L’objectif de ce travail est d’étudier l’effet des fissures de dessiccation sur le comportement thermo-hydro-mécanique des sols argileux sensibles au phénomène de retrait. Ce travail inclut une étude expérimentale caractérisant l’influence des fissures sur le séchage des sols fins ainsi qu’une étude numérique comprenant une modélisation du processus dans le but de présenter l’impact des fissures sur le comportement thermo-hydrique d’un milieu argileux non saturé. L’étude expérimentale comprend des expériences de séchage réalisée en laboratoire sur des échantillons de sol intacts et fissurés où l’évolution de la teneur en eau a été suivie. Les processus liés la formation de nouvelles fissures ainsi qu’à la propagation des fissures sont aussi discutés.Une modélisation numérique du processus de fissuration des sols fins est ensuite présentée. Dans cette étude, une analyse détaillée de l’influence des fissures sur l’interaction sol-atmosphère est présentée. Un modèle numérique bidimensionnel de l’interaction sol- atmosphère tenant compte de la présence des fissures a été développé. Ce modèle prend en compte le couplage thermo-hydrique d’un milieu argileux non saturé. Dans cette étude, on a montré l’impact des fissures sur le développement de la succion, sur la variation de la teneur en eau ainsi que sur la valeur d’entrée de l’air. L’influence des fissures sur l’évolution du tassement du sol est également présentée. Cette étude propose aussi une approche simple pour la prise en compte des fissures dans l’interaction sol-atmosphère.Dans la dernière partie de ce travail, l’influence des fissures sur le comportement mécanique des sols fins est présentée et discutée. / The objective of this work is to study the effect of desiccation cracks on the thermo-hydro-mechanical behavior of clayey soils.The study includes an experimental study to characterize the influence of cracks on the drying process of clay samples and a numerical study in order to present the impact of cracks on the soil-atmosphere interaction.In the first phase of this study, an experimental work performed in the laboratory to characterize the influence of cracks on drying soil was conducted. Drying tests were conducted on samples of intact and cracked soil where the evolution of the water content and cracking due to drying were monitored. In the second phase of this study, the influence of cracks on the thermo-hydro-mechanical behaviour of clayey soil is presented. A two-dimensional numerical model of soil-atmosphere interaction has been developed considering the presence of cracks. The model takes into account the thermo- fluid coupling of an unsaturated clay soil.The model is used to simulate the evolution of evaporation during the drying process. It shows the impact of cracks on the suction development and water content evolution as well as the air entry value. This study also proposes a simple approach to the consideration of cracks in the soil-atmosphere interaction. In the last part of this work, the influence of cracks on the mechanical behaviour of fine soils is presented and discussed.

Un des points les plus importants en génie civil concerne la durabilité des structures. Au cours de sa vie, une structure est confrontée à différentes situations environnementales, tels que différentes humidités relatives. Il est donc crucial de caractériser le comportement des matériaux tels que le retrait par rapport à ces changements. Certaines informations sont nécessaires afin de pouvoir prédire cela. Une des principales informations est l’isotherme de sorption-désorption. Obtenir l’isotherme expérimentalement est considéré comme une expérience coûteuse en temps. C’est pour cette raison que la modélisation numérique de l’isotherme porte un grand intérêt. Une hystérésis est également perceptible entre les courbes de sorption et de désorption. Ce phénomène est lié à la structure du réseau poreux et la présence des petits pores se trouvant enfermés derrière les grands pores (des pores de bouteille d’encre).Dans cette thèse, afin de modéliser un milieu poreux, une morphologie numérique de la géométrie du milieu poreux a été présentée par l’intermédiaire d’une excursion de champs aléatoires. Les paramètres du champ aléatoire sont basés sur les valeurs expérimentales. L’avantage de cette étude est de modéliser le réseau poreux sans aucune hypothèse sur la forme des pores. Une fois que les milieux poreux ont été reproduits, l’analyse morphologique doit être effectuée afin de modéliser les transferts d’eau. À la suite de la simulation de l’isotherme de sorption-désorption, la deuxième étape consiste à évaluer les déformations induites par la dessication et de trouver une estimation du retrait de dessiccation. / One of the most important issues in civil engineering about structures is their durability. A structure during his lifetime faces different environmental situations, like different relative humidities. Thus, it is crucial to characterize materials behavior like the shrinkage against these changes. Some information are needed to predict it. One of the principal information is the sorption-desorption isotherm. Obtaining isotherm experimentally is considered as a substantially time-consuming experience. Therefore, it is of interest to model the isotherm from a numerical point of view. A hysteresis is also noticeable between the curves of sorption and desorption. This phenomenon is related to the structure of the porous network and the presence of ink-bottle pores.In the present work, in order to model a porous media, a numerical morphology of the geometry of the porous media has been presented by means of a Random Field excursion. Random Field parameters are defined based on experimental values. The advantage of this study is to model the porous network without any assumption on the shape of pores. Once the porous media has been reproduced, the morphological analysis must be done in order to model water transfers. Following the simulation of sorption-desorption isotherm, the second step is to evaluate strains induced due to desiccation and to find an estimation of drying shrinkage.

