Les pieux énergétiques constituent une technique récente permettant d’une part le chauffage et la climatisation de bâtiments et assurant d’autre part le rôle de fondations profondes. Cette technique consiste à mettre en place dans des fondations profondes classiques un système échangeur de chaleur. Le principe de transfert de chaleur est similaire à celui utilisé pour des systèmes échangeurs de chaleur conventionnels : un fluide caloporteur permet d’extraire de l’énergie thermique du sol durant l'hiver et d’en injecter durant l’été. Dans le cas de pieux énergétiques, l’interaction entre le sol, le pieu et la structure ne fait pas seulement appel à des considérations mécaniques mais exigent de tenir compte d’aspects thermiques et hydrauliques, ce qui rend relativement complexe la compréhension globale du comportement d’un pieu énergétique. Actuellement, en France, la réalisation effective de pieux énergétiques rencontre un certain nombre de difficultés qui sont en partie liées à une connaissance insuffisante des effets des cycles de température sur la pérennité d’un système de fondations constitué de pieux échangeurs de chaleur. L’objectif de ce mémoire est d’apporter quelques éclairages sur ce sujet, notamment dans le but de contribuer, à terme, à l’élaboration de règles de calcul simples de la portance des fondations profondes énergétiques. Tout d’abord, une synthèse des phénomènes physiques régissant l’interaction thermo-hydro-mécaniques mis en jeu est présentée. Ensuite, considérant le rapport entre le diamètre d’un pieu et sa longueur suffisamment faible, les travaux réalisés se focalisent essentiellement sur les problématiques liées à l’allongement et au raccourcissement du pieu dans sa direction axiale. Différentes modélisation numériques sont effectuées par la méthode des différences finies pour étudier la réponse de pieux énergétiques dans des terrains sans cohésion en tenant compte de différentes conditions aux limites. Le premier modèle est relatif à un pieu énergétique isolé soumis à une seule charge thermique. Le second traite d’un pieu énergétique isolé soumis à une charge axiale mécanique et des variations de température. Le troisième porte sur le comportement des pieux énergétiques appartenant à un groupe de pieux. L’analyse porte en particulier sur l'interaction entre ces pieux et les autres pieux classiques. Dans tous les cas, afin de rendre compte correctement des effets cycliques, l’interface sol-pieu est modélisée par la loi ‘Modjoin’ développée au LGCgE. Enfin, un modèle unidimensionnel basé sur la méthode de courbes de transfert de type t–z est mis en oeuvre. Une loi t–z prenant en compte les effets de chargements cycliques est mise au point. Elle permet notamment de gérer la non-linéarité des phénomènes cycliques et de rendre compte de différents types d’écrouissage. / The recent technology for the heating/cooling building system, known as thermo-active piles, has effectively reduced the land use area and drilling cost by incorporating the vertical closed-loop heat exchanger pipes into the pile foundations. The heat transfer principle remains the same with the conventional ground heat exchanger system: an extraction of the steady ground temperature during winter and a recharge of the ground thermal energy during summer. Indeed, the energy transfer in the thermo-active pile system is becoming more complex owing to the thermo-hydro-mechanical interaction between the ground, the aquifer, the concrete pile, and the overlying building. Recently in France, the implementation of this novelty faces some difficulties due to the lack of understanding about the potential impact of seasonal temperature cycles on the environmental sustainability and the structural safety. Considering those concerns, this thesis conducts the study of the thermo-active piles behavior and their interaction with the structure and the environment in the intention to optimize the geotechnical design of such piles according to the French design standard for the deep foundations. First of all, a study of the physical phenomena occurring in the entire system under the thermo-hydro-mechanical interactions is conducted. Since the ratio of the pile diameter and the pile length is very small, the temperature variations in the pile affect mainly the pile axial response. Thus, the study interest is narrowed to the impact of temperature cycles on the pile bearing capacity by paying a particular attention on modeling the soil–structure interaction with finite difference method. A set of three-dimensional numerical models is performed to understand the thermo-active piles response located in cohesionless soil with consideration of several loading stages and various restraint conditions. The first model concerns a single thermo-active pile subjected to a single thermal load, the second deals with a single thermo-active pile under combined axial mechanical and cyclic thermal loads, and the third one is related to the thermo-active piles located in a group of piles to observe the influence on the other classical bearing piles. The need to properly render the cyclic plasticity behavior in such piles is provided by modeling the interface elements at the soil–pile contact zone using the laboratory-developed law named ‘Modjoin’ law. Otherwise, the load transfer t–z method in one-dimensional model can be an alternative solution in the practical geotechnical design, but no t–z law that takes into account the cyclic fatigue effects exists yet. This study carries out a development of the existing t–z law by integrating the nonlinearity condition and cyclic hardening rules.

