Дисертації з теми "Glissements de terrain – Simulation par ordinateur"

Les glissements de terrain déclenchés par des séismes sont une source de risque majeure. C'est un phénomène ubiquiste, et ses conséquences s'étendent des coupures des voies de communication aux tsunamis. Afin de comprendre les processus qui entraînent leur instabilité, nous nous sommes demandé : peut-on modéliser les glissements sur faille préexistante et leur déclenchement sismique à l'aide d'une loi de friction rate-and-state dérivée d'expériences de laboratoire ? Dans un premier temps, nous avons identifié les rôles des propriétés du glissement (friction, épaisseur de la masse sédimentaire...) et de l'onde incidente (fréquence, durée et amplitude) au travers de simulations numériques par la méthode des éléments spectraux, et d'analyses théoriques. En suivant la variable d'état de la loi rate-and-state, il nous est possible de déterminer l'état de stabilité d'un glissement considéré dans le cas d'ondes incidentes mono-fréquentielles. Dans un second temps, nous avons appliqué ces résultats théoriques au cas de la pente sous-marine de l'aéroport de Nice. À l'aide des précédentes études et de récentes carottes sédimentaires forées aux abords de la cicatrice d'arrachement du glissement de 1979 (campagne IFREMER MaRoLyS-PenFeld), et de tests de friction au laboratoire de l'Université La Sapienza à Rome, nous avons contraint les paramètres géomécaniques du glissement dans nos simulations. Ces valeurs, associées à l'utilisation de fonctions de Green empiriques pour les ondes incidentes, nous ont permis d'analyser la stabilité de la pente sous-marine niçoise sous différents scénarios de déclenchement sismique, en particulier des séismes de magnitude 6.5 à différentes distances épicentrales
Coseismic landslides contribute to casualties and economic losses during earthquakes.This phenomena is ubiquitous, and its consequences range from cutting off road portions to tsunamis. In order to understand the processes that lead to their instability, we asked ourselves: can we model landslides on pre-existing faults and their seismic triggering using a friction law derived from laboratory experiments, the rate-and-state law. In a first step, we identified the roles of the properties of the landslide (friction, thickness of these dimentary mass, etc.) and the incident wave (frequency, duration, and amplitude) through numerical simulations using the spectral element method and theoretical analyses. By following the state variable of the rate-and-state law, we can determine the stability state of a landslide considered in the case of single-frequency incident waves. In a second step, we applied these theoretical results to the case of the underwater slope of Nice airport. Using previous studies and recent sediment cores drilled near the 1979 landslide tear scar (IFREMER MaRoLyS-PenFeld oceanographic campaign), and rate-and-state laboratory tests at University La Sapienza in Rome, we constrained the geomechanical parameters of the landslide in our simulations. These values, combined with the use of empirical Green's functions for incident waves, allowed us to analyze the stability of the Nice submarine slope under different seismic triggering scenarios, in particular earthquakes of magnitude 6.5 with different epicentral distance