Dans les dernières années, les incendies majeurs dans les tunnels ont causé des dommages importants. Dans ces conditions extrêmes (la température dépasse rapidement 1200 °C), l'augmentation de pression dans les pores, la dilatation thermique empêchée, l'incompatibilité de dilatation thermique entre la pâte du ciment et des granulats, la déshydratation ... sont des principaux mécanismes de dégradation qui peuvent être à l'origine de l'écaillage. L'écaillage progressif pendant l'incendie se manifeste par le détachement de la surface du béton par petits morceaux réduisant ainsi la section résistante et pouvant conduire à une rupture prématurée de la structure. Dans cette thèse, un modèle éléments finis THM est enrichi par un modèle d'écaillage progressif en proposant un critère d'écaillage de type détachement-flambement. La partie thermo-hydrique du modèle THM est basée sur l'approche à trois fluides en milieux partiellement saturés. Le comportement mécanique est développé dans le cadre d'une approche thermo-poro-mécanique couplée à l'endommagement et à la plasticité adoucissante. Cette modélisation de l'écaillage conduit à un problème avec frontière et conditions aux limites évolutives. Une stratégie de résolution numérique sans remaillage a été développée pour transférer les conditions aux limites THM simultanément avec l'occurrence de l'écaillage. L'implémentation du modèle dans le code aux éléments finis CESAR-LCPC a permis de procéder à différentes études paramétriques et à des confrontations avec des essais pour évaluer les capacités opérationnelles du modèle à décrire l'occurrence de l'écaillage et identifier les paramètres majeurs qui la contrôlent

Les résultats de cette recherche concernent trois volets :<br />Le volet théorique (partie I) présente une modélisation générale du comportement thermo-hydro-mécanique de sols non saturés. Le modèle prend en compte la déformation du squelette, la filtration des phases liquide et gazeuse, la diffusion de vapeur, la conduction de chaleur et le changement de phase liquide-vapeur. Cette modélisation est utilisée pour décrire le transport d'eau dans un sol non saturé en favorisant les phénomènes de filtration de liquide, de diffusion de vapeur d'eau et de changement de phase d'eau liquide-vapeur. <br />Le volet instrumental (partie II) porte sur la réalisation d'un banc de sorption et d'un dispositif de type plaque de pression en température. Ces matériels permettent de réaliser des essais de désaturation et de déterminer la courbe caractéristique sol-eau. Un autre aspect concerne la rénovation d'un appareil triaxial thermique en le dotant d'une instrumentation plus adaptée à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique de sols non saturés.<br />Le volet expérimental est double. Le premier aspect (partie III), relatif à l'étude de la désaturation et à la détermination de la courbe caractéristique d'une argile plastique et d'un sable limoneux argileux à 20°C et 60°C, porte sur la détermination d'un coefficient de transport en phase liquide. Le second aspect (partie IV) s'intéresse à la représentation de surfaces de charge dans le cas du sable limoneux argileux non saturé à différentes températures. Cette surface de charge présente un caractère thermo-extensif dont on propose une modélisation et une interprétation physique.