Résumé : Afin de contribuer dans la réponse latérale des pieux sous sollicitations latérales et notamment prendre en compte des plusieurs paramètres en relation avec les pieux (matériau, diamètre, rigidité, inclinaison) et le sol (nature, rigidité), des analyses numériques en différences finies 2D et 3D ont été réalisées en considérant des pieux chargés latéralement et ancrés dans des sols sableux, argileux et même sableux-argileux. Des modèles numériques simulés avec les codes en différences finies FLAC pour l’analyse 2D et FLAC[indice supérieur 3D] pour l’analyse 3D ont été inspirés des modèles de pieux réduits et en vraie grandeur, faisant l’objet de publications. Des enregistrements du déplacement latéral ou/et de la capacité latérale ou/et du moment fléchissant des pieux considérés ont été pris lors de ces essais. Ces modèles numériques ont été validés à travers diverses comparaisons entre les mesures, les calculs de FLAC et/ou FLAC3D et dans des cas les calculs d’autres méthodes utilisées dans la pratique. Une comparaison entre l’analyse 2D et l’analyse 3D de la réponse latérale d’un pieu rigide chargé latéralement dans un sol cohérent, a été réalisée dans le but de connaître les limites de l’analyse 2D et la possibilité de corréler ses résultats à ceux de l’analyse 3D. L’influence de la charge verticale sur la réponse latérale (capacité latérale et moment fléchissant maximal) d’un pieu en béton, chargé latéralement dans des sols sableux et argileux, a été étudiée avec une analyse numérique 3D. Il a été démontré que pour le cas des sols sableux, la charge verticale n’a pas un effet considérable sur la réponse latérale des pieux soumis à des charges latérales. Par contre, la charge verticale conduit à une diminution significative de la capacité latérale des pieux dans des sols argileux. Il est également constaté que l'influence des charges verticales sur la réponse latérale du pieu installé dans une argile surconsolidée avec une résistance au cisaillement non drainée proportionnelle à la profondeur et un OCR variant de 1,5 à 4,0 est très différent de celle correspondante à une résistance au cisaillement non drainée constante quelle que soit la valeur d’OCR. Des analyses 3D ont été, également, effectuées pour étudier la réponse latérale de pieux inclinés et chargés latéralement. La capacité latérale des pieux inclinés dans les sols sableux est considérablement augmentée avec l’augmentation de la valeur de l’inclinaison du pieu correspondante à la direction opposée à la direction de la charge latérale, et la densité du sable. Mais lorsque la direction de l’inclinaison du pieu et la même que celle correspondante à la charge latérale, cette capacité latérale est légèrement à modérément augmentée tout dépendamment de la valeur et le signe de l'angle ainsi que de la densité du sable. L’influence de l’angle d’inclinaison associé avec la charge verticale sur la capacité latérale de pieux inclinés est aussi très importante pour les sols sableux. Pour les sols argileux, l'influence de l'angle d’inclinaison sur la capacité latérale dépend seulement de l'angle d’inclinaison. En effet, la capacité latérale est modérément augmentée. Par contre, L'effet combiné de l’angle et la charge verticale est assez important. // Abstract : This thesis pertains to numerical analyses conducted primarily to evaluate the lateral response of piles and the contribution of several parameters related to piles (e.g., material, diameter, stiffness, inclination) and the soil (e.g., type, rigidity). Numerical finite differences analysis in 2D and 3D have been performed modelizing laterally loaded piles in sandy, clayey, and even sandy-clayey soils. Numerical models, simulated with finite difference codes FLAC for analysis in 2D and FLAC[superscript 3D] for 3D analysis, were inspired from experimental laboratory and full scale models available in literature. Measurements of lateral deflection and/or lateral capacity and/or bending moment of tested piles were recorded during these tests. These numerical models have been validated through comparison between the various measurements, predictions with FLAC and/or FLAC3D and for some cases the calculations with other methods used in practice. Comparison between 2D and 3D analyses of the response of laterally loaded rigid piles in cohesive soils, was performed in order to investigate the 2D analysis limitations and the possibility of correlating the 2D results with those of 3D analysis. A series of 3D finite differences analyses is also conducted to evaluate the influence of vertical loads on the lateral response of pile foundations. Numerical results have shown that the lateral resistance of the piles does not