Par le caractère hétérogène des sols présents en surface, le dimensionnement et la construction de fondations demandent une bonne connaissance du comportement mécanique du sol et de sa variabilité spatiale. Les essais in-situ constituent dans ce domaine des outils précieux et parmi eux, les plus couramment utilisés à travers le monde, les pénétromètres dynamiques représentent une part prépondérante. Toutefois, ils ne permettent d'obtenir que quelques informations sur le sol, plus particulièrement la résistance de pointe. Par ailleurs, la réduction importante en taille et en coût des capteurs et de l'instrumentation associée permet à l'heure actuelle de mesurer des phénomènes physiques ayant lieu dans des conditions de travail singulières, inconcevables il y a quelques années. C'est dans cette esprit qu'a été développé ce travail à partir de l'essai de pénétration dynamique Panda. L'objectif de ce travail étant de concevoir et de développer de manière simple et économique un pénétromètre dynamique équipé de différents capteurs permettant d'une part d'obtenir la résistance de pointe et d'autre part de déterminer des paramètres supplémentaires gouvernant le comportement en déformation du sol mis en jeu pendant l'enfoncement du cône. Pour ce faire nous avons retenu une méthodologie de travail pluridisciplinaire : analytique, expérimentale et numérique MED.

La dégradation géométrique de la voie ferrée sur les Lignes à Grande Vitesse (LGV) est un phénomène qui entraîne des coûts de maintenance importants pour assurer une qualité de circulation et de sécurité. Cette dégradation géométrique est imputable, en partie au tassement de la couche de ballast qui constitue l'une des parties de la voie ferrée.Le tassement du ballast est un phénomène difficile à estimer et à prédire car sa nature granulaire et ses caractéristiques particulières entraînent des variabilités de ses propriétés mécaniques. Ce travail de thèse est consacré à l'étude du comportement mécanique du ballast, pour le développement d'un modèle prédictif du tassement sur voie ferrée à partir de la caractérisation mécanique initiale du matériau (grâce à l'utilisation du pénétromètre léger Panda) et des sollicitations auxquelles la voie est soumise. Grâce à l'étude paramétrique développée sur un banc d'essais à échelle réelle, nous avons constitué et validé un modèle de prédiction qui est basé sur une loi de relaxation logarithmique.La modélisation numérique par éléments discrets en utilisant la méthode de la Dynamique des Contacts permet d'étudier les propriétés mécaniques du matériau ballast à l'échelle des grains. L'analyse des déformations transitoires montre une dépendance claire de la déformation moyenne par rapport à la contrainte appliquée et au rapport d'aspect en raison de l'action du frottement aux frontières. Les fluctuations de ces déformations, sont très importantes et semblent évoluer avec la déformation moyenne. Finalement, la pertinence de la caractérisation du ballast à partir de l'essai Panda a été vérifiée à partir d'une étude paramétrique sur les mécanismes d'enfoncement grâce à l'utilisation de cette approche numérique discrète. / Railway track degradation on high-speed lines is a phenomenon which causes high maintenance costs to ensure quality traffic and safety.This geometric degradation is due in part to the vertical strain (settlement) of the ballast layer, which compose the track.The ballast settlement is a difficult phenomenon to estimate and predict because its granular nature and characteristics of this layer induces variability of its mechanical properties.This work is devoted to the study of the mechanical behavior of ballast, to develop a predictive model of track settlement from the initial mechanical characterization of the material (by means a light penetrometer Panda) and the loading on track. By means several test on a full-scale model of railway track, we established and validated a predictive model based on a logarithmic relaxation law. Numerical modeling by discrete element method using the Dynamic Contacts allows to study the mechanical properties of ballast at grain-scale.Transient deformation analysis shows a clear dependence of the average deformation with respect to the stress and aspect ratio as a result of the frictional feedback at the boundaries. Fluctuations of these deformations are significant and seem to evolve with the average deformation. Finally, the relevance of the ballast characterization using the Panda test has been verified by means a parametric study on mechanisms during the penetration process by discrete element method.