Depuis ces dernières décennies, peu de sujets de la géologie de l’ingénieur ont attiré autant l’attention de la communauté scientifique que ceux traitant des risques naturels et plus particulièrement des instabilités gravitaires de grandes ampleurs reconnues sous les termes de DSGSD (Deep Seated Gravitational Slope Deformation) et de DSL (Deep Seated Landslide). Basée sur un nombre limité de cas d’étude à l’échelle naturelle (couplage datation et surveillance récente), la dynamique temporelle à court terme reste l’un de leurs aspects les moins étudiés aujourd’hui. Nous avons choisi l’exemple du massif de la Cristallère, situé en haute Vallée d’Aspe dans les Pyrénées béarnaises, où le DSL de la Cristallère a été récemment identifié et analysé à partir de deux méthodes de datation.Dans la continuité de ce travail, notre première approche consiste à évaluer la dynamique temporelle à court terme des mouvements de ce versant à différentes échelles et à partir de différentes méthodes de positionnement par satellites (constellations GPS et GLONASS) : positionnement multistations RGP (Réseau Géodésique Permanent), statique géodésique avec pivot et statique rapide avec pivot. Nous insistons dans ce travail, compte tenu des résultats originaux obtenus, sur l’intérêt du différentiel GNSS (Global Navigation Satellite System) avec un pivot qui se doit d’être proche géographiquement des observations à mener afin d’assurer une précision suffisante (de l’ordre du cm).Les observations et l'exploitation des modèles numériques de terrain issues des relevés aériens à différentes échelles obtenus avec un drone du type « aile volante » constituent la deuxième approche de ce travail de recherche. Elles viennent compléter la cartographie du site et démontrer l’existence d’un DSGSD à partir d’une caractérisation géomorphométrique haute résolution et haute précision (de l’ordre du cm également) ; elles permettent d’affiner la délimitation du DSL de la Cristallère et de sa zone la plus active (Pène du Thès) et du DSL du Peilhou.À ces deux approches complémentaires (combinaison de données tridimensionnelles ponctuelles et surfaciques), s’ajoutent préalablement un relevé de terrain géologique etgéophysique (mesures structurales, tomographies de résistivités électriques et profils électromagnétiques Very Low Frequency) ainsi qu’une analyse des archives disponibles sur les ouvrages présents dans le versant instable, tels que la galerie drainante de la centrale hydroélectrique du Baralet et l’ancien tunnel ferroviaire du Peilhou.L’utilisation combinée de ces trois approches confirme que les mouvements profonds du massif de la Cristallère sont encore actifs avec un forçage sismique avéré : la prise de conscience du rôle que peut jouer le DSGSD est tout aussi fondamentale. Ainsi tous les ouvrages existants dans le massif, ou les projets d’aménagement ou de réhabilitation sur ce site doivent considérer l’existence d’une déstructuration, lente et progressive de l’ensemble du massif (DSGSD). Par ailleurs, la méthodologie développée dans ce travail se veut générale et peut être utilisée pour surveiller et suivre, à court et moyen terme, tous types de mouvement de terrain, et en particulier les glissements de terrain ou rocheux, profonds ou superficiels, lents ou rapides
For these last decades, few subjects of the geology of the engineer have drawn the attention of the scientific community as much as those dealing of the natural hazards and more particularly with large-scale gravitational instabilities known as DSGSD (Deep Seated Gravitational Slope Deformation) and DSL (Deep Seated Landslide). Based on few cases study on a natural scale (dating and recent monitoring), short term temporal dynamics remains one of their least studied aspects today. We made the choice of the Cristallère massif as an example. It is located in Upper Aspe Valley of the Pyrenees (Béarn region). The Cristallère DSL was recently identified and analyzed through two dating methods.On the basis of this work, our first approach consists in assessing short term temporal dynamics of these slopes movements on various scales and with various methods of satellites positioning (GPS and GLONASS constellations): multistation positioning RGP (Permanent Geodetic Network in France), statics geodetic with pivot and fast static with pivot. We insist in this work, given the original results obtained, on the interest of the differential GNSS (Global Navigation Satellite System) with a pivot which must be geographically close to the observations to be carried out in order to ensure sufficient accuracy (cm).Observations and exploitation of drone digital elevation models of the site from aerial surveys at different scales obtained with a “flying wing” are the second approach to this research work. They complete the mapping of the site and demonstrate the existence of a DSGSD based on a high resolution and high precision geomorphometric characterization (cm); they make it possible to refine the delimitation of the Cristallère DSL and its most active area (Pène du Thès) and the Peilhou DSL.In addition to these two complementary approaches, a geological and geophysical survey (structural geology measurements, electrical resistivity tomographies and electromagnetic profiles Very Low Frequency surveys) and an analysis of the available data on the structures present in the unstable slope, such as the large diameter underground water pipe for the hydroelectric plant of Baralet and the former railway tunnel of Peilhou. The combined use of these three approaches confirms that the deep movements of the Cristallère massif are still active with proven seismic forcing: awareness of the potential role taken by the DSGSD is then fundamental. Thus, all the existing structures in the massif or the projects on this site (new constructions or rehabilitation of old structures) have to consider the existence of a slow and gradual change of the entire massif (DSGSD). Moreover, the methodology developed in this work is intended to be general. It also makes possible to monitor and follow, in the short and medium term, all types of ground movement, in particular landslides or rockslides, deep or superficial, slow or fast