appear to vary considerably with the vertical load in sandy soil especially at loosest stat. However, vertical load leads to a significant decrease in lateral capacity of piles in homogeneous and inhomogeneous clay layers. It is also found that the influence of vertical loads on the lateral response of pile installed in over-consolidated clay with undrained strength proportional to depth and different OCR in the range of 1.5 to 4.0 is quite different from that with constant undrained strength regardless the adopted OCR value. The 3D finite difference analyses have been, also, carried out to investigate the lateral response of battered piles. The lateral capacity of the battered piles in sandy soils is considerably increased when the value of pile inclination corresponding to the opposite direction of the lateral load increases and when the sand density increases. But in the case of pile inclination corresponding to the same direction of the lateral load, the lateral capacity is slightly increased regardless to the adopted value of batter angle and the sand density. In clayey soil, it was found that the influence of the batter angle on the lateral capacity of piles depends only on the batter angle and not on the clay rigidity. For the case of pile inclination corresponding to the opposite direction of the lateral load, the lateral capacity is moderately increased and for the other case of inclination, the effects are not significant. The influence of both batter angle and vertical load on lateral capacity of battered pile in clayey soils is moderately pronounced.

L'essai de chargement d'une pointe pénétrométrique (Cone Loading Test, essai CLT) est un nouvel essai de reconnaissance des sols in situ, qui constitue une amélioration majeure de l'essai de pénétration statique avec une pointe piézocône (CPTu). L'essai de chargement de pointe consiste à interrompre la pénétration classique (EN ISO 22476-1) à une cote souhaitée et à réaliser un chargement par paliers successifs de la pointe jusqu'à la rupture du sol.La courbe de chargement, reliant la pression appliquée sur la pointe au tassement de celle-ci,est riche en renseignements sur la déformabilité des sols. L'essai permet donc une caractérisation améliorée des sols en fournissant des paramètres de déformabilité aussi bien que les paramètres de résistance obtenus lors d'un essai de pénétration statique classique.La validation de la méthode d'essai et de son protocole expérimental, a été effectuée selon trois voies complémentaires : expérimentale, numérique et physique. Au niveau expérimental, plusieurs campagnes d'essais ont été réalisées en choisissant des sites intéressants pour le projet et contenants une importante base de données (essais in situ,au laboratoire, essais de pieux, essais sismiques...) comme le site des argiles des Flandres de Merville, un site sableux à Utrecht aux Pays-Bas, et un site sableux à Limelette en Belgique.Les résultats des différentes campagnes ont montré qu'il est possible d'avoir des courbes de chargement exploitables pour le calcul d'un module de déformation, utilisable et comparable en tout point aux modules obtenus par d'autres types d'essais. L'essai est adapté à un panel de sol très varié. Il est plus représentatif de l'état initial dans le sol que d'autres types d'essais.Par ailleurs les conditions aux limites sont bien maîtrisées.Au niveau numérique, une large étude paramétrique a été menée avec le logiciel Plaxis, pour tester l'influence de la géométrie de la pointe, du type de chargement, du modèle de comportement, des paramètres du sol, ainsi que des conditions initiales et au limite du problème. Des essais CLT ont été également réalisés sur des modèles réduits en centrifugeuse, pour tester l'influence de quelques paramètres comme la vitesse de chargement, la géométrie de l'embout de la pointe, la densité du massif ainsi que le niveau de g. Ces essais ont été associés à des essais de chargement de pieu instrumenté et des essais de fondations superficielles et profondes afin de pouvoir relier les paramètres mécaniques de l'essai CLT au comportement des ouvrages. En considérant que la pointe du pénétromètre est un modèle réduit de pieu, une retombée directe de l'essai CLT est sa capacité d'être un outil de dimensionnement de fondations. A cet effet, une méthode directe utilisant la résistance de pointe et le frottement latéral limite de l'essai CLT a été proposée pour calculer la capacité portante et prédire le tassement d'un pieu.Cette méthode consiste en une nouvelle approche transformant les courbes de chargement et celles de mobilisation de frottement d'un essai CLT point par point en courbe charge-déplacement d'un pieu (courbes t-z).

