Après la donnée de quelques définitions et éléments chiffrés sur le risque sismique, la première partie traite de la sismicité en France et des règles parasismiques en vigueur et se termine par une étude bibliographique sur les divers types de ruptures observés sur les ouvrages en terre pendant les séismes. La seconde partie présente les différentes méthodes d'analyse de stabilité des pentes et les diverses hypothèses menant au calcul du coefficient sismique. Le calcul du facteur de sécurité pseudostatique est réalisé avec des adaptations des méthodes de Taylor et des perturbations. Les abaques tracés permettent de déterminer le facteur de sécurité pseudostatique ou l'accélération critique d'un talus de caractéristiques données, alors que pour les barrages à noyau incliné on étudie l'influence de l'inclinaison du noyau sur la résistance aux séismes. Le calcul du déplacement permanent est abordé dans la dernière partie où, après une synthèse des méthodes présentées dans la littérature, on détaille le calcul du déplacement d'un talus homogène en rupture circulaire et d'un barrage à noyau incliné. Le comportement du sol est supposé rigide-plastique et le bloc en glissement est soumis à un accéléroramme équivalent déterminé en fonction de la magnitude, de la distance à l'épicentre et de la période prédominante de l'accélérogramme réel.

L'effet de la végétation locale, composée de Castanea sativa cultivé, sur la stabilité des pentes a été étudié sur un site d'essai au Mont Faito (Campanie, Italie). En Campanie, les sols pyroclastiques peu profonds sont sensibles aux glissements de terrain provoqués par les précipitations. Des périodes de pluies prolongées suivies de précipitations extrêmes à court terme déclenchent des glissements de terrain rapides et destructeurs au niveau des coupes routières et des escarpements pyroclastiques sur les falaises rocheuses dans les régions autour du volcan Vésuve.Des échantillons de sol pyroclastiques non perturbés contenant des racines de C. sativa matures ont été utilisés pour la caractérisation hydraulique par le biais d'un ensemble d'expériences en laboratoire. La perméabilité saturée, la réponse à l’évaporation et l’imbibition, la teneur en eau pour les fortes valeurs de succion et la biomasse sèche des racines ont été déterminées.La présence de racines a augmenté la perméabilité d'un ordre de grandeur dans les sols les plus superficiels (10-7 à 10-6 m s-1) et diminué la valeur d'entrée d'air des courbes de rétention (6 à 4 kPa). La variabilité de la perméabilité entre les couches de sol a été identifiée comme conditionnant l'écoulement de l'eau souterraine par rapport à la vitesse du mouvement du front de mouillage et à la génération de pressions positives de l'eau interstitielle dans le profil. L'étalonnage du modèle hystérétique pour caractériser les sols pyroclastiques naturels a fourni une méthode plus approximative de modélisation des réponses hydrauliques. Une bonne concordance entre le modèle et les observations a été obtenue.L’étude sur le terrain a permis de montrer que la distribution des racines de C. sativa est associée au régime des eaux souterraines. Les distributions spatiales et verticales de la densité et des traits des racines ont été quantifiées pour les racines de C. sativa prélevées dans des forages réalisés au Mont Faito. La succion minimale, la teneur minimale en eau et la pente minimale (indiquant un débit d'eau descendant) ont été surveillées tout au long de l'année et confrontées avec la distribution des racines et à la distribution spatiale des arbres. Une densité racinaire croissante était associée à des valeurs de succion plus faibles et à des gradients d'infiltration plus élevés, ce qui peut avoir une influence négative sur la stabilité de la pente.La modélisation du renforcement mécanique du sol par les racines des arbres a permis de comprendre l'importance des composantes hydrauliques et mécaniques sur la stabilité d'une pente. Les racines augmentent la résistance au cisaillement (jusqu'à 25,8 kPa) grâce à un renforcement mécanique et donc le facteur de sécurité de la pente augmente. L'examen du renforcement dû aux racines dans l'estimation du facteur de sécurité des surfaces de rupture potentielles a montré que la surface de rupture la plus faible a été trouvée à 2,2 m, où le renforcement dû aux racines était de 1,3 kPa, au lieu de 0,9 m sans le renforcement de 13,8 kPa. La surface de rupture la plus faible correspond aux surfaces de rupture observées lors