Les limites de rejets deviennent de plus en plus strictes pour les petites collectivités et les zones sensibles à l’eutrophisation. L’objectif est de mettre en conformité les collectivités au titre des nouvelles obligations (jusqu’au 15 mgNGL.L⁻¹ et 2 mgPtot.L⁻¹) avec une attention particulière sur l’amélioration du traitement des eaux usées des petites collectivités (< 2000 EH).En France, l'utilisation de stations d’épuration par filtres plantés de roseaux (FPR) pour traiter les effluents domestiques de petites communautés (< 2 000 EH) a suivi une augmentation exponentielle au cours des dernières années. La filière de FPR classique permet de bonnes performances épuratoires en termes de MES, DCO et TKN, néanmoins ce procédé présente de faibles taux de dénitrification (NGL) et d'élimination du phosphore (PTOT).L’objectif de ce travail de thèse a été de développer des solutions innovantes pour le traitement des eaux usées domestiques pour les petites collectivités < 2000 EH en utilisant différentes voies d’intensifications et de combinaison de procédés. Une approche intégrée a été suivie avec des expériences en laboratoire, et une étude sur pilotes en conditions réelles pendant 26 mois. Une comparaison des résultats obtenus sur les pilotes avec des résultats obtenus sur des démonstrateurs de pleine échelle a également été effectuée.L’utilisation de zéolite a permis d’améliorer les performances par l’adsorption de NH4-N, avec des concentrations inférieures à 15 mg.L⁻¹ en été, dans une configuration plus profonde des filtres (95 cm) avec de dispositifs d’aération passive. Cependant, des fluctuations ont été observées à baisses températures.Une configuration basée sur la combinaison de conditions non saturées – saturés pour favoriser la pour l’élimination de NGL a été évaluée. De la même façon, la zéolite a permis d’améliorer l’élimination de NH₄-N et favoriser la nitrification. Les concentrations en sortie ont été de 40 et 52 mgNGL.L⁻¹ pour le filtre de zéolite et gravier respectivement.L'utilisation de la recirculation à pleine échelle a permis d'améliorer les performances dans un seul étage non saturé/saturé. Ces résultats sont toutefois préliminaires dans la mesure où ces stations sont en période de démarrage et de maturation et que peu de Bilan 24h étaient disponibles, ce qui rend difficile la comparaison avec les pilotes. / Discharge limits are becoming increasingly stringent for small communities and sensitive eutrophication areas. The objective is to established new community obligations by setting environmental quality targets (up to 15 mgNGL.L⁻¹ and 2 mgPtot.L⁻¹) especially to the improvement of wastewater treatment in small communities (<2000 p.e). In France, the use of Treatment Wetlands to treat domestic wastewater from small communities (<2 000 p.e.) has increased exponentially in recent years. The classical Vertical Flow Treatment Wetland (VFTW) enable very good performances removal in terms of TSS, COD and TKN, nevertheless denitrification (TN) and phosphorus removal (Ptot) are limited. The aim of this work was to develop innovative solutions, allowing the reduction of the footprint and the improvement of the classical French VFTW in terms of nitrogen (N) removal. An integrated approach was followed with pilot scale experiments and full scale systems using real wastewater during 26 months. A comparison between results of pilots and full-scale was also carried out.The use of zeolite allowed to improve the performances by the adsorption of NH₄-N, with lower concentrations in summer (15 mg.L⁻¹), using a compact filter (95 cm) with passive aeration pipes. However, fluctuations were observed at low temperatures decreasing the removal performances.Similarly, a configuration based on the combination of unsaturated-saturated conditions for NGL removal was evaluated. The zeolite was used in the unsaturated layer to improve the NH₄-N removal and nitrification. Indeed, it has been observed that the zeolite improves the purifying performance compared to a filter filled only with gravel. The outlet concentrations were 40 and 52 mgNGL.L⁻¹ for zeolite and gravel filters respectively.The use of recirculation in full scale systems has improved removal performances in unsaturated / saturated single stage. However, these are preliminary results as these stations are in the start-up and maturation period, few 24 h samples were available, which makes the comparison difficult.