Les pieux énergétiques représentent une solution alternative intéressante, face à l’accroissement des besoins mondiaux en énergie et à la réduction de l’utilisation des énergies fossiles. L’objectif principal de la thèse est d’identifier et de quantifier les principaux facteurs influençant le dimensionnement des pieux géothermiques, qui sont impactés par les changements de température des pieux lors de leur activité. Pour ce faire, ce travail de thèse a été dressé en 3 campagnes expérimentales, dont deux à échelle réelle : (i) une première campagne à chargement thermomécanique contrôlé (Marne La Vallée), (ii) une seconde campagne en conditions d’utilisation réelles sous une station d’épuration (Sept Sorts) et (iii) une troisième campagne à l’échelle du laboratoire grâce à une nouvelle machine de cisaillement direct d’interface permettant l’étude du comportement thermo mécanique des interfaces sol-structure. Ces trois campagnes expérimentales ont pour but de quantifier l’effet de la température et des cycles de température sur le comportement des pieux énergétiques. Les premiers résultats expérimentaux de la campagne de Sept Sorts ont ensuite été simules dans le code LAGAMINE via la méthode des éléments finis, afin d’adopter une approche complémentaire permettant de mieux appréhender la réponse thermomécanique de ce type de pieu lors de l’activation géothermique. et (iii) une troisième campagne à l’échelle du laboratoire grâce à une nouvelle machine de cisaillement direct d’interface permettant l’étude du comportement thermo mécanique des interfaces sol-structure. Ces trois campagnes expérimentales ont pour but de quantifier l’effet de la température et des cycles de température sur le comportement des pieux énergétiques. Les premiers résultats expérimentaux de la campagne de Sept Sorts ont ensuite été simules dans le code LAGAMINE via la méthode des éléments finis, afin d’adopter une approche complémentaire permettant de mieux appréhender la réponse thermomécanique de ce type de pieu lors de l’activation géothermique. / Energy piles, also called thermo-active piles, are an alternative solution to the increase in the global energy demand as well as in mitigating socio-economical stakes concerning the increase of energy costs due to fossil fuels. Energy piles are double purpose structures that allow transferring the loads from the superstructure to the soil and that integrate pipe circuits allowing heat exchange between the pile and the surrounding ground. The objective of this thesis is to identify and quantify the principal parameters involved in the geotechnical design of pile foundations impacted by temperature changes associated with geothermal activation. For this purpose, this research work was organized in 3 experimental campaigns: (i) A full scale load controlled test at Ecole des Ponts Paris-Tech, (ii) Full scale energy piles monitoring under real exploitation conditions at Sept Sorts, (Seine et Marne, France), (iii) Laboratory tests in order to assess the effect of temperature and temperature cycles at the soil-pile interface. The experimental results are used to estimate the effect of geothermal activation of a pile foundation, on its bearing capacity as well as on its long-term exploitation. Finally, preliminary numerical simulations were performed using a thermo-hydro mechanical model, using the finite element method code LAGAMINE able to capture the main phenomena.