de glissements de terrain antérieurs. Le site d'essai ne présentait pas les caractéristiques d'une zone de déclenchement d'un glissement de terrain. L'angle de pente des zones de déclenchement des glissements de terrain (35° à 45°) peut dépasser l'angle de frottement du sol (36,5° à 38,5°) et l'effet hydraulique ne serait pas suffisant pour garantir la stabilité de la pente pendant la saison humide (0 à 10 kPa). On estime que le renforcement dû aux racines peut maintenir les pentes jusqu'à un angle de 42°.On a donc constaté que la présence de racines d'arbres affectait la stabilité hydraulique et mécanique des couvertures de sol pyroclastiques. Ces conclusions peuvent être étendues aux autres zones de plantations de C. sativa. L'effet hydraulique de la végétation a été largement compensé par le renforcement mécanique dû aux racines / The effect of the local vegetation, composed of cultivated Castanea sativa, on slope stability was investigated on a test site in Mount Faito (Campania, Southern Italy). In Campania, shallow pyroclastic soil covers are susceptible to landslides triggered by rainfall. Prolonged rainfall periods followed by extreme short-term rainfall events trigger fast moving and highly destructive landslides in road cuts and pyroclastic scarps on rocky cliffs in the areas surrounding the Vesuvius volcano.Undisturbed pyroclastic soil samples containing roots of mature C. sativa were used for hydraulic characterization through an extensive set of laboratory experiments. Saturated permeability, evaporation and imbibition response, water content for high suction ranges, and the root dry biomass were determined.The presence of roots increased the hydraulic permeability by one order of magnitude in the most surficial soil (10-7 to 10-6 m s-1) and decreased the air-entry value of the water retention curves (6 to 4 kPa). The variability of soil permeability among soil layers was identified as conditioning of the groundwater flow with regard to the speed of the wetting front movement and generation of positive pore-water pressures within the soil profile. The calibration of hysteretic model to characterize natural pyroclastic soil provided a more approximate manner of modelling in situ hydraulic responses. A good agreement between the model and the field observations was obtained.Field monitoring was performed with the intent of showing that the distribution of roots of C. sativa is associated to the groundwater regime. The spatial and vertical distribution of root density and traits were quantified for C. sativa roots collected from several boreholes performed in Mount Faito. Minimum suction, minimum water content and minimum gradient (indicative of downward water flow), were monitored throughout the year and related to root distribution and spatial distribution of trees. An increasing root density was found to be associated to lower values of suction and higher gradients of infiltration, which can potentially have a negative influence of the slope stability.A modelling investigation on the mechanical reinforcement of soil by tree roots allowed us to understand the importance of hydraulic and mechanic components on the stability of a slope. Roots increase greatly the shear strength of soil (up to 25.8 kPa) through mechanical reinforcement and consequently, the safety factor of the slope increased significantly. Considering the root reinforcement in the estimation of potential failure surfaces safety factor showed that the weakest failure surface was found at 2.2 m, where the root reinforcement was 1.3 kPa, instead of 0.9 m without the root reinforcement of 13.8 kPa. The weakest failure surface found was in agreement with the failure surfaces observed from previous landslides. The test site did not present the characteristics of a landslide triggering area. The slope angle of the landslide triggering areas (35° to 45°) can easily exceed the soil friction angle (36.5° to 38.5°) and the hydraulic effect would not be enough to guarantee the stability of the slope during the wet season (0 to 10 kPa). However, the root reinforcement was estimated to be able to sustain the slopes until an angle of 42°.Therefore, the presence of tree roots was found to affect hydraulically and mechanically stability of pyroclastic soil covers. Such conclusions may be extended to the areas of Campania where C. sativa plantations are present. The hydraulic effect of vegetation was greatly compensated by the mechanical reinforcement of roots.

