Letteratura scientifica selezionata sul tema "Milieu poreux insaturé"

L’évaluation de l’impact environnemental de coupes pétrolières complexes constitue un enjeu primordial. Pour ce faire, il est en effet nécessaire de disposer d'informations sur les évolutions à la fois cinétiques et compositionnelles de ces coupes hydrocarbonées dans l’environnement. Cette étude a eu pour objet d'étudier l’influence des principaux facteurs limitants "pressentis" sur la vitesse de dégradation d'un produit pétrolier en phase au sein d'un milieu poreux insaturé en eau, par des microflores issues de sols pollués par des hydrocarbures pétroliers. Une procédure expérimentale a été développée en utilisant des membranes céramiques microporeuses, permettant de contrôler la saturation/désaturation respective de l'eau et de l'huile dans le milieu poreux. Dans ces conditions trois phases eau/huile/air occupent le volume poral, avec, pour chacune de ces phases, une répartition homogène sur toute la hauteur de milieu poreux. On peut, dans une certaine limite, régler pour chaque phase, son pourcentage moyen d'occupation du volume poral. Cette procédure a été validée en étudiant la cinétique de dégradation de l'hexadécane apporté en faible quantité dans une phase HMN non biodégradable. La cinétique de dégradation a été suivie en respirométrie, permettant à la fois la mesure et la fourniture d'oxygène. Deux principaux facteurs physico-chimiques limitants "pressentis", c'est-à-dire la granulométrie, et la saturation à l'eau ont été évalués avec une phase hydrocarbure simulée, d'abord par de l'hexadécane en phase pure, puis par deux coupes pétrolières, un gazole et un gazole déaromatisé, également en phase pure. L'azote, introduit par le biais de la phase eau, a été utilisé pour régler la quantité de biomasse dans ce milieu poreux et a permis d'obtenir des informations sur les facteurs physico-chimiques qui étaient limitants et de les hiérarchiser en fonction des conditions de milieux poreux expérimentés. Des données chiffrées sur des potentialités de transferts d'oxygène et d'hydrocarbures, (hexadécane en particulier) dans ces milieux poreux insaturés ont pu être obtenues. Avec des coupes hydrocarbures complexes (gazole et gazole déaromatisé), la dégradation des composés récalcitrants et en particulier des composés saturés peu solubles intervient également comme facteur limitant
Biological processes are expected to play an important role in the degradation of petroleum hydrocarbons in contaminated soils. However, factors influencing the kinetics of biodegradation are still not well known, especially in the unsaturated zone. To address these biodegradation questions in the unsaturated zone an innovative experimental set up based on a physical column model was developed. This experimental set up appeared to be an excellent tool for elaboration of a structured porous medium, with well defined porous network and adjusted water/oil saturations. Homogeneous repartition of both liquid phases (i. E. , aqueous and non aqueous) in the soil pores, which also contain air, was achieved using ceramic membranes placed at the bottom of the soil column. Reproducible interfaces (and connectivity) are developed between gas, and both non mobile water and NAPL phases, depending on the above-defined characteristics of the porous media and on the partial saturations of these three phases (NAPL, water and gas). A respirometric apparatus was coupled to the column. Such experimental set up have been validated with hexadecane in dilution in an HMN phase. This approach allowed detailed information concerning n-hexadecane biodegradation, in aerobic condition, through the profile of the oxygen consumption rate. We have taken benefit of this technique, varying experimental conditions, to determine the main parameters influencing the biodegradation kinetics and compositional evolution of hydrocarbons, under steady state unsaturated conditions and with respect to aerobic metabolism. Impacts of the nitrogen quantity and of three different grain sizes have been examined. Biodegradation of petroleum cut, as diesel cut and middle distillate without aromatic fraction, were also studied

Le CEA se doit d'un point de vue réglementaire de mettre en place des méthodes et outils opérationnels permettant de mesurer, contrôler et prédire d'éventuels rejets issus de ses installations nucléaires vers l'environnement. Cette thèse s'inscrit ainsi dans le développement d'un outil de transport réactif capable de prédire la migration de radionucléides (e.g. strontium-90, césium-137) dans les sols et les nappes situés au droit des installations. L'approche employée repose sur le couplage entre un modèle de rétention basé sur la Théorie des Echangeurs d'Ions multi-sites (TEI) développée au CEA et un modèle de transport. Cette approche a déjà été validée en milieu saturé en eau (Lu, 2013 ; Wissocq, 2017). Or, comme dans la plupart des environnements de surface, il existe sur les sites CEA, dont celui de Cadarache, une