Les structures offshores sont conçues pour résister à des chargements environnementaux sévères. Des études expérimentales et numériques de la fondation d’une éolienne offshore soumise à des chargements statiques monotones/cycliques sont présentées dans ce manuscrit. Des pieux isolés (diamètre de 1,8 m et 40 m de longueur) et une structure en treillis fondée sur 4 pieux ont été testés à 100×g en centrifuge dans un massif de sable de Fontainebleau dense. Le comportement du pieu isolé a été identifié à travers des essais de chargement axial monotone. Différentes méthodes de mise en place de pieu ont été adoptées (installation à 1×g et à 100×g) et leur influence sur la capacité portante a été mesurée. Le diagramme de stabilité du pieu a été construit à partir des résultats des essais cycliques, des essais CPT ont été réalisés et l’influence des contraintes initiales a été étudiée. Des résultats expérimentaux de la fondation jacket soumise à des chargements latéraux cycliques sont enfin présentés. La méthode des éléments finis et un macro-élément pour des pieux ont été utilisés pour reproduire numériquement les résultats expérimentaux. Les lois de comportement adoptées sont basées sur la théorie d’hypo-plasticité et les contraintes initiales dans le sol sont issues de la méthode ICP-05. Les résultats numériques sont confrontés aux résultats expérimentaux et aux résultats analytiques obtenus à partir de la norme API. / Offshore structures are designed to resist to severe environmental loads. This manuscript presents experimental and numerical studies on offshore wind turbine pile foundations submitted to static monotonic/cyclic loads. Isolated piles (diameter of 1.8 m and embedded length of 40m) and a four-legged truss structure installed in dense Fontainebleau sand have been tested at 100×g in a geotechnical centrifuge. The behavior of the isolated piles has been characterized under monotonic axial load. The piles have been jacketed at 1×g and 100×g and the influence of the setup method on the bearing capacity has been measured. The stability diagram of a pile has been constructed using cyclic tests, CPT experiments have been performed and the influence of the initial stresses has been studied. Finally, experimental results of the jacket foundation submitted to lateral cyclic loadings are presented. The finite element method and a macro-element for piles have been used to numerically reproduce the experimental results. Constitutive laws are based on the hypoplasticity theory and the initial stresses in the soil have been calculated using the IC-05 method. The numerical results are compared with the experimental and the analytical results from the API standards.

Ce travail de thèse porte sur l'étude du comportement de l'interface sol-structure sous sollicitations cycliques. Pour cela, un important programme expérimental à la sonde-pieu, mise en place dans des massifs de sable siliceux en chambre d'étalonnage, a été réalisé. On s'est intéressé, particulièrement, à l'évolution du frottement latéral et de la résistance enpointe à grand nombre de cycles (100 000 cycles), en faisant varier l'état initial du massif (état de densité et contrainte de consolidation) et les paramètres de chargement (amplitude du déplacement cyclique). Lors des essais à déplacement contrôlé, un renforcement important du frottement latéral à grand nombre de cycles a été observé pour les faibles valeurs de résistance en pointe initiale. Ce renforcement n'a quasiment pas été observé avant par les auteurs, car l'accent a été mis sur la phase de dégradation (autour de 1000cycles). Il est attribué à une forte dilatance partiellement empêchée. En revanche, pour les fortes valeurs de résistance en pointe, le renforcement à grand nombre de cycles diminue considérablement. Cette diminution est liée à l'effet des particules fines créées lors du fonçage. Celles-ci jouent le rôle de cimentation/scellement de la surface latérale de la sonde pieu en diminuant sa rugosité. Par ailleurs, des essais à force contrôlée ont été réalisés afin d'étudier la stabilité des pieux. Enfin, des lois empiriques d'évolution du frottement latéral et de la résistance en pointe ont été proposées afin de reproduire les évolutions observées expérimentalement. Ces lois d'évolution ont été intégrées dans un modèle de calcul de pieu sous chargement cyclique de type t-z. Les premières simulations effectuées montrent un bon accord entre le modèle et les résultats expérimentaux à petit nombre de cycles