Le travail de ce mémoire a été réalisé dans le but d'étudier les possibilités de localisation de cavités peu profondes par la réflexion sismique haute résolution. Il se compose de trois parties. La première partie consiste à développer des outils numériques pour simuler convenablement la propagation d'ondes sismiques hautes fréquences. Pour cela, on présente une méthode d'analyse de la dispersion numérique. On montre qu'un bon contrôle de cet aspect permet d'obtenir correctement les vitesses de propagations d'ondes ainsi que les réflexions. On propose dans un deuxième temps de prendre en compte l'amortissement matériel du sol dans les simulations en modifiant notre code de calcul. Cette prise en compte permet de respecter les aspects énergétiques et fréquentiels des différentes ondes. La deuxième partie consiste à étudier la possibilité de localisation des cavités par simulation numérique. Cette possibilité dépend entre autre de la forme et de la taille de la cavité, de la hauteur qui la sépare de l'interface située immédiatement sous la cavité, de la disposition des différentes couches géologiques, de la disposition du système d'acquisition en surface, et de la longueur d'onde du sondage. On propose d'analyser indépendamment l'influence de certains de ces paramètres sur la possibilité et la précision de localisation des cavités. La troisième partie consiste à mener une campagne de mesures utilisant la réflexion sismique haute résolution sur un site possédant des cavités souterraines. En profitant des conclusions de la partie précédente, on tente d'établir une carte de présence des vides sur les profils sismiques sondes.

Les vagues de tsunami sont des ondes longues générées par des événements géophysiques impulsifs de la croûte terrestre, de volcans, d’impacts d’astéroïdes et de glissements de terrain. Si la majorité des tsunamis sont d'origine tectonique, l'effondrement en masse d'un relief côtier peut constituer une source importante de l’aléa tsunami. Après une brève introduction sur les différentes générations de tsunamis dans l'histoire et les enjeux de cette thèse, le chapitre 1 présente les principaux résultats bibliographiques sur la génération et la propagation de tsunamis, ainsi qu’un rappel sur l’établissement des équations s’appliquant à l’étude des vagues extrêmes. Le second chapitre est dédié à la présentation des différents codes numériques utilisés dans ce manuscrit, à savoir, Gerris et SPHysics. Le chapitre 3 s'intéresse à la génération de tsunami par l’impact d’un bloc solide. Les résultats expérimentaux sont comparés aux résultats numériques des deux codes. A partir de là, une étude systématique a été faite, menant à des lois d’échelles sur le temps d’arrivée et l’amplitude de la première vague générée. Dans le chapitre 4, les interactions entre le glissement de terrain et la vague générée sont étudiées expérimentalement à l'aide d'impact granulaire initialement sec dans l'eau. Une étude systématiques des différents paramètres met en lumière l'importance des propriétés du glissement sur la vague générée. Enfin, Le chapitre 5 est dédié à l’étude de l’effondrement du Cap Canaille à Cassis. Cette étude numérique utilise un modèle de génération et de propagation simplifié afin d'estimer le potentiel destructeur d'un éventuel effondrement majeur
Tsunami waves are long waves generated by impulsive geophysical events of earth's crust, volcanoes, asteroids impacts or landslides. Even if most of the tsunamis are generated by submarine earthquakes, the massive collapse of coastal landscape may constitute an important source of tsunami hazard. After introducing historical tsunami events, chapter 1 presents a state-of-the-art on the generation and propagation of tsunami waves and the main equations dealing with extreme water waves. Chapter 2 presents the numerical codes used in this thesis: Gerris and SPHysics. Chapter 3 focuses on the generation of tsunami by a solid landslide. Experimental results are compared to numerical simulations obtained using both codes. From this results, we derive scaling laws on the arrival time and amplitude of the first generated wave. The chapter 4 deals with the interactions between the slide and the generated wave by taking into account the impact of an initially dry granular media into water. Systematic studies varying the different parameters exhibit the significance of the internal properties of the slide on the generated wave. Finally, chapter 5 is dedicated to the collapse of the Cap Canaille near Cassis. A idealized model for the generation and the propagation are used to estimate the hazard associated to such a massive collapse