Ce mémoire de thèse synthétise trois années de recherches dédiées à la modélisation numérique des instabilités et ruptures se produisant dans les géomatériaux et ouvrages comme les glissements de terrains. L'approche considérée dans ces modélisations relève de la mécanique des milieux continus et est fondée sur l'exploitation de lois de comportement phénoménologiques et l'utilisation d'un code aux éléments finis. L'étude de ces instabilités est effectuée grâce au critère de Hill (1958) qui est basée sur le signe du travail du second ordre. Après un chapitre bibliographique sur les lois de comportements pour matériaux granulaires et sur les critères de stabilité matérielle, le second chapitre est dédié à l'étude du critère du travail du second ordre local par une analyse au niveau du comportement d'un point matériel. Le troisième chapitre propose une étude de ce critère à l'échelle d'une structure, et repose sur l'analyse aux valeurs propres et vecteurs propres de la partie symétrique de la matrice de rigidité globale issue d'un calcul par éléments finis. Enfin, dans le dernier chapitre nous présentons les modélisations de deux glissements de terrains : Petacciato en Italie, et Ballendaz en Savoie, qui se sont manifestés après des périodes de fortes pluies. L'association d'un modèle hydro-mécanique couplé prenant en compte la saturation partielle des sols, et du critère du travail du second ordre a permis de décrire correctement les surfaces de ruptures observées in situ.

Dans cette thèse nous proposons quelques contributions à l'analyse variationnelle dans les espaces métriques et à l'optimisation : régularité métrique, théorie métrique des points critiques, sensibilité de constantes de Hoffman, stabilité en programmation quadratique. Dans le cas polyèdral nous établissons des formules explicites de constantes de Hoffman des polyèdres avec égalités explicites. Ensuite, en mettant en évidence le caractère lipschitzien de ces constantes, nous calculons le sous-différentiel de Clarke des fonctions associées. Nous faisons également une revue de la régularité métrique des multi-applications, et nous traitons la stabilité d'un problème quadratique convexe. La considération du concept de pente faible, et donc des techniques de déformation appropriées, nous permet d'établir des résultats de stabilité homotopique des points critiques isolés des fonctions continues.

Il est habituellement supposé que les dépôts d'argile marine postglaciaires du Québec sont généralement intacts sous une croûte fracturée (3 à 5 m de profondeur). Cependant, les données de 210 piézomètres ont démontré des variations grandes et rapides des charges hydrauliques à de grandes profondeurs, et un synchronisme entre les piézomètres dans le même nid. Ces comportements ne sont pas compatibles avec les propriétés hydrauliques des argiles intactes, mais sont plutôt les indicateurs de la présence de fractures profondes hydrauliquement actives. Afin de tester l'hypothèse de la présence de fractures, trois indicateurs ont été analysés dans tous les piézomètres du réseau de surveillance du MTQ : 1) une grande variation de la charge hydraulique, 2) une forte corrélation et 3) de faibles décalages temporels. En outre, l'impact potentiel de ces fractures sur l'écoulement des eaux souterraines et la stabilité des pentes est exploré. Pour ce faire, les données de terrain sont comparées à des modèles transitoires et permanents qui présentent et non des fractures. Deux géométries de pente et différents scénarios de fractures ont été considérés. Par la suite, les résultats de la modélisation hydrogéologique ont été importés dans un modèle de stabilité des pentes pour définir l'impact des changements de charge hydraulique causés par les fractures sur la stabilité des pentes. L'analyse des données mettent en évidence des fractures hydrauliquement actives jusqu'à 17 m de profondeur. Les résultats de la simulation démontrent quant à eux que les scénarios avec des fractures représentent mieux les données de terrain. Les fractures augmentent la charge hydraulique quand l'eau pénètre dans les sols à travers les fractures et se diffuse ensuite dans la matrice du sol. De plus, la charge hydraulique est réduite quand l'eau s'écoule à travers les fractures dans la face de la pente. D'un point de vue hydrogéologique, les fractures peuvent par conséquent améliorer ou réduire la stabilité des pentes dépendant du système d'écoulement. Notons que l'impact mécanique des fractures n'a pas été pris en compte. / To date it is usually assumed that post-glacial marine clay deposits of Quebec are generally intact below a fractured crust (3 to 5 m depth). However, data from 210 piezometers have shown large and rapid variations in hydraulic heads at great depths, and synchronism between the piezometers at different depths in the same nest. This behavior is not compatible with the hydraulic properties of intact clays, but rather are signs of the presence of deep hydraulically active fractures. To test the hypothesis of presence of fractures, three signs of hydraulically active fractures were analysed in all piezometers nest of the MTQ monitoring network: 1) large variation in the hydraulic head, 2) high correlation and 3) small time lags. In addition, the potential impact of these fractures on groundwater flow dynamics and slope stability are explored by comparing field data with transient and steady-state groundwater models with and without fractures. Two slope geometries that exhibit contrasting groundwater flows and different fracture scenarios were considered. Then, results of the hydrogeological modelling were imported into a slope stability model to delineate the impact of the hydraulic head changes due to the fractures on slope stability. Analysis of the MTQ monitoring network data shows evidence of hydraulically active fractures below the crust up to 17 m depth. The simulation results show that the scenarios with fractures better represent the field data. Fractures increase the hydraulic head when water enters the soils through the fractures which then dissipates by hydraulic diffusion into the soil matrix, and is reduced when water flows out through the fractures at the slope face. Therefore, depending on the groundwater flow system, from a hydrogeological perspective, fractures could improve or reduce the slope stability. It should be noted that the mechanical impact of the fractures are not considered.