Inscrite dans le cadre du projet national FOREVER, l'étude proposée s'articule autour des essais en vraie grandeur réalisés à Saint Rémy-lès-Chevreuse par le CEBTP sur neuf micropieux isolés et deux groupes (2x2, 2 diamètres d'entre-axe) chargés axialement, puis transversalement dans du sable de Fontainebleau. Elle comprend l'introduction dans un code de calcul facile d'utilisation pour l'ingénieur, de l'effet de groupe de manière automatique et tridimensionnelle; le programme "GOUPEG-3D" repose sur la théorie couplée des modèles hybrides, utilisant les fonctions de transfert de charge (courbes "p-y" et "t-z") pour l'estimation de l'interaction pieu-sol et l'interaction pieu-sol-pieu intervenant par le biais de coefficients multiplicateurs de déplacement et réducteurs de pression ultime évalués à partir des équations de Mindlin (théorie du continuum élastique). Pour l'analyse des essais, les hypothèses ont porté principalement sur la construction des courbes de réaction du sol en s'appuyant sur les recommandations en vigueur (TA 95, Fascicule 62, règle simplifiée de BUSTAMANTE & DOIX [1985]) reposant sur les essais pressiométriques et sur l'influence du mode de fabrication des micropieux (gravitaire ou à l'aide du perforateur pneumatique R-SOL). Une étude paramétrique portant sur le module de cisaillement intervenant dans les équations de Mindlin, a mis en évidence la forte sensibilité du logiciel à ce paramètre élastique difficile à appréhender et encore sujet à de nombreuses controverses quant à son estimation.

Un des problèmes de mise en œuvre des bétons rencontrés sur des chantiers de pieux forés à la tarière creuse est la difficulté d’introduire la cage d’armatures dans le béton frais dans 15 % des cas. Cette difficulté est liée en partie au comportement rhéologique du béton et au phénomène de ressuage qui sont des problèmes de formulation du béton. En effet, des études sur des fluides à seuil (pâtes de ciment, solutions de Carbopol, émulsions) comme le béton, montrent une corrélation entre le déplacement d’objets dans ces fluides et leurs seuils de cisaillement.L’objectif de cette étude est de développer un outil de caractérisation du béton sur chantier qui permette de tester la capacité des armatures à être introduites dans le béton à partir d’une technique basée sur le principe de la pénétrométrie. Une formulation de base de béton pour pieux a été choisie sur chantier et modifiée en laboratoire de façon à obtenir des bétons aux comportements variés (seuil de cisaillement, perte d’ouvrabilité et thixotropie) représentatifs des conditions sur site. L’influence de ces différents paramètres rhéologiques sur l’enfoncement des armatures a été étudiée. Elle a permis d’identifier des valeurs seuils pour lesquels un refus d’enfoncement de la cage d’armatures (blocage) est observé : slump<18 cm; τs>780 Pa et τ0>340 Pa.Une étude complémentaire menée sur 4 chantiers de pieux forés à la tarière creuse a permis de valider et d’affiner les conclusions précédentes et de prédire les blocages éventuels. / This study is mainly concerned with a concrete placement problem encountered on continuous flight auger (CFA) pile, namely the difficulty of introducing a reinforcement cage into fresh concrete, difficulty that occurs in 15 percent of cases. These difficulties are correlated in part with the rheological behavior of the concrete as well as with the bleeding phenomenon, both of which pertain to concrete mix design problems. Indeed, studies carried out on yield stress fluids, like concrete, reveal a correlation between object displacements in these fluids and their actual yield stresses.The aim of this study is to develop a tool for the in situ characterization of concrete at rest, based on the principles of penetrometry, which can assess the capability of introducing reinforcements into concrete.A widespread pile concrete mix design was chosen on-site and modified in the laboratory to obtain concrete mixtures with various behavior (yield stress, loss of workability and thixotropy) which are representative of on-site conditions. The influence of these rheological properties on the reinforcement embedment capacity has been studied. For low viscosity values (6 to 12 Pa.s), the rejection of reinforcement becomes a real risk for some threshold values : slump<18 cm; τs>780 Pa and τ0>340 Pa. To avoid blocking τ0 should be limited during casting process.An additional study was conducted on CFA piles on-site and helps to validate previous findings. It also describes reinforcement embedment kinetic. A correlation was found between reinforcement depreciation period during its setting and concrete viscosity.