Le travail présenté dans ce document consiste à la réalisation d’outils et de méthodes numériques pour modéliser l’influence de la microstructure des shales à la fois sur les propriétés macroscopiques ainsi que sur le processus de fissuration. La première partie du document est dédiée à la description d’un modèle Éléments Finis 3D (E-FEM) développé pour représenter la microstructure ainsi que la fissuration. Ce modèle fait parti des méthodes à discontinuités. Deux critères de fissuration sont décrits, un en mode I (critère de Rankine) et un second en mode II (critère de Mohr-Coulomb). Ces critères seront utilisés pour caractériser l’influence de la microstructure des shales sur les propriétés macroscopiques à l’aide d’essai de compression triaxiale. Plus particulièrement l’impact de la présence de kérogène dans la roche de schiste sera étudié. La seconde partie présente une méthode de décomposition de domaine (la méthode de mortier) utilisée pour réduire les temps de calcul. Cette méthode a pour avantage de permettre l’utilisation de maillage non conforme, ainsi un raffinement local du maillage est possible. Cette méthode a été intégrée à un code de calcul utilisant la programmation orientée composant et plus particulièrement à l’aide du middleware CTL. Le code de calcul permet de résoudre des problèmes linéaires et non linéaires en utilisant le modèle E-FEM. La dernière partie concerne l'étude de l'influence de la minéralogie sur le processus de fissuration à l'aide du code de calcul parallélisé. Un modèle de couplage hydro-mécanique est ensuite développé et appliqué au calcul de fissuration pour mesurer l'impact de la fissuration sur la perméabilité des shales. / This research study aims at developing tools and numerical methods to model the influence of the microstructure of shales on macroscopic properties and cracking process. The first part of the document is dedicated to the description of a 3D Finite Elements model (E-FEM) developed to represent the microstructure and cracking phenomena. This model is part of the methods with discontinuities. Two cracking criteria are described, a mode I criteria (Rankine) and a mode II criteria (Mohr-Coulomb). These criteria will be used to characterize the influence of the microstructure of shales on the macroscopics properties in triaxial compression testing. More particularly, the impact of the presence of kerogen in the shale rock is considered. The second part presents a domain decomposition method (mortar method) used to reduce computation time. This method has the advantage of allowing the use of non-conforming mesh, so a local mesh refinement is possible. This method has been integrated into a computing code using the component-oriented programming and more specifically the CTL middleware. The computing code solves both linear and nonlinear problems using the E-FEM model. The last part concerns the study of the influence of mineralogy on the cracking process using the parallelized calculation code. A hydro-mechanical coupling model is then developed and applied to the calculation of crack to measure the impact of cracking on the shales permeability.

L'étude de sûreté d'un stockage souterrain de déchets radioactifs passe, du point de vue de la géomécanique, par la caractérisation de la zone endommagée induite par le creusement du puits d'accès aux cavités de stockage. L'objet de cette thèse est donc de simuler la réponse hydro-mécanique des argilites de l'Est au creusement du puits d'accès au laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne, en vue d'une comparaison avec les mesures qui seront acquise in situ en 2005 (expérimentation REP).<br/> Nous avons d'abord analysé l'ensemble des essais mécaniques qui ont été réalisés entre 1995 et 2001. Nous observons que chaque série d'essais a sa propre cohérence, que ce soit en termes de paramètres élastiques, de résistance à la rupture ou de capacité au fluage. Mais il existe de fortes différences entre les séries. Ces différences, qui sont dues au protocoles expérimentaux et non au matériau, nous ont permis de mettre en évidence trois résultats importants : les phases de resaturation imposées par plusieurs laboratoires ont dégradé les propriétés mécaniques des argilites de l'Est, l'existence d'une contrainte effective au sens de Biot n'est pas évidente pour ces argilites, et leur résistance à la rupture augmente nettement avec le séchage.<br/>D'après ces essais, nous avons distingué trois mécanismes de déformation irréversible : compaction, pré-rupture, rupture. Nous les avons décrits chacun par une loi de comportement élasto-plastique simple, fondée sur le critère de Mohr-Coulomb ou de Drücker-Prager, avec un écrouissage linéaire. On obtient alors une loi de comportement complète pour les argilites de l'Est en considérant les trois mécanismes simultanément (plasticité multi-critère).<br/>Enfin, les différentes modélisations que nous avons réalisées permettent de tirer les conclusions suivantes :la prise en compte des déformations irréversibles avant-rupture (compaction et pré-rupture) a pour effet de réduire considérablement l'extension de la zone en rupture qui apparaît autour du puits (par rapport au cas où le comportement est élastique jusqu'à la rupture) ; la diffusion des pressions interstitielles modifie peu la réponse mécanique du massif (en particulier, les déformations plastiques créées lors du déchargement mécanique n'évoluent pas au cours du drainage du massif) ; l'anisotropie des contraintes naturelles horizontales, dont par ailleurs nous confirmons l'existence, influence fortement la zone endommagée autour du puits (polarisation en azimut) ; enfin nous montrons qu'il n'est pas indispensable de simuler le détail des opérations de creusement du puits.