épaisseur, qui peut être pluri-métrique, de sédiments partiellement saturés en eau. L'objectif de ce travail est donc de proposer un outil permettant de prédire le transport réactif de Sr et Cs au sein du sédiment insaturé du site de Cadarache. Pour ce faire, après une caractérisation fine du matériau, ses propriétés de rétention vis-à-vis de Sr et Cs ont été étudiées en condition statique. Puis, des expériences dynamiques de transport de traceurs inerte (2H) puis réactifs (Sr et Cs) ont été réalisées sur des colonnes remplies du matériau compacté en conditions saturées, à une teneur en eau volumique de 0,46, et insaturées, à 3 teneurs en eau, 0,24, 0,21 et 0,19.Les résultats de caractérisation du sédiment montrent qu'il est composé essentiellement de calcite (35 %) et de minéraux argileux (19 %). Dans le modèle de rétention TEI, les minéraux argileux (illite et smectite) sont considérés comme les seules phases réactives vis à de Sr et Cs. Notons que ce modèle de rétention repose sur une base de données de rétention préexistante constituée notamment des propriétés d'échange de ces phases pures vis-à-vis de Sr2+, Cs+, Ca2+ et H+. Les résultats des expériences de rétention de Sr et de Cs en condition statique réalisées sur la fraction < 2µm décarbonatée à deux niveaux de force ionique démontrent que la rétention est pilotée par un mécanisme d'échange d'ions, et ce, de par la réversibilité de la rétention et la très bonne description des données par le modèle TEI. Les expériences effectuées sur la fraction < 2µm carbonatée ne révèlent aucune limitation d'accessibilité aux sites de sorption par la calcite. Néanmoins, la rétention de Sr augmente significativement par rapport aux valeurs modélisées avec de l'échange d'ions uniquement, indiquant une potentielle incorporation du Sr dans la calcite et une précipitation de strontianite. Enfin, les expériences de traçage en colonne réalisées à plusieurs degrés de saturation ont été interprétées avec deux modèles de transport (ADE et MIM), couplés à trois approches décrivant la rétention de complexité croissante : Kd constant, isotherme de Langmuir et modèle mécanistique de rétention, TEI. En conditions saturées, les essais avec Sr sont très bien reproduits avec le modèle de rétention TEI, couplé à un modèle de transport ADE, en prenant les valeurs de coefficient de dispersivité ajustées sur les traçages inertes. Les simulations du Cs sont moins satisfaisantes, révélant de potentiels effets cinétique sur la sorption de ce cation. Par rapport aux conditions saturées, les essais effectués en conditions insaturées avec le traceur inerte montrent une augmentation de la dispersivité et une diminution du coefficient de transfert. Les essais avec Sr en conditions insaturés ne peuvent être reproduits avec les valeurs de dispersivité et de coefficient de transfert déterminées avec le traçage inerte, ces valeurs devant être fortement diminuées. Néanmoins, ces essais montrent que la réduction de la teneur en eau ne joue pas sur la réactivité des phases solides argileuses, même si l'accessibilité à l'écoulement des sites de sorption en condition insaturé est réduite d'environ 10%
From a regulatory standpoint, the CEA is obliged to implement operational methodologies and instruments to quantify, regulate, and anticipate any releases from its nuclear facilities into the surrounding environment. This thesis forms part of the development of a reactive transport tool capable of predicting the migration of radionuclides (strontium-90, caesium-137) in soils and groundwater located in the vicinity of facilities. The methodology employed is based on the integration of a retention model, derived from the Theory of Multi-site Ion Exchangers (TIE) developed at the CEA, with a transport model. This approach has already been validated in a water-saturated environment (Lu, 2013; Wissocq, 2017). However, the majority of surface environments, Cadarache CEA site included, are characterised by the presence of sediments that are water-partially saturated, with a thickness that can reach several metres. The objective of this study is to develop a tool for predicting the reactive transport of Sr and Cs within the unsaturated sediment of the Cadarache site. To achieve this, a comprehensive characterization of the material was conducted, followed by an investigation of its retention properties with respect to Sr and Cs under static conditions. Subsequently, dynamic experiments were conducted on the transport of inert (²H) and then reactive tracers (Sr and Cs) in columns filled with compacted material under saturated conditions (volumetric water content: 0.46) and unsaturated conditions (three water contents: 0.24, 0.21 and 0.1).The results of the sediment characterization indicate that the material is predominantly composed of calcite (35%) and clay minerals (19%). In the TIE retention model, the clay minerals (illite and smectite) are regarded as the sole reactive phases with respect to Sr and Cs. It should be noted that this