L’essai de chargement d’une pointe pénétrométrique (Cone Loading Test, essai CLT) est un nouvel essai de reconnaissance des sols in situ, qui constitue une amélioration majeure de l’essai de pénétration statique avec une pointe piézocône (CPTu). L’essai de chargement de pointe consiste à interrompre la pénétration classique (EN ISO 22476-1) à une cote souhaitée et à réaliser un chargement par paliers successifs de la pointe jusqu’à la rupture du sol.La courbe de chargement, reliant la pression appliquée sur la pointe au tassement de celle-ci,est riche en renseignements sur la déformabilité des sols. L’essai permet donc une caractérisation améliorée des sols en fournissant des paramètres de déformabilité aussi bien que les paramètres de résistance obtenus lors d’un essai de pénétration statique classique.La validation de la méthode d’essai et de son protocole expérimental, a été effectuée selon trois voies complémentaires : expérimentale, numérique et physique. Au niveau expérimental, plusieurs campagnes d’essais ont été réalisées en choisissant des sites intéressants pour le projet et contenants une importante base de données (essais in situ,au laboratoire, essais de pieux, essais sismiques…) comme le site des argiles des Flandres de Merville, un site sableux à Utrecht aux Pays-Bas, et un site sableux à Limelette en Belgique.Les résultats des différentes campagnes ont montré qu’il est possible d’avoir des courbes de chargement exploitables pour le calcul d’un module de déformation, utilisable et comparable en tout point aux modules obtenus par d’autres types d’essais. L’essai est adapté à un panel de sol très varié. Il est plus représentatif de l’état initial dans le sol que d’autres types d’essais.Par ailleurs les conditions aux limites sont bien maîtrisées.Au niveau numérique, une large étude paramétrique a été menée avec le logiciel Plaxis, pour tester l’influence de la géométrie de la pointe, du type de chargement, du modèle de comportement, des paramètres du sol, ainsi que des conditions initiales et au limite du problème. Des essais CLT ont été également réalisés sur des modèles réduits en centrifugeuse, pour tester l’influence de quelques paramètres comme la vitesse de chargement, la géométrie de l’embout de la pointe, la densité du massif ainsi que le niveau de g. Ces essais ont été associés à des essais de chargement de pieu instrumenté et des essais de fondations superficielles et profondes afin de pouvoir relier les paramètres mécaniques de l’essai CLT au comportement des ouvrages. En considérant que la pointe du pénétromètre est un modèle réduit de pieu, une retombée directe de l’essai CLT est sa capacité d’être un outil de dimensionnement de fondations. A cet effet, une méthode directe utilisant la résistance de pointe et le frottement latéral limite de l’essai CLT a été proposée pour calculer la capacité portante et prédire le tassement d’un pieu.Cette méthode consiste en une nouvelle approche transformant les courbes de chargement et celles de mobilisation de frottement d’un essai CLT point par point en courbe charge-déplacement d’un pieu (courbes t-z). / The Cone Loading Test (CLT) is a new in situ test, which constitutes a major improvement to the piezocone penetration test (CPTu). The cone loading test consists in stopping the penetration (EN ISO 22476-1) at a desired depth, and carrying out a loading of the cone by successive load steps until the ground failure.The obtained loading curve, which relates the pressure applied on the cone in each step, to the cone settlement, is rich in information regarding soil deformability. Therefore, the test allows improved soil characterization by providing deformability parameters as well as the strength parameters obtained during a CPT test.The validation of the cone loading test method was conducted by three complementary approaches: experimental, numerical and physical.Several test campaigns were conducted on different sites such as the Merville site (Flanders clay), and two sandy sites in Utrecht (The Netherlands), and Limelette (Belgium). The results of these campaigns have shown that loading curves can be obtained for a modulus calculation, which is comparable to the other investigation tests moduli. The test is suitable for varied soil types. It is more representative of the initial soil state than other test types. Furthermore the boundary conditions are well controlled.In the numerical approach performed with Plaxis finite element modelling software, an important parametric study was done, in order to test the influence of cone geometry, loading type, behaviour model, soil parameters, initial conditions and boundary problem. CLT tests were also performed on reduced scale models in a geotechnical centrifuge. The objective was to test the influence of some parameters such as the loading rate, the cone geometry, the soil density and the level of g. These tests were associated with instrumented pile loading tests as well as shallow and deep foundation tests in order to link the mechanical parameters of the CLT test to the structures’ behaviour. By considering that the cone penetrometer is a reduced pile model, a very practical and interesting outcome is the potential of the cone loading test to be a foundations dimensioning tool. For this purpose, a direct method using the cone resistance and limit side friction of the CLT was proposed to calculate the bearing capacity, and predict the pile settlement. Thismethod is a new approach transforming the loading curves and those of friction mobilization of a CLT, point by point to a load-settlement curve of a pile (t-z curves).