Le béton est un des matériaux les plus utilisés pour la réalisation de bâtiments et ouvrages de génie civil. En situation d'incendie, le béton peut présenter une instabilité thermique au-delà d'une certaine température. Les travaux de recherche dans le domaine permettent d'approfondir la connaissance du comportement du béton à haute température afin d'améliorer la sécurité des bâtiments et ouvrages.Le but de ce travail de recherche est d'étudier les transferts couplés de chaleur et de masse dans les bétons, en utilisant des éprouvettes de grandes dimensions. Cette étude porte sur un béton ordinaire (fc28= 37 MPa) et un béton à hautes performances (fc28=73 MPa). Des éprouvettes cylindriques de grandes dimensions (Ø60x60cm) sont confectionnées, conservées jusqu'à maturité du béton puis soumises à un cycle de chauffage-refroidissement de la température ambiante jusqu'à 600°C à une vitesse de chauffage de 0.1°C/min. Des mesures de température (en surface et à différentes profondeurs des éprouvettes), de pression et de perte de masse sont réalisées au cours du cycle de chauffage - refroidissement. Des mesures de propriétés physiques (masse volumique, perméabilité, conductivité thermique) sont aussi effectués sur des éprouvettes de petites dimensions (formes cylindrique Ø15x5 cm et prismatique 12x8x4 cm) à des températures de 80, 150, 300 et 450°C.Une analyse numérique est faite grâce à un modèle thermo-hydrique implanté dans le code CAST'3M afin de comparer les résultats expérimentaux et numériques.Cette étude a ainsi permis d'approfondir la connaissance des phénomènes couplés qui ont lieu au sein du béton lorsqu'il est porté à une température élevée et de mettre en évidence des résultats non observés sur des éprouvettes de petites dimensions.La comparaison des résultats expérimentaux et numériques a montré que le modèle numérique développé reproduit bien les transferts couplés de chaleur et de masse qui s'opèrent dans le béton lorsqu'il est chauffé de 20 à 600°C. / Concrete is one of the most materials used widely in the construction of buildings and civil engineering materials. In fire conditions, the concrete may exhibit thermal instability beyond a certain temperature. Researches in the field provide a deeper understanding of the behavior of concrete at high temperature in order to improve the safety of buildings and structures.The purpose of this research is to study the coupled heat and mass transfers in concrete, using large samples. This study focuses on an ordinary concrete (fc28 = 37 MPa) and a high-performance concrete (fc28 = 73 MPa). Cylindrical specimens large (Ø60x60cm) are fabricated, conserved until maturity of the concrete and then subjected to a cycle of heating and cooling from room temperature to 600°C at a heating rate of 0.1°C/min. Measurements of temperature (at surface and at various internal depths of the specimens), pressure and mass loss are carried out during heating-cooling. Measurements of physical properties (density, permeability, thermal conductivity) are also carried out on samples of small dimensions (cylindrical and prismatic shape: Ø15x5 cm and 12x8x4 cm) at temperatures of 80, 150, 300 and 450°C.A numerical analysis is carried out by a thermo-fluid model implanted in the code CAST'3M in order to compare the experimental and numerical results.This research has allowed to deepen the understanding of coupled phenomena which take place within the concrete when it is heated at a high temperature and to highlight results which were not observed on small samples.The results of experimental and numerical comparison showed that the numerical model developed reproduces the coupled heat and mass transfers occurring in the concrete when it is heated from 20 to 600°C.