L'amplification des mouvements sismiques en fonction de la nature et de la geometrie des formations geologiques superficielles, est un phenomene connu depuis longtemps mais encore mal estime aujourd'hui. En particulier, il n'existe pas de methodologie etablie pour definir la fonction de transfert a appliquer sur un site donne pour tenir compte de ses caracteristiques. Les methodes de caracterisation de ce phenomene par mesure du bruit de fond sismique semblent valides experimentalement, mais il reste a leur trouver une base theorique, de plus elles ne fournissent pas directement la fonction de transfert en cas de mouvement fort (non-linearite). A travers ce travail, nous explorons la possibilite d'etablir, une methode permettant de predire, a l'aide de simulations numeriques, les mouvements du sol en tenant compte des non-linearites de comportement rheologique. Nous montrons que les mesures de type microzonage (site/reference, h/v) ne fournissent pas la fonction de transfert mais permettent d'etalonner et de demontrer le realisme des simulations numeriques 2d. Des modelisations sur modeles reduits en centrifugeuse ont permis, grace aux lois de similitude, de controler la geometrie, la rheologie, la sollicitation sismique des bassins sedimentaires testes et de justifier les fondements de la methodologie. Ces experiences ont mis en evidence le passage du comportement lineaire au non-lineaire lorsque la sollicitation sismique devient importante. Nous avons pu reproduire par simulation numerique ce comportement non lineaire dans des cas 1d. Au vu de ce travail il semble envisageable de predire les mouvements sismiques sur un site donne en s'appuyant sur une simulation numerique etalonnee par des mesures sismiques de bruit de fond en tenant compte des effets 2d

À l'automne 2004, un glissement de roches estimé à près de 50 000m3 est survenu dans la fosse Versant Nord à la mine du Mont-Wright (Compagnie Minière Québec Cartier). Cette rupture de type multi-planaires est associée à la présence de différents éléments structuraux (fractures et contacts géologiques) ayant permis le glissement. La rupture est considérée comme un événement relativement soudain. Aucun signe avant coureur n'a été observé ou mesuré. Puisque la pente a été exposée sur une période de 9 à 16 ans, qu'aucune précipitation importante n'a été associée à la rupture et qu'aucun dynamitage n'a été effectué dans cette zone dans les jours qui ont précédés la rupture, il est difficile d'expliquer ce comportement. Néanmoins, les conséquences économiques de cet événement sont importantes puisque les activités d'extraction dans cette fosse ont été abandonnées. Ce projet de maîtrise vise à effectuer une rétro-analyse de l'instabilité de cette pente à partir des données disponibles. L'analyse est assistée du logiciel de modélisation numérique en trois dimensions utilisant la méthode des éléments distincts (3DEC). La conception du modèle numérique s'effectue par le transfert de données géométriques et géologiques provenant du logiciel de conception minier Surpac. Enfin, divers scénarios pouvant décrire les mécanismes importants de la rupture sont analysés à travers des simulations sur le modèle. Ces scénarios combinent la dégradation progressive des propriétés mécaniques des éléments structuraux et l'apparition de fracturation interne dans le massif rocheux.

Dans ce travail, un nouveau modèle de liaison avec critère de rupture de cisaillement non linéaire est d'abord proposé et mis en œuvre dans PFC pour décrire le comportement mécanique de matériaux granulaires cohésifs isotropes tels que le grès. Un grand nombre de tests de compression ont été effectués sur des échantillons 3D. Les résultats montrent que l'effet de la pression de confinement sur la résistance à la compression et le modèle de rupture est bien décrit par ce modèle de liaison. Les effets du chemin de chargement et de la contrainte principale intermédiaire sur la déformation et la rupture ont également été étudiés. Après avoir étendu les paramètres d'élasticité et de résistance, deux modèles de liaison sont couplés pour caractériser l'anisotropie de la résistance et de la déformation dans les matériaux cohésifs anisotropes tels que les roches sédimentaires. Une série de test de compression avec différents chemin de chargement ont été effectués et les résultats numériques sont en bon accord avec les données expérimentales, en particulier pour les propriétés de réponse élastique et de résistance. La transformation du mode de défaillance entre la couche de faiblesse et la matrice de roche sous différentes pressions de confinement a été bien décrite. De plus, le modèle de liaison proposé a été étendu pour étudier le processus de fracturation hydraulique dans les matériaux cohésifs. Un processus de propagation de fracture hydraulique représentatif a été présenté. Enfin, nous avons développé une méthode de reconstruction dimensionnelle de l'irrégularité de la forme des blocs et étudié ses effets sur les impacts des blocs en utilisant une approche basée sur l'énergie
In this work, a new bond model with nonlinear shear failure criterion is first proposed and implemented in PFC for describing mechanical behavior of isotropic cohesive granular materials such as sandstone. A large number of compression tests have been performed on 3D samples. The results show that the effect of confining pressure on compressive strength and failure pattern is well described by the proposed bond model. Effects of loading path and the intermediate principal stress on deformation and failure have been also investigated. After further extending parameters on elastic and strength, two bond models: the proposed bond model and the improved smooth joint model, are coupled to character the anisotropy of strength and deformation in anisotropic cohesive materials such as sedimentary rocks. A series of conventional triaxial compression tests with different loading paths have been performed and numerical results are in good agreement with experimental data, especially for elastic response and strength properties. The failure mode transformation between weakness layer and rock matrix under different confining pressures has been well described. Furthermore, the proposed bond model has been extended to study hydraulic fracturing process in cohesive materials. A representative hydraulic fracture propagation process has been presented. Influences of different factors, such as confining pressure, fluid viscosity and fluid injection rate, on hydraulic fracture extension have been investigated. Finally, we have developed a dimensional reconstruction method of block shape irregularity and studied its effects on block impacts using an energy based approach