retention model is based on a pre-existing retention database, which includes the exchange properties of these pure phases with respect to Sr²⁺, Cs⁺, Ca²⁺ and H⁺. The results of the Sr and Cs retention experiments conducted under static conditions on the <2 µm free-carbonated fraction at two ionic strength levels demonstrate that the retention process is driven by an ion exchange mechanism. This is evidenced by the reversibility of the retention process and the excellent fit of the data to the TIE model. The experiments conducted on the infra 2 µm bulk fraction do not indicate any restriction in the accessibility of the sorption sites by calcite. However, the retention of strontium is observed to increase significantly in comparison to the values predicted by the ion exchange model alone, suggesting the potential incorporation of Sr into calcite and the precipitation of strontianite.Finally, column tracing experiments carried out at several degrees of saturation were interpreted using 2 transport models (ADE and MIM), coupled with 3 approaches describing retention of increasing complexity: constant Kd, Langmuir isotherm and mechanistic retention model, TIE. In saturated conditions, tracings with Sr are very well reproduced with the TIE retention model, coupled with an ADE transport model, using dispersivity coefficient values adjusted for inert tracings. The simulations of Cs are less satisfactory, revealing potential kinetic effects on the sorption cation. Compared with saturated conditions, tracing experiments carried out under unsaturated conditions with the inert tracer show an increase in dispersivity and a decrease in the transfer coefficient. The tracing with Sr under unsaturated conditions cannot be reproduced with the dispersivity and transfer coefficient values determined on the inert tracer, as these values have to be greatly reduced. Nevertheless, these tests show that the reduction in water content does not affect the reactivity of the solid clay phases, even though the accessibility of the sorption sites to flow under unsaturated conditions is reduced by 10%

La dispersion dans des milieux poreux homogènes (empilements de grains) a été étudiée par des mesures par résonance magnétique nucléaire (RMN) et des simulations de marches aléatoires dans un réseau de pores. La RMN permet de mesurer l'ensemble des déplacements des molécules d'eau durant un temps tΔ, et d'obtenir propagateurs et moments caractéristiques. L'évolution temporelle du second moment σ (σ2 ∝ taΔ) permet de caractériser de manière précise le régime de dispersion des molécules (Gaussien ou anormal). Des mesures pour des écoulements de 15 < Pe < 45 dans un empilement de grains de 30μm ont permis d'observer une dispersion anormale faiblement super-dispersive (a = 1.17) en écoulement saturé et une augmentation progressive du caractère super-dispersif avec la diminution de la saturation en eau (jusqu'à a = 1.5 pour 42 %)lors d'une co-injection stationnaire eau-huile. En écoulement saturé, les propagateurs et courbes de percée sont quasi-gaussiennes, tandis qu'en écoulement insaturé, les propagateurs sont asymétriques et les courbes de percée présentent des trainées aux grands temps. Dans ces conditions, on montre que la dispersion anormale observée est mieux décrite par des lois stables de Lévy que par des lois gaussiennes. Des simulations de marche aléatoire ont été réalisées dans un réseau de pores extrait d'un milieu poreux réel par imagerie microscanner.Elles permettent d'obtenir les mêmes informations que la RMN, les marcheurs se déplaçant par advection et diffusion. Ces simulations montrent l'existence d'une stagnation non observée dans les expériences, montrant que la simplification du réseau poreux est trop importante et empêche de reproduire certains aspects du champ de vitesses détecté par la RMN. Toutefois, l'évolution temporelle du second moment a également un caractère super-dispersif à temps long à 100 % de saturation

Dans la zone insaturée, l’altération des roches poreuses en condition de séchage est attribuée principalement aux sels qui cristallisent dans la solution porale lors de son évaporation. Ils exercent une pression (pression de cristallisation) contre les parois du pore dont le moteur est la sursaturation de la solution. Dans le même contexte, l’eau porale qui est retenue par capillarité dans les pores nanométriques est amenée sous pression négative. L’eau sous tension capillaire exerce une traction mécanique contre les parois du pore, mais aussi modifie les équilibres chimiques. Ces deux mécanismes, pression de cristallisation et traction capillaire, qui sont de nature physique, ont pour origine le déséquilibre chimique entre l’eau porale et l’air sec.Des expériences de cristallisation de sels (Na2SO4, NaCl) permettent 1/ de mettre en évidence des conditions favorables à l’expression de la pression de cristallisation, qui apparait comme un phénomène brutal et transitoire provoqué par la relaxation d’un état de déséquilibre (sursaturation), et 2/ de montrer que la tension capillaire, générée par une interface nanométrique, peut être transmise à un macrovolume dans un système géométrique particulier construit par les sels. L’état de tension y est métastable (l’eau est surchauffée) mais dure suffisamment longtemps pour observer les effets mécaniques (traction) et chimiques (dissolution) attendus. La relaxation brutale de l’état de surchauffe permet une rapide sursaturation, qui est le moteur de la pression de cristallisation.Ainsi, les cycles climatiques sont à l’origine d’évènements brutaux et transitoires qui marquent la relaxation d’un état de déséquilibre (surchauffe et sursaturation), contrôlés par la tension capillaire et la cristallisation des sels qui coopèrent pour altérer la roche en conditions de séchage
The alteration of porous media in drying conditions is generally attributed to the pressure exerted by growing salts from the poral evaporating solution against the pore wall (crystallization pressure). In drying conditions, the water retained by capillarity in nanometric pores is under absolute negative pressure. Water under capillary tension exerts a mechanical traction against the pore walls but also modifies the chemical equilibria and so rock-fluid interactions. Crystallization pressure and capillary tension, which are physical processes, are both induces by the disequilibrium between poral water and dry air.Salt crystallization experiments in microtubes (Na2SO4, NaCl) show some favorable conditions for crystallization pressure - in terms of supersaturation and geometry – which is transient and brutal. A second series of experiments shows that capillary tension, generated by a nanometric liquid air interface, can be transmitted to a macrovolume of aqueous solution in a particular geometric system built with salts. The tensile state is metastable (superheated), but long enough to modify significantly the chemical budget of the system and to see mechanical effects. The brutal relaxation of the superheating state by vapor nucleation induces a rapid salt supersaturation which is the driving force of the crystallization pressure.The salt growth (during evaporation) and capillarity cooperate in drying conditions to alter porous media.During climate cycles (especially humidity) they control and induce transient and brutal events which mark the end of metastable states (superheating and salt supersaturation)

Le probleme des conditions aux limites a imposer pour la resolution des equations macroscopiques de transferts dans les milieux poreux est etudie. L'etude est basee sur une modelisation des regions frontieres et est effectuee dans le cadre de la methode de prise de moyenne avec probleme de fermeture. L'erreur sur la prediction des champs macroscopiques par resolution du modele macroscopique liee au fait que les conditions aux limites sont specifiees au niveau macroscopique est calculee dans le cas de la diffusion pure ou de la conduction pure pour differents types de conditions aux limites. On considere ensuite le cas ou un fluide externe est le siege d'un ecoulement parallele a l'interface milieu poreux milieu externe. On montre que, lorsque la taille des heterogeneites microscopiques est suffisamment petite devant les dimensions caracteristiques de l'ecoulement externe, on peut se ramener a un probleme classique de transfert couple. Des informations complementaires sont obtenues par simulation directe de l'ecoulement microscopique dans la zone interfaciale pour un milieu poreux modele. Lorsque le milieu poreux est non sature, une methode numerique de prediction de l'evolution spatio-temporelle des grandeurs interfaciales et des champs de teneur en eau et de temperature au sein du milieu poreux est presentee. L'effet d'heterogeneites macroscopiques de saturation sur les coefficients de transferts convectifs interfaciaux est examine. Finalement, dans le cas des milieux non satures, la question de l'interface renvoie a un reexamen de la modelisation des mecanismes internes cote milieu poreux

L’objectif de cette étude est de préciser le lien existant entre la microstructure porale des matériaux cimentaires et leurs propriétés diffusives au gaz en fonction de la localisation de la phase aqueuse dans les pores et de la saturation globale du matériau. Les matériaux cimentaires étudiés sont des pâtes de ciment et des mortiers. Pour répondre à l’objectif de l’étude, les matériaux étudiés sont caractérisés de façon détaillée en croisant plusieurs techniques expérimentales : porométrie au mercure, porométrie à l’eau, thermoporométrie, sorption d’azote et désorption de vapeur d’eau. D’un autre côté, des essais de diffusion sur les matériaux conservés à l’humidité relative contrôlée permettent de déterminer l’évolution de la diffusivité en fonction de l’état de saturation en mesurant le coefficient de diffusion effectif à l’hydrogène grâce à la chromatographie en phase gazeuse. Ces résultats expérimentaux constituent aussi la base de données permettant une comparaison à une approche par simulation numérique. La modélisation numérique approche les phénomènes de transfert par la combinaison de la diffusion ordinaire et de la diffusion de Knudsen à travers des modèles de milieu poreux et tient compte de la tortuosité et du niveau de saturation du milieu poreux