ALa terre crue est l’un des principaux matériaux de construction utilisés depuis les temps les plus reculés. C’est un matériau abondant, qui nécessite très peu d'énergie pour sa fabrication et qui ne génère pas de déchets. Construire aujourd’hui avec des matériaux à base de terre crue nécessite de ces derniers des performances mécaniques remarquables. Pour atteindre ces performances, le traitement des sols aux liants est l’une des techniques utilisées pour améliorer la résistance mécanique et la durabilité de ces matériaux. On s’intéresse dans cette thèse à l’étude de la terre crue traitée aux liants pour deux applications différentes : un remblai expérimental pour une application en travaux publics (conception innovante de digue par l’utilisation de matériaux obtenus via un traitement à la chaux) et un béton de terre dénommé « Cématerre » pour une application en bâtiment (éléments structuraux et cloisons présentant de bonnes performances hygro-thermiques). Dans les deux cas, le but est de caractériser, et éventuellement d’améliorer, la résistance mécanique, la rigidité, les caractéristiques hydriques et hydrauliques, ainsi que les propriétés hygro-thermiques. Concernant le béton de terre « Cématerre », les études préliminaires menées selon un protocole expérimental établi conformément au cahier des charges du CSTB, ont permis sa qualification, matérialisée par l’obtention d’une ATEx A. La phase suivante a consisté à améliorer sa formulation avec comme objectif l’amélioration de la résistance mécanique du matériau. Les plans d’expériences utilisés ont permis d’établir des modèles de formulations ciblant les résistances mécaniques recherchées. L’étude du comportement hygro-thermique du béton de terre est abordé en analysant les transferts couplés de chaleur et d’humidité. Pour cela un certain nombre de paramètres hygro-thermiques du matériau Cématerre ont été déterminés au laboratoire. La mesure de ces paramètres a permis la réalisation de simulations hygro-thermiques dynamiques qui ont mis en évidence l’intérêt de ce matériau par rapport au béton « classique ». Concernant le limon traité à la chaux et compacté, les résultats ont montré que le module en petites déformations E augmente avec la contrainte de confinement et l’âge du matériau et décroit légèrement avec le niveau de déformation dans le domaine des contraintes testées. Une loi de type E = ßo1m décrit la variation du module, β et m étant des paramètres fonctions de l’âge et du niveau du déviateur. Par ailleurs, les coefficients de perméabilité saturée et non saturée n’évoluent pas avec le temps de cure. Le fluage volumique ne semble pas non plus être influencé par le temps de cure, autrement dit, l’augmentation de la rigidité du matériau liée au développement des réactions pouzollaniques n’a pas empêché le matériau de fluer autant à 28 jours qu’après un an de temps de cure. / AEarthen construction is one of the most common construction technique used since the earliest times. The raw material is abundant, requires very little energy to manufacture, and does not generate waste. Building today with raw materials made from the earth requires outstanding mechanical performance from such non-fired materials. To achieve this performance, the treatment of the soil with binders is one of the techniques used to improve the strength and durability of these materials. The aim of the present PhD dissertation is to study the treated soils with binders for two different applications: an experimental compacted embankment for application in public works ( a dam innovative design, through the use of materials obtained by treatment with lime ) and earthen concrete called " Cematerre " for application in building ( walls and structural elements with good hygrothermal performance). In both cases, the goal is to characterize and possibly improve the mechanical strength, stiffness, hydric and hydraulic characteristics and the hygrothermal properties. For the earthen concrete " Cematerre ", the preliminary studies according to an experimental protocol under CSTB specifications have led to the so-called “ATEx A” official qualification. The next phase was to improve the formulation with the aim of improving the mechanical strength of the material. The design of experiments has been used to establish models formulations targeting the sought strength. The study of hygrothermal behavior of earthen concrete is addressed by analyzing the coupled transfer phenomenon of heat and moisture. Hygrothermal parameters were determined in the laboratory. The measurement of these parameters has allowed the realization of dynamic thermal simulations that have highlighted the benefit of this material when compared with standard concrete. For silt treated with lime and compacted, the results showed that the small strain modulus E increases with the confining stress and the curing time and decreases slightly with the strain level in the range of stress tested. A power law E = ßo1m describes the variation of the modulus, β and m are functions of the curing time and the strain level. Moreover, the coefficients of saturated and unsaturated permeability do not change with the curing time. The volumetric creep does not appear to be influenced by the curing time, i.e. , the increase in stiffness due to the development of pozzolanic reactions did not prevent the material from creeping as much after 28 days as after a year of curing time.