Les géostructures énergétiques consistent à établir un échange thermique direct avec le sol grâce à des systèmes intégrés dans les fondations ou les structures géotechniques. L’incorporation des échangeurs de chaleur aux géostructures provoque une variation cyclique de la température du sol adjacent. Des questions se posent sur l'impact de ces variations thermiques sur les paramètres géotechniques des sols en général, et en particulier des sols sensibles argileux. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la quantification de l’impact de la variation de la température sur la capacité portante des pieux géothermiques. Actuellement, le dimensionnement des capacités portantes des fondations profondes est basé sur les résultats d’essais pénétrométriques ou pressiométriques. Des méthodes expérimentales ont été développées afin de permettre la réalisation de ces essais dans les conditions du laboratoire. Des essais mini-pénétrométriques sont réalisés sur des éprouvettes compactées à différents états initiaux et soumises à des températures variant de 1 à 70 °C. Les résultats montrent une évolution sensible des paramètres étudiés, la résistance en pointe (qc) et le frottement latéral (fs), pour un matériau illitique, lorsqu’il est compacté du côté sec de l’optimum. Les essais mini-pressiométriques, réalisés sur des massifs de sol illitique compactés en modèle réduit d’échelle métrique dans une cuve thermo-régulée, ont montré une diminution de la pression de fluage (pf) et de la pression limite (pl) avec l’augmentation de la température, tandis que la variation du module pressiométrique (EM) est moins marquée. Les résultats montrent une quasi-réversibilité des effets d’un cycle de chauffage dans la gamme de température testée alors que l’effet d’un cycle de refroidissement n’est que partiellement réversible. Pour les essais soumis à plusieurs cycles thermiques, le premier cycle induit des variations de paramètres toujours plus importantes que les cycles suivants. Une analyse approfondie de l’évolution des propriétés thermiques (la conductivité thermique (λ), la capacité thermique volumique (Cv) et la diffusivité thermique (D)) des sols en fonction de la teneur en eau, de la masse volumique sèche et de la température montre une augmentation de ces paramètres avec l’augmentation de w et ρd et une augmentation de λ des éprouvettes illitiques du côté sec de l’optimum avec l’augmentation de la température de 1 à 70 °C. En résumé, pour les pieux énergétiques, les résultats obtenus en laboratoire montrent une modification de la capacité portante due à la variation des paramètres du sol illitique sous l’effet des cycles thermiques / Energy geostructures involve providing a direct heat exchange with the ground through integrated systems in the foundations or geotechnical structures. The incorporation of heat exchangers in geostructures produces a cyclic variation of the temperature in the adjacent soil. Therefore, there are important scientific questions about the effect of temperature variations on hydro-mechanical soil parameters in general, and particularly for sensitive clay soils. The main objective of this thesis is to improve the understanding and the quantification of the impact of temperature variation on the bearing capacity of geothermal piles. Currently, the design of the bearing capacity of deep foundations is based on the results of in situ penetrometer and pressuremeter tests. Herein, experimental methods are developed to carry out these tests in laboratory conditions. Mini-penetrometer tests were carried out on samples compacted at different initial states and subjected to temperature variations ranging from 1 to 70 °C. The results showed a significant change in the studied parameters: the cone resistance (qc) and the friction sleeve resistance (fs) for an illitic material compacted on the dry side of the compaction curve. Mini-pressuremeter tests performed on the same illitic compacted soil in a thermo-regulated metric scale container, showed a decrease in creep pressure (pf) and limit pressure (pl) with increasing temperature, while the variation of pressuremeter modulus (EM) is less pronounced. The results showed a quasi-reversibility of the effect of a heating cycle through the temperature range tested, while the effect of a cooling cycle was only partially reversible. In the case of several thermal cycles, the first cycle induced more important parameter variations than the subsequent cycles, and at the end of the experimentation. Further analysis of the evolution of the thermal properties (thermal conductivity (λ), heat capacity (Cv) and thermal diffusivity (D)) within heating and cooling process as a function of soil water content and dry density showed an increase of these parameters with the increase of initial values of w and ρd, and an increase of λ in the dry side of the compaction curve with increasing temperature from 1 to 70 °C. In summary, for the energy piles driven in the clay soils, some modifications in the bearing capacity have to be taken into account due to the variation of the hydro-mechanical parameters of the soil induced by thermal cycles