This thesis documents the relationship between the porous microstructure of cement based materials and theirs gaseous diffusivity properties relative to the aqueous phase location and the global saturation level of the material. The materials studied are cement pastes and mortars. To meet the thesis objective, the materials are characterized in detail by means of several experimental methods: mercury intrusion porosimetry, water porosimetry, thermoporometry, nitrogen sorption and water desorption. In addition, diffusion tests realized on materials maintained in controlled humidity chambers allow obtaining the effective hydrogen diffusivity as function of the microstructure and the saturation state of material with a gas chromatography. The experimental results are then used as a data base that is compared to a modeling approach. The model developed consists of a combination of ordinary diffusion (Fick regime) and Knudsen diffusion of hydrogen. The model also accounts for the effects of the liquid curtains, the impact of tortuosity on gas diffusion, and the saturation level of the porous system

L'activité humaine a un impact significatif sur la vadose, une zone située au-dessus des nappes phréatiques, qui n'est que partiellement saturée en eau. La vadose peut être polluée par les activités agricoles ou industrielles, ce qui constitue une menace pour les ressources en eau. De plus, la saturation varie considérablement, notamment en raison des sécheresses plus fréquentes dues au changement climatique. Prévoir le transport de contaminants en milieux insaturées est donc essentiel. Cependant, la compréhension de la dispersion dans les milieux poreux insaturés reste limitée, en raison de l'interaction complexe des flux multiphasiques non miscibles avec le milieu poreux. Les modèles traditionnels tels que le modèle Fickien, décrit par l'équation d'Advection-Diffusion, ne parviennent pas à rendre compte avec précision de la dispersion dans les milieux poreux insaturés. L'objectif est d'aborder la question du transport dans les milieux poreux insaturés en identifiant les propriétés pertinentes à l'échelle du pore pour comprendre la dispersion à plus grande échelle. Il s'agit notamment de déterminer si la dispersion est fickienne ou non-fickienne, ce qui est crucial pour prédire la propagation des polluants. Une double approche est adoptée : des expériences de transport à l'échelle du pore et des simulations de Lattice Boltzmann. La visualisation directe des fluides dans les milieux poreux est un défi. Nous utilisons donc des micromodèles, réseaux poreux transparents interconnectés, pour permettre la visualisation optique à l'échelle du pore. Tout d'abord, un dispositif expérimental micromodèle a été établi et optimisé pour étudier l'écoulement et le transport multiphasiques. Des méthodes d'analyse ont été développées, ainsi que des techniques de caractérisation de la dispersion par l'analyse des moments spatiaux. Une première série d'expériences mène à des résultats préliminaires, l'évolution de la saturation et des distributions de phases avec le nombre capillaire a été caractérisée. Les expériences de transport réalisées pour toute la gamme de saturation montrent que la dispersion augmente à mesure que la saturation diminue. Cependant, l'analyse des faibles saturations s'est avérée difficile en raison de l'augmentation significative de la dispersion et des limites imposées par la taille du micromodèle, empêchant l'étude de la dispersion à long terme. Pour surmonter cette limitation, des simulations Lattice-Boltzmann ont été utilisées pour l'écoulement et le transport, car elles sont flexibles en taille et seulement limitées par le temps de calcul. Toutefois, simuler la distribution de deux phases après un écoulement multiphasique dans un milieu poreux complexe reste un défi. Générer des images à grande échelle de milieux poreux insaturés à partir de données expérimentales s'est donc avéré nécessaire pour observer la dispersion à temps long. Un algorithme de statistique multipoints (MPS) a été utilisé pour générer à la fois des images de milieux poreux non saturés plus larges et un grand ensemble de d'images plus petites pour augmenter la signification statistique de l'étude. Des simulations d'écoulement et de transport ont été réalisées sur l'ensemble des images générées afin d'explorer l'influence de la saturation sur l'écoulement et le transport. Cette étude révèle que la diminution de la saturation augmente de manière significative l'hétérogénéité de l'écoulement, ce qui entraîne une dispersion accrue. Notamment, la nature non fickienne de l'écoulement tend à être plus prononcée à faible saturation. De plus, la transition d'un transport fickien à un transport non fickien dépend du nombre de Peclet. Il existe une compétition entre l'advection et la diffusion dans des conditions saturées, ce qui entraîne un régime Fickien diffusif pour les faibles nombres de Peclet. Cependant, le transport en conditions non saturées est principalement advectif, même à faible nombre de Peclet, et présente donc un comportement non Fickien