Les pentes minières à proximité de routes publiques doivent être prises en compte lors du processus de conception de ces routes. Plusieurs mines à ciel ouvert sont actuellement en développement au Québec et certaines d'entre elles sont situées à proximité de routes nationales. Ce mémoire propose une revue de la littérature portant sur les pratiques mondiales actuelles en ce qui concerne la stabilité de pentes minières à proximité d’infrastructures publiques. Il examine ensuite la stabilité du mur ouest de la mine à ciel ouvert LAB Chrysotile à Thetford Mines (Québec) aux abords du nouveau tracé de la route 112. Les travaux de terrain effectués sur le site sont décrits. Des analyses déterministes et probabilistes sont effectuées à l'aide de la méthode de réduction de la résistance au cisaillement (SSR) implémentée dans un code d’éléments finis (FE) ainsi que l'analyse à l'équilibre limite (LE). L'impact du remplissage de la fosse et de sa vidange rapide ainsi que la stabilité à long terme de la pente sont également étudiés. Les résultats de toutes les analyses révèlent que cette pente respecte les limites acceptables des critères de conception étudiés. / Mining slopes in the vicinity of public roads must be considered during the road design process. Several open-pit mines are currently in development in Quebec and some of them are located close to national highways. This M.Sc. thesis provides a review of the literature on some current practices around the world regarding mining slope design close to public infrastructures. It then investigates the stability of the west wall of the LAB Chrysotile open-pit mine in Thetford Mines (Quebec) in the vicinity of the new Road 112 location. The field work performed at the site is described. Deterministic and probabilistic analyses are conducted using finite element shear strength reduction (FE-SSR) and limit equilibrium (LE) methods. The impact of pit infilling and rapid dewatering, as well as long-term stability of the slope are also investigated. The results of all analyses reveal that the current mining slopes are within acceptable design criteria limits.

Trois techniques de mitigation, un remblai à convection d'air, une section à drain thermique et une section à pente adoucie, ont été mises en place dans l'épaulement du remblai de la piste d'atterrissage de l'aéroport de Tasiujaq afin de valider, par des essais en conditions réelles d'exploitation, leurs efficacités respectives. Ces trois techniques favorisent l'évacuation de la chaleur contenue dans le sol, afin de préserver l'intégrité du pergélisol présent sous la piste. Cette étude présente les résultats des trois années de suivi des données thermiques. Par ailleurs, des simulations numériques effectuées avec le logiciel GéoStudio, ont permis de reproduire ce que pourrait être le comportement d'une section de référence sans les écoulement d'eau qui perturbent grandement la section de référence instrumentée à Tasiujaq. Enfin une étude économique des différentes techniques de mitigation a été réalisée sous l'approche coût / bénéfice technique.