Ce travail porte sur la reconnaissance de sols à faible profondeur grâce aux données de résistance de pointe recueillies à l'aide de l'essai de pénétration dynamique à énergie variable, Panda®. L'objectif principal est d'étudier et de proposer un ensemble d'approches dans le cadre d'une méthode globale permettant d'exploiter les mesures issues d'une campagne de sondages Panda afin de bâtir un modèle géotechnique du terrain.Ce manuscrit est structuré en quatre parties, chacune abordant un objectif spécifique :dans un premier temps, on rappelle les principaux moyens de reconnaissance des sols, notamment l'essai de pénétration dynamique Panda. Ensuite on réalise un bref aperçu sur le modèle géotechnique et les techniques mathématiques pour décrire l'incertitude dans la caractérisation des propriétés du sol;la deuxième partie porte sur l'identification automatique des unités homogènes du terrain, à partir du signal pénétrométrique Panda. Suite à l'étude réalisée sur l'identification "experte" des couches à partir du signal Panda, des approches statistiques basées sur une fenêtre glissante ont été proposées. Ces techniques ont été étudiées et validées sur la base d'un protocole d'essais en laboratoire et sur des essais effectués en sites naturels et en conditions réelles;la troisième partie porte sur l'identification automatique des matériaux composant les unités homogènes détectées dans le signal Panda à partir des méthodes proposées en partie II. Une méthode de classification automatique basée sur des réseaux de neurones artificiels a été proposée et appliquée aux deux cas d'étude : la caractérisation de sols naturels et la classification d'un matériau granulaire argileux industrialisé (bentonite) ; enfin, la dernière partie est consacrée à la production d'un modèle de terrain basé sur la modélisation et la simulation de la résistance de pointe dynamique au moyen de fonctions aléatoires de l'espace. Cette modélisation est basée sur une approche par champs aléatoires conditionnés par les sondages Panda du terrain. Sa mise en œuvre a été étudiée pour un terrain expérimental situé dans la plaine deltaïque méditerranéenne en Espagne. Des études complémentaires en vue de raffiner cette démarche ont été réalisées pour un deuxième site expérimental dans la plaine de la Limagne en France. / This research focuses on the site characterization of shallow soils using the dynamic cone penetrometer Panda® which uses variable energy. The main purpose is to study and propose several techniques as part of an overall method in order to obtain a ground model through a geotechnical campaign based on the Panda test.This work is divided into four parts, each of them it is focused on a specific topic :first of all, we introduce the main site characterization techniques, including the dynamic penetrometer Panda. Then, we present a brief overview of the geotechnical model and the mathematical methods for the characterization of uncertainties in soil properties;the second part deals with the automatic identification of physical homogeneous soil units based on penetration's mechanical response of the soil using the Panda test. Following a study about the soil layers identification based only on expert's judgment, we have proposed statistical moving window procedures for an objective assessment. The application of these statistical methods have been studied for the laboratory and in situ Panda test;the third part focuses on the automatic classification of the penetrations curves in the homogeneous soil units identified using the statistical techniques proposed in part II. An automatic methodology to predict the soil grading from the dynamic cone resistance using artificial neural networks has been proposed. The framework has been studied for two different research problems: the classification of natural soils and the classification of several crushed aggregate-bentonite mixtures;finally, the last chapter was devoted to model the spatial variability of the dynamic cone resistance qd based on random field theory and geostatistics. In order to reduce uncertainty in the field where Panda measurements are carried out, we have proposed the use of conditional simulation in a three dimensional space. This approach has been applied and studied to a real site investigation carried out in an alluvial mediterranean deltaic environment in Spain. Complementary studies in order to improve the proposed framework have been explored based on another geotechnical campaign conducted on a second experimental site in France.