Human activity has a significant impact on the vadose zone, an area located below the land surface and above the water tables, only partially saturated with water. The vadose is susceptible to pollution from agricultural or industrial activities, posing a threat to water resources. Plus, saturation levels vary greatly, especially with the increasing frequency of droughts due to climate change. Hence, predicting contaminant transport in unsaturated conditions is crucial. However, the understanding of dispersion in unsaturated porous media remains limited, due to the complex interaction of multiphase non-miscible flows with the porous medium. Traditional models such as the Fickian model, described by the Advection-Diffusion Equation, fail to accurately capture dispersion in unsaturated porous media.The objective is to address the issue of transport in unsaturated porous media by identifying relevant properties at the pore scale to understand dispersion at a larger scale. One of the goals is to determine whether dispersion follows Fickian or non-Fickian behavior, as this understanding is crucial for predicting the spreading of pollutant in the vadose zone.To investigate transport in unsaturated porous media, a dual approach is being employed: pore scale transport experiments and Lattice Boltzmann simulations. Direct visualization of fluid structure in natural porous media is challenging. Thus, we use micromodels, transparent interconnected porous networks, to enable optical visualization at the pore scale. First, a micromodel experimental setup was established and optimized to study multiphase flow and transport. Analysis methods were developed, along with techniques for characterizing dispersion through spatial moment analysis.A series of experiments were conducted to obtain initial results on multiphase flow and dispersion. The evolution of saturation and phase distributions with the capillary number was characterized. Transport experiments were performed for the entire range of saturations, showing that dispersion increases as saturation decreases. However, analyzing low saturations was challenging due to the significant increase in dispersion and limitations imposed by the micromodel size, preventing the study of long-term dispersion.To overcome this limitation, Lattice Boltzmann simulations were used for flow and transport, as there is no size limitation except for computational time. However, simulating the distribution of two phases after a multiphase flow in a complex porous medium remains challenging. Generating large-scale images of unsaturated porous media based on experimental data was then crucial for observing late-time dispersion. Machine learning techniques, specifically the Multiple Point Statistic algorithm, were employed to generate images of wider unsaturated porous media and a large dataset of smaller images to increase the statistical significance of the study.Flow and transport simulations were conducted using the generated image dataset to explore the influence of saturation on flow and transport. This involved examining flow properties under saturated and unsaturated conditions. The nature of transport, specifically whether it exhibited Fickian or non-Fickian behavior was investigated. Furthermore, the effect of the Peclet number (a measure of the balance between advection and diffusion) on dispersion for different saturation levels was analyzed.This study revealed that decreasing saturation significantly increases flow heterogeneity, leading to increased dispersion. Notably, the non-Fickian nature of flow tends to be more pronounced with low saturations. Plus, the transition from Fickian to non-Fickian depends on the Peclet number. There is a competition between advection and diffusion in saturated conditions, resulting in a diffusive Fickian regime for low Peclet numbers. However, transport in unsaturated conditions is mainly advective, even at low Peclet, and thus displays a non-Fickian behavior