Les processus de transfert de pesticide dans les sols sont encore mal connus. Avec l'objectif de mieux comprendre les mécanismes impliqués, des essais dans des colonnes remplies avec différents milieux poreux (sable, limon, argilo sableux) ont été effectués en conditions de saturation et de saturation partielle en eau. Des expériences avec un traceur (KCL) ont été utilisées pour la caractérisation hydrodynamique du milieu. Les mécanismes d'interactions physicochimiques d'une molécule pesticide modèle, le pentachlorophénol (PCP) avec la matrice solide, sont mis en évidence par la comparaison des courbes de restitution du pesticide avec le traceur. Les résultats expérimentaux montrent que les interactions du PCP avec le solide sont dépendants de la succession chronologique des expériences, de la vitesse moyenne d'écoulement, du profil de la teneur en eau dans la colonne, de la concentration en PCP, du pH et de la présence de sel dans la solution injectée. L'isotherme d'adsorption du PCP sur le sable suit le modèle de Freundlich, et la restitution partielle est probablement due à une fixation irréversible du PCP ionisé ou non. Un modèle numérique, fondé sur la méthode de différences finies est proposé. La description des courbes de restitution des solutés relative au sable en condition de saturation en eau s'avère satisfaisante. En revanche, le modèle n'a pas permis de décrire complètement les courbes d'élution résultantes de créneaux injectées dans la colonne de sable saturé ensemencé avec des bactéries, ainsi que dans le sable partiellement saturé et sur le limon saturé.

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.

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude expérimentale du comportement hydromécanique d'un lœss naturel non saturé effondrable provenant d'un site proche de la ville de Bapaume (nord de la France) dans une zone où des problèmes de tassement le long de la ligne nord du TGV ont été attribués à l'effondrement du lœss, du fait d'infiltrations d'eau. Un nouvel appareil triaxial permettant de mesurer localement l'ensemble des caractéristiques du loess non saturé (déformation, teneur en eau et succion) a été développé. La courbe de rétention d'eau, déterminée à l'aide d'un tensiomètre de haute capacité et de la méthode du papier filtre a fait l'objet d'une attention particulière : elle présente autour de la teneur naturelle une zone sans hystérésis bordée par deux boucles d'hystérésis des côtés secs et humides. L'analyse de la courbe de rétention et du phénomène d'hystérésis a été approfondie grâce à une étude microstructurale réalisée à l'aide de la porosimétrie au mercure et de la microscopie électronique à balayage. Une structure assez complexe composée d'un arrangement métastable de grains de limon secs (probablement liés par la recristallisation du calcaire) et d'une phase argileuse répartie de façon hétérogène a été mise en évidence. L'étude du comportement hydromécanique a compris une investigation de l'effondrement à partir de faibles valeurs de contraintes proches de la contrainte in-situ, à l'aide d'essais oedométriques à taux de déformation constant avec mesures de succion. Le maximum d'effondrement et une dépendance fonction de la vitesse de chargement ont été identifiés. Une campagne d'essais triaxiaux à différentes teneurs en eau constantes avec mesure de succion a permis de déterminer l'allure de la limite élastique du limon naturel dans un diagramme p/q, ainsi que ses variations avec la teneur en eau et la succion et confirmer l'écrouissage en succion

RÉSUMÉ Les routes sont normalement pourvues de systèmes de drainage dimensionnés et exécutés conformément aux règles de l’art en vue d’évacuer, le plus rapidement possible de l’emprise de la route, les eaux des précipitations à considérer sur la base des périodes de retour prises en compte. Toutefois, il subsiste souvent des écoulements d’eau indésirables au niveau des talus et parfois dans les accotements et/ou les surfaces de roulement non imperméabilisées. Une succession de pluies entraîne des infiltrations d’eau qui varient notamment en fonction des conditions climatiques et suivant la texture et la structure du sol. De telles infiltrations ont pour conséquence la réduction des coefficients de sécurité des talus. Bien qu’il existe plusieurs publications scientifiques traitant de pluies qui ont conduit à des glissements de terrain (Lim et al. 1996 ; Cho et al. 2001 ; Kim et al. 2004 ; Xue et al. 2007 ; Gavin et al. 2008), les incidences des infiltrations résultant de pluies successives sur le comportement des couches superficielles des sols non saturés ne sont généralement pas prises en compte. Les modèles permettant le calcul de la stabilité de talus des massifs de sols non saturés exigent beaucoup de paramètres parfois difficiles à évaluer et se rapportent ordinairement aux cas d’instabilité provoqués par une remontée du niveau piézométrique des nappes phréatiques. Sur la base des essais réalisés en laboratoire, une méthodologie adaptée permettant d’évaluer la variation spatio-temporelle de la teneur en eau du sol en fonction d’une suite de pluies a été développée. Cette méthodologie facilite la prise en compte des effets cumulés des taux d’infiltration associés aux évènements pluvieux et permet d’en déduire le profil de succion ainsi que celui de la cohésion apparente à utiliser en vue de calculer, pour une inclinaison β du talus, l’intervalle de variation du coefficient de sécurité Fs. La méthodologie développée présente un intérêt particulier dans le cas de budgets et infrastructures limités. ABSTRACT Roads are normally equipped with drainage systems sized and implemented in accordance with the rules of art to evacuate as quickly as possible to the right of way, water precipitation to be considered on the basis of return periods taken into account. However, there are often water flows at the slope side and sometimes in the shoulders and / or running surfaces that are not waterproof. A succession of rain causes a certain amount of water infiltration, which varies according to climatic conditions and depending on the soil texture and structure. Such infiltrations have resulted in reduced safety factor of slopes. Although there are several scientific publications on rainfall leading to landslides (Lim et al. 1996; Cho et al. 2001, Kim et al. 2004; Xue et al. 2007; Gavin and al. 2008), impacts resulting from infiltration of successive rains on the behavior of surface layers of unsaturated soils are usually not taken into account. Models for calculating the slope stability of unsaturated soils require many parameters that can be, in certain circumstances, difficult to assess and refer generally to cases of instability caused by a rise in groundwater level. Based on laboratory tests, a suitable methodology for assessing the spatial and temporal variation of soil water content induced by a set of rains has been developed. This methodology facilitates the inclusion of the cumulative effects of the infiltration rates associated with rain events and infers from them the profile of suction and that of the apparent cohesion to be used to calculate, for a slope angle β, the range of variation of the safety factor Fs. This methodology is particularly relevant in the case of limited budgets and infrastructures.

Pour les études de sécurité industrielle, il est nécessaire d'évaluer le débit diphasique lors des vidanges accidentelles de stockages de gaz liquéfiés sous pression. Or, le flux massique dépend fortement des conditions initiales. Il est donc primordial de pouvoir le calculer dans le cas où il est le plus élevé, c'est à dire quand le fluide est initialement sous saturé. Nous avons conçu un montage expérimental comprenant un réservoir d'essai de 233 L, un réservoir de récupération de 4 m3 et entre les deux une conduite d'essai de 0,535 m de long. Les fluides que nous avons utilisés sont l'eau et le CFC11. Les mesures effectuées montrent une bonne maîtrise des conditions thermodynamiques à l'entrée de la conduite (P à 15 mbar et T à 0,15°C). La confrontation de nos essais avec ceux de la littérature nous a amené à effectuer des expériences supplémentaires avec un autre diamètre (8 mm au lieu de 4 mm) et un autre matériau (cuivre au lieu d'acier inoxydable). Les flux massiques mesurés sont alors comparés avec différents modèles. Il nous a fallu prendre en compte les frottements dans la région monophasique. Nous avons alors constaté que le modèle H.E.M. étendu estime parfaitement le flux massique (aussi bien pour l'eau que pour le CFC11), lorsque l'écart à la saturation initial réduit par les frottements est supérieur à 1,5 bar, c'est à dire à fort écart à la saturation. Afin de prédire correctement la zone de faible écart à la saturation, il faut utiliser des modèles hors équilibre comme D.E.M. (modèle de retard à l'équilibre) ou H.R.M. (modèle homogène de relaxation).

