Les bétons renforcés de fibres métalliques (BFM) connaissent, à ce jour, peu d'applications dans le domaine des éléments de structure. Cet état de fait est, en grande partie, imputable à l'absence de méthodes de calcul, donc à la difficulté d'apprécier l'apport structural de ces matériaux. Le travail présenté ici a pour but de combler cette lacune dans le cas des poutres. Pour répondre au problème posé, l'étude s'appuie sur des essais de structures réalisés pour, d'une part, étudier les mécanismes de rupture et, d'autre part, valider les modèles élaborés. Des essais sont ainsi effectués en flexion simple et à l'effort tranchant. Une méthode performante a été utilisée pour le suivi global de la fissuration : la stéréophotogrammétrie. Elle a clairement montré une localisation précoce de la fissuration et l'apparition d'un mécanisme de rupture par blocs. Ces essais mettent en évidence que la caractéristique fondamentale des BFM est leur comportement postfissuration en traction. Un essai de traction uniaxiale sur éprouvette entaillée est utilisé, et développé, pour mesurer la capacité des fibres à reprendre un effort à travers une fissure. Les éprouvettes sont carottées, dans la direction des contraintes principales de traction, pour tenir compte de l'anisotropie de répartition des fibres induite par la mise en oeuvre. Une modélisation a été développée à partir des mécanismes étudiés et en prenant comme donnée matériau les résultats de l'essai de traction. Une première famille de modèles consiste à postuler un mécanisme de rupture, puis à calculer l'équilibre de la structure, en fonction de l'ouverture de la fissure, à partir de la relation expérimentale obtenue en traction. Des résultats très satisfaisants ont été obtenus en flexion. En ce qui concerne l'effort tranchant, l'apport des fibres est correctement appréhendé et une relation d'équivalence a été obtenue avec les armatures transversales utilisées habituellement. La prise en compte de l'évolution, avec l'ouverture de fissure, de la contrainte résiduelle postfissuration s'avère indispensable pour retrouver les effets d'échelle observés. L'utilisation d'une méthode en partie empirique pour l'effort tranchant est liée aux limites des modèles simples. Afin de s'affranchir de cette limite et d'étendre la modélisation à des cas complexes, il est apparu nécessaire d'utiliser une modélisation par éléments finis. Un modèle continu (plasticité) et un modèle discret (modèle probabiliste de fissuration) ont été utilisés. En conclusion, il a été mené une étude complète du matériau à la structure. Cette étude, à la fois expérimentale et théorique, a permis de définir des méthodes de calcul qui, couplées à une démarche globale de la composition à la caractérisation, en passant par la fabrication, permettent d'optimiser la conception des éléments de structure en BFM.

Ce travail a pour but l'élaboration d'un code d'éléments finis pour le calcul des structures planes en béton armé sous charges monotones. La représentation "répartie" est utilisée tant pour les armatures que pour les fissures. Le béton est considéré comme un matériau élastoplastique écrouissable en compression avec une loi d'écoulement non-associée et élastique fragile en traction. Pour l'acier une loi élastique-parfaitement plastique est adoptée. L'adhérence acier-béton et 1'engrènement sont introduits par des formulations totales non-linéaires réversibles, tandis que pour l'effet de goujon un modèle linéaire a été adopté. La réponse d'un élément fissuré est obtenue par la considération des phénomènes ci-dessus. Une nouvelle stratégie de résolution a été conçue qui permet de suivre les fissurations des éléments une par une afin de bien tenir compte de ce phénomène particulièrement dépendant du trajet de chargement. Les prévisions du programme ont été comparées avec les données expérimentales sur trois exemples de structures. Les résultats sont globalement prometteurs et plusieurs aspects de la réponse des structures ont été approchés d'une façon satisfaisante. D'autre part, des indications sont obtenues sur des améliorations futures et notamment vers l'utilisation d'éléments d'ordre supérieur et l'adoption de modèles plus fins pour les phénomènes mentionnés.