Ce travail présente les développements récents réalisés sur le pénétromètre PANDA 3. Il s'agit d'un pénétromètre dynamique instrumenté qui permet à partir de la mesure puis du découplage des ondes créées par l’impact sur l’appareil, d’obtenir pour chaque coup une courbe charge-enfoncement σp-sp du sol ausculté. L’exploitation de cette courbe permet de déterminer des paramètres de résistance (résistance de pointe qd), de déformation (module dynamique Ed P3), des caractéristiques d’amortissement Js et de célérité d'ondes (CsP3 et CpP3) des sols auscultés en fonction de la profondeur tout au long du sondage. Cependant, et bien que la méthode soit très intéressante, celle-ci est restée au stade d’un prototype de laboratoire. Il est donc nécessaire de réaliser une étude plus approfondie sur l'essai lui-même et sur l’information contenue dans la courbe σp-sp en vue de fiabiliser la mesure et d’améliorer son exploitation. Dans un premier temps, nous présentons un bref aperçu sur les techniques de reconnaissance géotechnique et plus particulièrement celle des essais de pénétration dynamique. Le principe général du PANDA 3 est également présenté. La deuxième partie est consacrée au développement d'un nouveau prototype de pénétromètre PANDA 3. Ce développement s’appuie sur plusieurs études visant à valider la qualité des informations recueillies, leur bonne reproductibilité et le traitement des signaux d’acquisition. De même, un modèle numérique discret du battage pénétrométrique développé à l’aide du logiciel Particle Flow Code (Itasca) est présenté permettant de valider la technique de mesure. La troisième partie traite d'une étude comparative des résultats obtenus avec le PANDA 3 et d’autres techniques d'auscultation in situ afin de valider les résultats obtenus et l’utilisation de l’appareil dans des conditions réelles. Par ailleurs l’extension de cette technique de mesure au cas des pénétromètres lourds est appliquée dans le but de mesurer l'énergie transmise et d’étalonner le système de battage. Enfin, la dernière partie est consacrée à l'interprétation et l'exploitation des signaux en pointe afin d'affiner le modèle d'interprétation de la courbe charge-enfoncement. L'analyse de l'ensemble des signaux enregistrés au laboratoire a permis d’approcher une méthodologie d'exploitation de la courbe. L'application de la méthode proposée a été réalisée pour différents sols aussi bien au laboratoire que sur le terrain. Les résultats obtenus ont été confrontés avec d'autres types d’essais. / This work presents the recent developments made on the penetrometer PANDA®3. The instrumented dynamic penetrometer allowing, from the measurement and the decoupling of waves created by the impact, to obtain the load-penetration curve σp-sp of the soil. The exploitation of this curve allows determining the failure parameter (tip resistance qd), deformation (dynamic modulus EdP3), damping characteristics (Js) and wave speed (CsP3 and CpP3) of the investigated soil according to depth all along the sounding. However, although the proposed method is very interesting, it has remained at the stage of a laboratory prototype. It is therefore necessary to conduct a more thorough study of the test itself and the information provided from the σp-sp curve in order to obtain reliable measurement and improve their exploitation. First of all, we are presenting a brief overview of the geotechnical in-situ testing particularly that of the dynamic penetration tests as well as the general principle of PANDA 3 is presented. The second part is devoted to the development of a new prototype of the PANDA 3 penetrometer. This development is based on several studies aiming at validating the quality of the information, good reproducibility and treatment of the acquisition signals. Similarly, a discrete numerical model of the penetrometer developed using the Particle Flow Code software (Itasca) is presented to validate the measurement technique. The third part deals with a comparative study of the results obtained with the PANDA 3 and other in situ investigation techniques to validate the obtained results and the use of the device in real conditions. Moreover, the extension of this measurement technique in the case of heavy penetrometer is applied in order to measure the transmitted energy and to calibrate the driving system. The last part is devoted to refining the interpretation and exploitation of the load-penetration curve. The analysis of all the signals recorded in the laboratory allowed to approach a methodology of curve exploitation. The application of the proposed method was carried out for different soils both in the laboratory and on field. The results were confronted with other types of tests.

La dégradation géométrique de la voie ferrée sur les Lignes à Grande Vitesse (LGV) est un phénomène qui entraîne des coûts de maintenance importants pour assurer une qualité de circulation et de sécurité. Cette dégradation géométrique est imputable, en partie au tassement de la couche de ballast qui constitue l'une des parties de la voie ferrée. Le tassement du ballast est un phénomène difficile à estimer et à prédire car sa nature granulaire et ses caractéristiques particulières entraînent des variabilités de ses propriétés mécaniques. Ce travail de thèse est consacré à l'étude du comportement mécanique du ballast, pour le développement d'un modèle prédictif du tassement sur voie ferrée à partir de la caractérisation mécanique initiale du matériau (grâce à l'utilisation du pénétromètre léger Panda) et des sollicitations auxquelles la voie est soumise. Grâce à l'étude paramétrique développée sur un banc d'essais à échelle réelle, nous avons constitué et validé un modèle de prédiction qui est basé sur une loi de relaxation logarithmique. La modélisation numérique par éléments discrets en utilisant la méthode de la Dynamique des Contacts permet d'étudier les propriétés mécaniques du matériau ballast à l'échelle des grains. L'analyse des déformations transitoires montre une dépendance claire de la déformation moyenne par rapport à la contrainte appliquée et au rapport d'aspect en raison de l'action du frottement aux frontières. Les fluctuations de ces déformations, sont très importantes et semblent évoluer avec la déformation moyenne. Finalement, la pertinence de la caractérisation du ballast à partir de l'essai Panda a été vérifiée à partir d'une étude paramétrique sur les mécanismes d'enfoncement grâce à l'utilisation de cette approche numérique discrète.