Le comportement hydro-mécanique des roches argileuses indurées étudiées par l'ANDRA, pour la faisabilité de l'enfouissement des déchets radioactifs, est identifié expérimentalement à différentes échelles complémentaires dans le but de fournir des éléments pour l'élaboration future de modèles micromécaniques. La localisation spatiale et temporelle des déformations et de l'endommagement est analysée par des mesures de champs (corrélation d'images numériques) et par l'enregistrement d'émissions acoustiques. Les évolutions de la roche au cours des succions sont revisitées de par les apports des observations de la microstructure et des mesures locales de déformations associées aux évolutions de masse. Aux faibles humidités, la perte d'eau induit de la contraction avec refermeture des fissures existantes. Pour les fortes humidités, du gonflement est associé à de la prise d'eau. L'ouverture des fissures existantes et la création d'un nouveau réseau de fissures (de taille millimétrique et d'ouverture de la dizaine de micromètres) contribuent au gonflement apparent observé. Les caractéristiques mécaniques apparaissent dépendantes de la microstructure initiale de la roche (argilosité) et de la microstructure induite par les transferts hydriques (fissuration hydrique). Les états secs présentent des déformations réparties de façon homogène à l'échelle macroscopique et en lien avec la nature hétérogène des phases minérales à l'échelle locale. A cette échelle, la déformabilité est maximale pour les zones à prédominance argileuse. Pour les états humides, aussi bien globalement que localement, la distribution des déformations est hétérogène, dictée à la fois par la microstructure composite de la roche et par la présence du réseau de fissures hydriques.

Ce travail est consacré à la modélisation du comportement hydro-mécanique de milieux poreux linéaires et non linéaires par approche micromécanique. Les modèles développés sont illustrés par une application en géomécanique avec la simulation du comportement d'argiles compactées.<br />La modélisation proposée s'appuie sur une approche itérative d'homogénéisation couplée aux schémas prédictifs linéaires des modules effectifs. Le comportement d'un milieu linéaire est tout d'abord obtenu par homogénéisations successives de milieux poreux intermédiaires formés par ajouts progressifs de faibles porosités. A convergence, le processus itératif conduit à un même comportement équivalent du milieu poreux quelque soit la méthode d'homogénéisation utilisée à chaque étape et quelque soit le taux de porosité du milieu. Ce résultat permet d'unifier les prédictions des schémas linéaires explicites de la littérature qui concordent habituellement seulement pour des faibles porosités. <br />Cette approche itérative d'homogénéisation est ensuite étendue à la prédiction du comportement non linéaire de milieux poreux en procédant à des linéarisations sécantes du comportement des squelettes. Les schémas prédictifs linéaires sont exploités pour homogénéiser le milieu poreux ainsi linéarisé par itérations successives. Le couplage du processus itératif conduit, comme en linéaire, à la construction d'une même réponse non linéaire homogénéisée quelque soit le taux de porosité et le schéma prédictif utilisé. Les performances du processus itératif d'homogénéisation sont illustrées à travers différents tests en élasticité linéaire, non linéaire et élastoplasticité. Des validations par confrontation à des modèles de la littérature sont menées. L'approche micromécanique itérative est également exploitée pour construire des surfaces d'écoulement plastique de milieux poreux.<br /> Enfin, la modélisation est appliquée à la simulation de comportement de milieux argileux compactés qui avaient fait l'objet d'une étude expérimentale détaillée aux deux échelles. Sous chargement de compaction oedométrique, les argiles présentent un comportement élastoplastique et lors de la décharge, le comportement observé est élastique. Des identifications des propriétés élastiques et élastoplastiques des squelettes sont tout d'abord effectuées par homogénéisation inverse. Puis, le comportement macroscopique des argiles est simulé par les approches itératives d'homogénéisation. Un enrichissement des modèles par l'actualisation de la porosité au cours du chargement permet de reproduire de fa»con satisfaisante le comportement expérimental.