Les problèmes étudiés dans cette thèse relèvent du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Ce travail traite essentiellement de l'interaction complexe entre massif et soutènement. Initialement, on réalise une approche expérimentale portant sur l'optimisation du dimensionnement des soutènements des galeries dans des roches viscoplastiques. Une modélisation numérique fine de ce problème d'interaction massif viscoplastique-soutènement plastique est mise en oeuvre et permet de bien interpréter le comportement de la galerie expérimentale de Mol (Belgique). Ensuite, on s'intéresse à l'aspect 3D du creusement des tunnels a l'aide de la méthode numérique d'activation/désactivation des éléments en axisymétrie. On montre, par la réalisation d'abaques, que l'équilibre des tunnels dans les milieux viscoplastiques dépend largement de la rigidité et de la distance de pose du revêtement ainsi que de la vitesse de creusement de l'ouvrage. Dans la dernière partie, on compare les résultats donnés par notre méthode numérique d'une part, et par la méthode cv-cf d'autre part: on met en évidence les imprécisions de la méthode approchée cv-cf sous sa forme actuelle. Finalement, on propose une nouvelle méthode approchée en élasticité, qui conserve le formalisme de la méthode cv-cf, mais permet de mieux prendre en compte l'effet de la rigidité du soutènement sur la valeur de la convergence avant pose. Cette nouvelle méthode approchée conduit à des résultats tout a fait acceptables.

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

La technique de renforcement des sols par des géosynthétiques permet, par l'utilisation d'un matériau d'apport de caractéristiques moyennes et le choix d'une géométrie appropriée, la réalisation d'ouvrages en terre à caractère définitif économiques. L'application de la technique de renforcement des sols par géosynthétiques pour la conception des culées de ponts est pour sa part sûrement envisageable du point de vue technique et pratique. Toutefois, le comportement de tels ouvrages, surtout leur comportement à la rupture, est encore mal défini. Dans ce mémoire, on s'est plus spécifiquement intéressé au comportement d'un massif de sol renforcé par des nappes d'un non tissé, dans lequel une instrumentation complexe a été appliquée. L'ouvrage a été soumis à un chargement vertical concentré en tête jusqu'à la rupture. Une étude paramétrique du chargement en tête a été ensuite réalisée sur cinq modèles réduits en centrifugeuse, pour approfondir l'étude du comportement à la rupture. La première partie du mémoire présente brièvement les géotextiles actuels et leurs techniques d'utilisation en géotechnique, ainsi que les méthodes de dimensionnement des ouvrages renforcés par géotextiles. La seconde partie expose toutes les informations et les principaux résultats des études expérimentales. La troisième partie regroupe les analyses des comportements observés et propose une méthodologie de dimensionnement pour les ouvrages renforcés par géotextiles chargés en tête. Les résultats des mesures faites au cours de la mise en oeuvre et du chargement à la rupture de l'ouvrage en vraie grandeur, ainsi que l'étude paramétrique du chargement en tête sur les modèles réduits, ont permis de mieux comprendre le comportement de tels ouvrages et de montrer qu'il est possible de décrire de façon satisfaisante les comportements observés par des calculs classiques à l'équilibre limite.

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

Deux approches ont été utilisées pour étudier le comportement des sols compressibles lors de l'élargissement d'un remblai : étude sur modèles réduits centrifugés et analyse numérique en éléments finis. Pour l'étude en centrifugeuse, la construction des remblais pendant la rotation du modèle a été effectuée grâce à une trémie développée pour cette recherche. Sept conteneurs d'argile Speswhite reconstituée ont été préparés et équipés de capteurs de tassements de surface, de pressions interstitielles et de déplacements horizontaux. Sept essais ont été réalisés, les premiers pour mettre au point les procédures d'essai et les quatre derniers pour comparer deux variantes d'élargissement d'un remblai. L'analyse des résultats des mesures et des observations faites sur les modèles a montré l'importance des conditions de préparation des massifs d'argile et d'un suivi détaillé de toute l'histoire des sols depuis leur mise en place dans le conteneur jusqu'à la fin de l'essai. Le comportement des argiles pendant la centrifugation dépend d'une combinaison de consolidation et de fluage qui dépend de leur état de surconsolidation initiale et complique l'interprétation des mesures effectuées sur le modèle. La modélisation numérique a été effectuée au moyen de CESAR-LCPC. Elle a porté sur les modèles testés en centrifugeuse et sur le comportement d'un remblai autoroutier élargi vingt-cinq ans après sa construction. Le calcul en éléments finis, de type élastoplastique couplé, nécessitait des données géotechniques qui n'étaient pas toutes disponibles et les comparaisons effectuées avec les mesures sont restées pour cette raison incomplètes, bien que les phénomènes soient reproduits qualitativement de façon acceptable. Ces recherches montrent qu'il est indispensable de mieux définir les propriétés mécaniques des sols pour déboucher sur des résultats d'application pratique.