Les séismes sont à l'origine d'évènements sédimentaires gravitaires (turbidites) dont l'étude permet de reconstituer l'histoire mal connue de la paléosismicité des marges continentales. L'analyse d'une série de carottes de sédiments, collectées stratégiquement dans trois systèmes turbiditiques de la marge en subduction Hikurangi de Nouvelle-Zélande, permet d'établir les caractéristiques, les facteurs de contrôle et les mécanismes déclencheurs de la sédimentation gravitaire des derniers 18,000 ans. La succession sédimentaire comprend quatre lithofaciès et modes de dépôt : hémipélagite (sédimentation marine), turbidites (courants de turbidité), débrites (débris flows) et tephra (retombée de cendres volcaniques), dont l'organisation générale dépend de la morphologie de la marge et des fluctuations glacio-eustatiques. Les crues, les éruptions volcaniques et les " slope failures " sont les trois mécanismes déclencheurs des turbidites. Plus de 90% sont déclenchées par des " slope failures " en haut de pente (150 - 1,200 m) à la suite de séismes. L'adaptation d'un modèle empirique de stabilité de pente suggère que ces turbidites représentent l'enregistrement sédimentaire des ruptures répétées de trois failles actives, dont l'interplaque, et correspondent à des séismes de Mw≥7.3 avec un temps de retour de 150±50 ans. Parmi ces turbidites co-sismiques, 20 montrent une synchronicité de déclenchement sur l'ensemble de la marge et un volume important. Elles correspondent à des ruptures de la zone interplaque de Mw 7.5 - 8.4, dont les temps de retour montrent une phénomène de clustering où alternent les périodes actives à faible temps de retour (305 - 610 ans), et les périodes de quiescence à temps de retour élevé (1480 - 2650 ans). Ce calendrier paléosismique intégré aux modélisations en cours devrait permettre de mieux appréhender l'aléa sismique et les risques pour la population.

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.<p><p>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.<p><p>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.<p><p>ABSTRACT<p><p>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.<p><p>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.<p><p>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. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’objectif de ce travail de thèse est de proposer la Méthodes des éléments finis de Galerkin discontinus (DGFEM) à la discrétisation des équations compressibles de Navier-Stokes. Plusieurs challenges font l’objet de ce travail. Le premier aspect a consisté à montrer l’ordre de convergence optimal de la méthode DGFEM en utilisant les polynômes d’interpolation d’ordre élevé. Le deuxième aspect concerne l’implémentation de méthodes de ‘‘shock-catpuring’’ comme les limiteurs de pentes et les méthodes de viscosité artificielle pour supprimer les oscillations numériques engendrées par l’ordre élevé (lorsque des polynômes d’interpolation de degré p>0 sont utilisés) dans les écoulements transsoniques et supersoniques. Ensuite nous avons implémenté des estimateurs d’erreur a posteriori et des procédures d ’adaptation de maillages qui permettent d’augmenter la précision de la solution et la vitesse de convergence afin d’obtenir un gain de temps considérable. Finalement, nous avons montré la capacité de la méthode DG à donner des résultats corrects à faibles nombres de Mach. Lorsque le nombre de Mach est petit pour les écoulements compressibles à la limite de l’incompressible, la solution souffre généralement de convergence et de précision. Pour pallier ce problème généralement on procède au préconditionnement qui modifie les équations d’Euler. Dans notre cas, les équations ne sont pas modifiées. Dans ce travail, nous montrons la précision et la robustesse de méthode DG proposée avec un schéma en temps implicite de second ordre et des conditions de bords adéquats. / The aim of this thesis is to deal with compressible Navier-Stokes flows discretized by Discontinuous Galerkin Finite Elements Methods. Several aspects has been considered. One is to show the optimal convergence of the DGFEM method when using high order polynomial. Second is to design shock-capturing methods such as slope limiters and artificial viscosity to suppress numerical oscillation occurring when p>0 schemes are used. Third aspect is to design an a posteriori error estimator for adaptive mesh refinement in order to optimize the mesh in the computational domain. And finally, we want to show the accuracy and the robustness of the DG method implemented when we reach very low mach numbers. Usually when simulating compressible flows at very low mach numbers at the limit of incompressible flows, there occurs many kind of problems such as accuracy and convergence of the solution. To be able to run low Mach number problems, there exists solution like preconditioning. This method usually modifies the Euler. Here the Euler equations are not modified and with a robust time scheme and good boundary conditions imposed one can have efficient and accurate results.