L'intégration d'une simulation à un modèle de terrain nécessite l'élaboration d'un modèle topologique et numérique reposant sur les concepts mathématiques des graphes et des hypergraphes, ainsi qu'une structuration orientée objet grâce à l'outil HBDS. Sa réalisation est donnée en 2d et 3d et couvre les thèmes suivants : la topographie, la géologie, l'hydrologie, la végétation et le climat. Le temps est la dimension nécessaire à l'évolution du modèle sous la contrainte de phénomènes divers tels que l'érosion et la propagation d'un flux sur un réseau hydrographique. Un phénomène est appréhendé par un ensemble de processus discrets. Le modèle de terrain se transforme en modèle dynamique de terrain. Son évolution utilise une simulation discrète de processus gérés en quasi-parallélisme, transcrivant les interactions et le déroulement simultané pour chaque phénomène naturel considéré. L'élaboration d'une animation en 3d est nécessaire pour visualiser l'état du modèle à tout moment.

Dans un contexte de développement durable où les impacts sur les infrastructures doivent être fréquemment évalués, des procédures efficaces de contrôle et d’intervention sont requises. Bien que les solutions de réalité augmentée mobiles (RAM) présentent un fort potentiel pour améliorer l'efficacité d'intervention sur site par les professionnels, notamment dans le cas d’infrastructures souterraines, cette technologie n’est pas encore suffisamment mature pour permettre de telles applications. Reposant sur des principes similaires à la RAM, la simulation située propose une représentation virtuelle 3D congruente avec la réalité. L’immersion y est moins importante mais les interactions avec l’environnement 3D plus nombreuses. Le présent travail de recherche porte sur la conception et le développement d’une application de simulation située. Il aborde notamment les défis relatifs à la modélisation 3D d’environnement et à l’intégration de données géospatiales dans des moteurs de jeux vidéo.
In a context of sustainable development in which impacts on infrastructure should be assessed frequently, effective procedures for monitoring and intervention are required. Although mobile augmented reality (MAR) solutions have a great potential to improve the on-site efficiency for professionals, particularly in the case of underground infrastructures, this technology is not yet mature enough to allow such applications. Based on principles similar to MAR, situated simulation offers a virtual 3D representation congruent with reality. In situated simulation, the immersion is less important, but there are more interactions possible with 3D environment. This work focuses on the design and development of a situated simulation application. It tackles the particular challenges related to 3D modeling of the environment and integration of geospatial data in video game engines.

