Finally, the third section studied the soil water dynamics of 2 contrasted IWM-based cropping systems (no-tilled and zero herbicide cropping systems with intensive tillage) by using ,a hydraulic agricultural approach and by the means of the in situ characterization of soil matric potential and the measure of the amounts of water collected with wick lysimeters. This approach allowed the description of the water dynamics during the drainage season, the validation of the wick lysimeters functioning and the calculation of the surface contributing to water flows collected by the wick lysimeters. These promising results will need to be validated during forthcoming campaigns of measurement. All data collected provided constitute a first evaluation of the soil physical and hydraulic functioning of IWM-based cropping systems present on the experimental site. The established database will allow later the pursuit of work by modeling the water transfer and the transport of solutes, pesticides or other pollutants through the vadose zone of these IWM-based cropping systems.