Ce mémoire de thèse est consacré à l'étude expérimentale du comportement hydromécanique d'un lœss naturel non saturé effondrable provenant d'un site proche de la ville de Bapaume (nord de la France) dans une zone où des problèmes de tassement le long de la ligne nord du TGV ont été attribués à l'effondrement du lœss, du fait d'infiltrations d'eau. Un nouvel appareil triaxial permettant de mesurer localement l'ensemble des caractéristiques du loess non saturé (déformation, teneur en eau et succion) a été développé. La courbe de rétention d'eau, déterminée à l'aide d'un tensiomètre de haute capacité et de la méthode du papier filtre a fait l'objet d'une attention particulière : elle présente autour de la teneur naturelle une zone sans hystérésis bordée par deux boucles d'hystérésis des côtés secs et humides. L'analyse de la courbe de rétention et du phénomène d'hystérésis a été approfondie grâce à une étude microstructurale réalisée à l'aide de la porosimétrie au mercure et de la microscopie électronique à balayage. Une structure assez complexe composée d'un arrangement métastable de grains de limon secs (probablement liés par la recristallisation du calcaire) et d'une phase argileuse répartie de façon hétérogène a été mise en évidence. L'étude du comportement hydromécanique a compris une investigation de l'effondrement à partir de faibles valeurs de contraintes proches de la contrainte in-situ, à l'aide d'essais oedométriques à taux de déformation constant avec mesures de succion. Le maximum d'effondrement et une dépendance fonction de la vitesse de chargement ont été identifiés. Une campagne d'essais triaxiaux à différentes teneurs en eau constantes avec mesure de succion a permis de déterminer l'allure de la limite élastique du limon naturel dans un diagramme p/q, ainsi que ses variations avec la teneur en eau et la succion et confirmer l'écrouissage en succion / The hydromechanical behaviour of an unsaturated natural loess from Northern France has been studied. Collapse-on-wetting phenomena under constant external load are observed in the in-situ conditions, related to some stability problems detected on the loess foundations of the high speed train line that links Paris to Brussels. A new triaxial apparatus with complete local monitoring of unsaturated properties (strains, water content and suction) of this loess has been developed. The water retention curve of loess, obtained by using an in-house constructed high capacity tensiometer and the filter paper method, shows a special behaviour, with a non-hysteresis zone detected around the natural hydric state bordered by two hysteresis loops at the dry and wet sides of the curve. Further analysis of the water retention curve and of the hysteresis phenomena were conducted by means of a microstructure study made by mercury intrusion porosimetry and scanning electron microscope observations. The complex structure of loess is highlighted, composed by a metastable arrangement of dry silt grains (possibly related to carbonate re-crystallisation) and a heterogeneously distributed clay fraction. The hydromechanical behaviour study includes the evaluation of the collapse sensibility of loess at stress states close to the in-situ one, by a series of suction-monitored oedometer tests performed at different constant strain rates (CSR tests). A maximum of collapse and a time-dependent behaviour of loess were observed. A triaxial testing programme at different water contents with suction measurement, allowed to obtain the yield surface of loess in a q/p diagram, and the water content and suction evolution upon loading and to confirm the suction hardening in this material

Dans le contexte du développement durable, et dans un objectif de limitation de l’impact environnemental, le recours à des sols fins prend une place croissante dans la construction d’ouvrages en terre. Mais la maîtrise de ces matériaux amène au cours de l’exécution des difficultés lors du compactage, telles que le feuilletage et le matelassage. Au sein du projet ANR TerreDurable, cette thèse vise à l’étude du compactage, plus particulièrement pour les marnes proches de la saturation. Le programme d’essais se base principalement sur les observations apportées par les praticiens (Vinci Construction Terrassement, Valerian, Egis Géotechnique), pour parvenir à des essais mettant en évidence difficultés et mauvais usages rencontrés. Après une discussion sur l’effet des méthodes de contrôle de succion sur la nucléation dans les sols fins, l’étude porte sur une planche de compactage in situ. Elle s’articule autour de 4 paramètres : teneur en eau, mouture, type de compacteur et énergie de compactage. Ces variations mènent à la réalisation de 24 plots sortants parfois du cadre règlementaire, incarné en France par le Guide des Terrassements Routiers (GTR). Une fois terminés, et après des observations visuelles, les plots subissent carottages et pénétromètres dynamiques pour évaluer l’état et la réponse hydromécanique du matériau. Les mesures recueillies permettent de fournir des informations quant aux bonnes