Ce travail de thèse porte sur l’étude du comportement de l’interface sol-pieu sous sollicitations cycliques dans les sols fins. Dans ce cadre, un important programme expérimental a été réalisé en chambre d’étalonnage, à partir d’une sonde-pieu et d’un piézocône testés dans des massifs d’argile saturée. Pour réaliser cette étude, on a, en particulier, développé un consolidomètre prototype pour la reconstitution des massifs d’argile. On s’est intéressé plus particulièrement, lors de chargements cycliques réalisés à déplacement contrôlé, aux évolutions du frottement local mobilisé à l’interface sol-pieu et de la résistance en pointe. L’étude expérimentale a permis de mettre en évidence l’influence des paramètres clés sur le comportement observé et, plus spécifiquement, sur l’évolution des propriétés de frottement d’interface. On s’est intéressé, en particulier, à l’influence de l’amplitude du chargement cyclique, de la fréquence des sollicitations, ainsi que du nombre de cycles appliqués. L’accent a été mis sur le cas des grands nombres de cycles, typiquement quelques centaines de milliers, encore peu étudié dans la littérature. Il faut également ajouter l’étude de l’influence du niveau des contraintes initiales appliquées au massif. Les résultats expérimentaux ont permis de mettre en évidence, après une phase de dégradation initiale, une phase de renforcement du frottement local. Ce type de comportement n’a pas encore été décrit dans la littérature. La phase de dégradation est attribuée à l’augmentation progressive de la surpression interstitielle à l’interface au cours des cycles, tandis que la phase de renforcement est attribuée à la dissipation progressive de la surpression interstitielle. Par ailleurs, un essai de chargement cyclique sur un piézocône a été réalisé afin de quantifier précisément la variation des surpressions interstitielles à l’interface sol-pieu et dans le massif, lors des différentes phases de chargement, et ainsi valider les interprétations faites concernant les phases de dégradation et de renforcement. / This Ph.D. dissertation focuses on the behavior of the pile-soil interface under cyclic loading. In this context, an experimental program was conducted on the Navier calibration chamber using an instrumented pile-probe and a piezocone installed in saturated clay samples. In order to carry out this study, we developed, In particular a slurry consolidomètre prototype to reconstitute fully saturated clay samples. Special attention was given, during displacement controlled cyclic tests, to local friction evolution mobilized at the pile-soil interface and mobilized tip résistance. The experimental study has allowed the demonstration of the influence of the key parameters on the observed behavior and more specifically, on the local friction at the interface. We examined, in particular, the influence of amplitude of cyclic displacement, the frequency of cyclic loading and the applied number of cycles. Emphasis was put on the case of large number of a few hundred thousand of cycles that is still little studied in the literature. We also study the influence of initial consolidation pressure. The experimental results allowed us to identify, after an initial phase of stress softening, a new phase of stress hardening of local friction. This behavior is not yet described in the literature. The stress softening phase is related to the progressive generation of pore water pressure while the stress hardening, for its part, is related to a gradual dissipation of the generated pore water pressure. Furthermore, a complete sequence of monotonic and cyclic tests were conducted on a piezocone in order to quantify, in a precise manner, the generated pore water pressure at the pile-soil interface during different loading phases and thus validate interpretations given for stress-softening and stress-hardening phases based on the observed results.