L'objectif de ce travail est d'étudier la formation de l'hydrogène sulfuré (H2S) dans les aquifères utilisés pour le stockage de gaz naturel. L'étude des données de qualité gaz disponibles au global des stations nous a tout d'abord montré que la production d'H2S était marginale à l'échelle des volumes mis en jeu. Puis le développement de méthodologies analytiques et un programme d'analyse du gaz en tête de puits d'exploitation ont permis de souligner le rôle majeur tenu par la périphérie du stockage saturée en eau. Enfin une approche géochimique pluridisciplinaire - minéralogique, bactériologique, statistique, thermodynamique (calculs d'équilibres au moyen du logiciel CHIMERE) et isotopique - a identifié les acteurs de la formation d'H2S. Il s'agit de la combinaison entre, d'une part la désulfuration naturelle induite par le mélange du gaz injecté pauvre en H2S avec une eau plus ou moins chargée en H2S, et d'autre part une production d'H2S directement induite par la qualité du gaz injecté. Cette production a plusieurs origines. Il s'agit d'une acidification qui enrichit le système en H2S dissous et en H2S gazeux. Cette acidification est générée par la dissolution instantanée d'une partie du dioxyde de carbone du gaz naturel injecté (C02g), par l'oxydation possible du méthane injecté (CH4), et par la précipitation de sulfures de fer (FeS-FeS2) D'autres transformations chimiques, minimes à l'échelle du Stockage, sont aussi responsables de la production de sulfures dissous. Il s'agit de l'hydrolyse totale et rapide de l'oxysulfure de carbone (COS) injecté, de la réduction d'une part infime mais suffisante des sulfates (SO42-), par biocatalyse ou bien directement mais lentement par le méthane injecté. Il peut s'agir aussi de la lixiviation lente des sulfures de fer. On observe alors dans la bulle de gaz un gradient en sulfures dissous opposant une zone centrale pratiquement désulfurée à une périphérie sulfurée. Les soutirages de gaz ramènent une proportion croissante de gaz chargé en H2S. La production d'H2S est en partie contrôlée au niveau de la zone de soutirage par une précipitation de sulfures de fer selon la disponibilité du fer ferreux et ce contrôle est en partie responsable en début de soutirage des teneurs nulles en H2S du gaz soutiré. La consommation de sulfates est suffisamment faible pour être indécelable par l'analyse physico-chimique des eaux de stockage lorsqu'elles sont riches en sulfates. Ainsi, suite au stockage de gaz naturel acide, les eaux contenant une quantité non négligeable de sulfures (> 4 mg/l) ou de sulfates, produiront suffisamment d'H2S pour nécessiter la désulfuration du gaz destocké. Cette production peut être minimisée au moyen d'une gestion optimisée du stockage du gaz, tel que par un équilibrage du rapport volume de gaz injecté sur volume de gaz soutiré : ce rapport doit rester supérieur à 1 pour éviter le déstockage de gaz "ancien", périphérique, chargé en H2S. La production d'H2S peut dans ce cas se concrétiser à terme par une désulfuration des eaux de la zone centrale du stockage. La phase d'acidification par le C02g est suivie par un tamponnage par les carbonates solides, plus ou moins importante selon la minéralogie des stockages et qui, avec la dissolution du C02g et l'oxydation potentielle du méthane, est directement responsable d'une carbonatation générale et significative des eaux de stockage. Par ailleurs, une synthèse isotopique sur l'ensemble des stockages de gaz du Bassin de Paris a montré que les aquifères d'âges Trias supérieur et Lusitanien sont affiliés : on observe que les sulfates de l'ensemble des aquifères de stockage étudiés ont la marque isotopique d'un sulfate triasique ayant subi une bioréduction croissante. Cette bioréduction a pris place dans un système qui a permis des réhomogénéisations isotopiques à chaque étape de l'écoulement du fluide porteur du sulfate originel triasique. On a aussi mis en évidence des phénomènes de mélange entre des fluides de minéralisation plus ou moins importante dans chacun des stockages étudiés. Ce mélange est le résultat de mouvements de fluides verticaux et horizontaux induits par la respiration du stockage. Cette étude a permis de souligner l'intérêt que représente pour son exploitant le suivi de la qualité de l'eau du Stockage de gaz naturel en aquifère. Ce suivi peut être réalisé au moyen d'outils adaptés : prélèvements et analyses d'eau et de gaz, en fond ou en tête de puits; constitution et traitement de fichiers de données; utilisation des méthodes isotopiques ... . Il a aussi été réalisé, pour la première fois en France, un prélèvement bactérien dans une carotte nouvellement échantillonnée dans un niveau saturé en gaz stocké. Il s'agit de la seule technique véritablement significative pour l'étude bactérienne de tels milieux.

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