pratiques de compactage, mais aussi vis-à-vis des variables d’état du sol selon le jeu de paramètre. Dans un deuxième temps, l'effet de la préparation du matériau est étudié dans la cadre d'essais Proctor et IPI. Le matériau de chaque essai est alors exploité pour la réalisation de courbes de retentions dans le domaine quasi saturé. Toutes ces mesures sont alors comparées à la planche, de manière à cadrer les essais de cette dernière et confirmer les observations faites en première instance. Pour finir, une cellule triaxiale de révolution est développée dans l'objectif d’étudier l’évolution des variables d’état du sol au cours du compactage. Elle présente un tensiomètre à sa base, mais aussi des fenêtres planes en plexiglas pour permettre l’utilisation de la corrélation d’images pour l’estimation des changements de volume. Ces fenêtres ont pour objectif de limiter les déformations optiques et faciliter la mesure. La conception et la calibration de la cellule sont présentées, tout en mettant en avant sa précision. Sont alors réalisés les premiers essais de reproduction du compactage, basés sur des références in situ. Malgré les difficultés rencontrées pour simuler les passes d’un compacteur au sein de la cellule, les essais apportent des éléments de réflexion quant à l’effet de ce dernier sur le sol. / In the context of sustainable development, and to limit environmental impact, usage of fine-grained soils takes an expending place in earthworks. Sadly, the control of such materials through construction leads to difficulties during compaction, such as lamination and wave effect. As part of the French ANR project TerreDurable, this thesis aims to research compaction, mostly marls close to saturation. Observations carried out by practitioners serves as base for the experimental programme (Vinci Construction Terrassement, Valerian, Egis Géotechnique), to achieve surveys showing the main known difficulties and poor usages. After a discussion on the effect of measurement methods on nucleation in fine-grained soils, the study follows a full-scale in situ compaction test, articulated around four parameters: water content, grinding, compactor type and compaction energy. These variations lead 24 parcels sometimes out of the French legal frame (Guide des Terrassement Routiers). After realisation and visual observations, each of the parcels undergoes samplings and dynamic penetrometers to evaluate their state and hydro mechanical response. These analyses give data regarding good compaction practice, but also soil state variables after compaction. Then, proctor and CBR tests first show the effect of soil preparation on their outcomes. Afterwards, retention curves in the quasi-saturated domain are conducted from the Proctors. These measures compared to the full scale in situ compaction test, provide a frame to its results and confirm initial observations. Finally, aiming to study state variables evolution during compaction, a triaxial cell is developed. Equipped with a tensiometer at its base, flat Plexiglas windows are created enabling digital image correlation (DIC) for volume changes assessments. These windows allow for limited optical deformations and measurement facilitation. The conception and the calibration of the cell are presented to evaluate its precision. Then, the first tests to reproduce compaction, based on in-situ references, are carried out. Despite difficulties to simulate compactor passes in the cell, it provided elements of reflexion regarding the effect of compaction.

L'étude des sols non saturés, et plus généralement des milieux granulaires multiphasiques, a été principalement traitée dans le cadre de la mécanique des milieux continus. Le comportement de ces matériaux trouvant ses origines à l'échelle des particules, nous en proposons une analyse micromécanique, basée sur des simulations numériques utilisant la Méthode des Eléments Discrets. Pour les faibles teneurs en eau, l'eau se concentre sous la forme de ponts liquides intergranulaires dont les propriétés en terme de force et de volume de liquide peuvent être interprétées à travers la théorie de la capillarité. En partant de la description des effets microscopiques de la capillarité, un modèle discret tridimensionnel a été développé. Les propriétés macroscopiques des milieux granulaires faiblement saturés sont ainsi investiguées, aussi bien en terme de rétention d'eau, que de résistance au cisaillement, au travers d'essais réalisés sur des assemblages de grains numériques. En complément d'analyse, les techniques de l'homogénéisation sont mises en oeuvre. Les analyses permettent de mettre en évidence l'importance de la distribution du liquide au sein du milieu, ainsi que le caractère tensoriel des contraintes mécaniques associées aux forces capillaires. La texture du liquide est étudiée, et l'existence d'une contrainte effective est discutée sur des bases microstructurelles. Finalement, une approche est proposée pour simuler l'effondrement au remouillage, caractéristique de la transition d'un état partiellement saturé à un état complètement saturé.