Ce travail de recherche se situe dans le cadre du développement de la méthode des éléments de frontière (BEM) pour les milieux poreux multiphasiques. À l'heure actuelle, l'application de la BEM aux pr oblèmes des milieux poreux non-saturés est encore limitée, car l'expression analytique exacte de la solution fondamentale n'a pas été obtenue, ni dans le domaine transformé ni dans le domaine réel. Ceci provient de la complexité du système d'équations régissant le comportement des milieux poreux non-saturés. Les développements de la BEM pour les sols non-saturés effectués au cours de cette thèse sont basés sur les modèles thermo-hydro-mécanique (THHM) et hydro-mécanique (HHM) présentés dans la première partie de ce mémoire. Ces modèles phénoménologiques basés sur la théorie de la poromécanique et les acquis expérimentaux sont obtenus dans le cadre du modèle mathématique présenté par Gatmiri (1997) et Gatmiri et al. (1998). Après avoir présenté les modèles THHM et HHM, on établit pour la première fois les équations intégrales de frontière et les solutions fondamentales associées pour un milieu poreux non-saturé sous chargement quasi-statique pour les deux cas isotherme (2D dans le domaine de Laplace) et non-isotherme (2D et 3D dans les domaines de Laplace et temporel). Aussi, les équations intégrales de frontière ainsi que les solutions fondamentales 2D et 3D (dans le domaine de Laplace) pour le modèle dynamique couplé des sols non-saturés sont obtenues. Ensuite, les formulations d'éléments de frontière (BEM) basées sur la méthode quadrature de convolution (MQC) concernant les milieux poreux saturé et non-saturé sous chargement quasi-statique isotherme et dynamique sont implémentées dans le code de calcul " HYBRID ". Ayant intégrées les formulations de BEM pour les problèmes de propagation d'ondes ainsi que pour les problèmes de consolidation dans les milieux poreux saturés et non-saturés, il semble que nous ayons fourni à l'heure actuelle le premier code de calcul aux éléments de frontière (BEM) qui modélise les différents problèmes dans les sols secs, saturés et non-saturés. Une fois le code vérifié et validé, des études paramétriques portant sur des effets de site sismiques sont effectuées. Le but recherché est d'aboutir à un critère simple, directement exploitable par les ingénieurs, combinant les caractéristiques géométriques et les caractéristiques du sol, permettant de prédire l'amplification du spectre de réponse en accélération dans des vallées sédimentaires aussi bien que vides

Ce travail de recherche porte sur le comportement des milieux poreux (triphasiques), plus particulièrement les sols non saturés sous sollicitations hydro-mécaniques. Un modèle constitutif élastoplastique couplé est développé. Ce modèle original est formulé selon les principes suivants: une loi constitutive est développée pour décrire le comportement de chaque phase (squelette solide, liquide, et gaz). Ensuite, des relations de couplage sont ajoutées entre chacune des phases. Pour le comportement du squelette solide, une loi élastoplastique non associée est adoptée, avec deux surfaces de charges, en cisaillement et en compression. La partie hydrique est décrite par une formulation qui permet de prendre en compte l’effet d’hystérésis. Ce modèle a été enrichi par une relation de couplage hydromécanique qui permet d’exprimer la pression d’entrée d’air en fonction de la porosité. Ensuite, le couplage complet se fait avec la contrainte effective de Bishop en utilisant une nouvelle définition du paramètre de succion χ grâce à laquelle, les différents phénomènes présents dans la réponse des milieux poreux sous différentes sollicitations peuvent être reproduits. Ce modèle est validé par une confrontation à des données expérimentales issues de la littérature sur différents types de sol (sable, limon,…). Le modèle est implanté dans le code aux éléments finis Cast3M. L’analyse de problèmes particuliers, tels que la mise en œuvre d’un cas test d’un sol d’assise soumis à un cycle pluvial, ainsi que l’étude de la stabilité d’une pente, permette de montrer la capacité du modèle à reproduire le comportement des milieux poreux non saturés
This work focuses on the behaviour of porous triphasic media, particularly on unsaturated soils subjected to hydromechanical loading. A coupled elastoplastic constitutive model has been developed. This original model is formulated according to the following principles: (1) a constitutive law describing the behaviour of different phases (solid skeleton, liquid and gas). (2) coupling relationships between each phase. For the behaviour of the solid skeleton, a non associated elastoplastic constitutive law is adopted, with two loading surfaces: shear surface and compression cap surface. The hydric part is discribed using a formulation which allows to take into account the hysteresis effect. This model has been extended using a hydromechanical coupling relation between the air entry value and the porosity. Then the coupling is completed with the Bishop effective stress, using a new definition for the suction parameter χ. Using this formulation, the various phenomena present in the porous media behaviour under different loading can be reproduced. The developed model has been validated through a comparison with experimental data on different types of soil (sand, silt,…). This model is implemented in the french finite element code Cast3M. The analysis of specific problems, such as (1) the study of shallow foundation subjected to cyclic rain event, as well as (2) the study of slope stability, show the model capacity to reproduce the behaviour of unsaturated porous media