Cette thèse présente les travaux réalisés sur la caractérisation de la tour antigel comme moyen de lutte contre le gel de printemps dans le vignoble de Quincy. Des études statistiques ont été menées à partir d’un réseau de capteurs de températures disséminés à travers le territoire et des données synoptiques et topographiques. Elles ont permis de mettre en lumières les zones les plus gélives dans le vignoble de Quincy et d’apporter un regard critique sur l’actuelle implantation des 60 tours antigel dotant le vignoble. Des mesures de terrain ont été menées afin de caractériser le débit et flux de quantité de mouvement du jet produit par cinq tours antigel différentes. Les résultats montrent que malgré les différents designs, les propriétés des tours sont équivalentes. Une mesure inédite de l’action combinée de la tour antigel et d’un brûleur lors d’une nuit de gel montre que le brûleur a une contribution intense dans le réchauffement de la température mais si brève que des questions subsistent sur sa rentabilité. Enfin, en travail exploratoire, un modèle numérique LES d’une nuit de gel radiatif a été développé afin de simuler l’action de la tour antigel par le moyen d’un disque actuateur
This thesis presents the work conducted on the characterization of the wind machine as a means of controlling spring frost in the vineyard of Quincy. Statistical studies were conducted using a network of temperature sensors spread across the territory along with synoptic and topographic data. They allowed to highlight the most frost sensitive areas in the Quincy vineyard and to provide a diagnostic on the actual implementation of the 60 wind machines in the vineyard. Field measurements were conducted to characterize the flow rate and momentum of the jet produced by five different wind machines. The results show that despite the different designs, the properties of the towers are equivalent. A pioneer measurement of the combined action of the wind machine and a burner during a frost night showed that the burner had an intense contribution in warming the temperature but so brief that questions remain about its profitability. Finally, as an exploratory work, an LES numerical model of a night of radiative frost has been developed to simulate the action of the wind machine using an actuator disk

Lors de l'élaboration de cartographies des sols ou de la description des sols sur le terrain, de très nombreuses variables sont observées, collectées et enregistrées en base de données. Au fil du temps, ces données sur les sols deviennent disponibles en masse mais certaines n'ont jamais été étudiées dans leur globalité, ni valorisées pour caractériser ou cartographier des propriétés, des fonctionnements ou des comportements des sols. Ces données sont essentiellement qualitatives et souvent ordinales. L'hypothèse de notre travail est qu'il est possible de catégoriser ces variables, de les mettre en relation avec des données quantitatives et de les valoriser en cartographie des sols par modélisation statistique (ou digital soil mapping : DSM).Nous évaluons le bénéfice de l'apport de ces données incertaines en prenant deux exemples fondés sur la texture et la compacité. Nous simulons les conséquences d'utilisation de la texture de terrain sur la calibration et les performances d'une fonction de pédotransfert. Nous montrons également le potentiel important de cette donnée en DSM, tant comme donnée d'entrée, que comme donnée de validation de prédictions de fractions granulométriques. Cette masse de données, de sources parfois hétégogènes, permet également de révéler des structures spatiales non capturées par les variables quantitatives disponibles. Nous utilisons un test de terrain d'estimation de la compacité des sols pour mettre en évidence des clusters de comportement physique qui sont ensuite interprétés et cartographiés à l'échelle nationale.Par ces exemples, nous démontrons que l'utilisation en masse de données qualitatives peut apporter de nouvelles connaissances et être valorisée par l'exploration et le DSM. Nous confirmons également le potentiel de données issues de la télédétection, telle que la spectrogammamétrie aéroportée, comme covariable pour le DSM de la granulométrie des horizons de surface des sols. Nous montrons en particulier qu'il est possible d'extraire des bases de données des informations utilisables et spatialisables à partir de données qualitatives incertaines, sans nécessairement recourir à de nouvelles acquisitions plus coûteuses
When carrying soil survey or describing soils in the field, a large number of variables are observed, recorded and stored in databases. Over time, this data on soils becomes available overwhelmingly. However, this data has never been studied in its entirety, nor used to characterize or map soil properties, functioning or behavior. These data are essentially qualitative and often ordinal. The hypothesis of our work is that it is possible to categorize these variables, to relate them to quantitative data and to use them in digital soil mapping (DSM).We evaluate the benefit of the contribution of this uncertain data by taking two examples based on soil texture and compactness. We simulate the consequences of using the hand-feel texture on the calibration and performance of a pedotransfer function. We also show the significant potential of this data in DSM of particle-size fractions, both as input data and as validation data. This mass of data, sometimes from heterogeneous sources, also makes it possible to reveal spatial structures not captured by the available quantitative variables. We use a field test to estimate soil compactness to bring out clusters of physical behavior which are then interpreted and mapped on a national scale.Through these examples, we demonstrate that the mass use of qualitative data can provide new knowledge and be enhanced by exploration and the DSM. We also confirm the potential of data from remote sensing, such as airborne spectrogammametry, as a covariate for the DSM of particle-size of topsoil. In particular, we show that it is possible to extract usable and spatially relevant information from uncertain qualitative data, without necessarily resorting to new, more costly acquisitions

Le but de ce travail est d'analyser les effets du drainage comme moyen de stabilisation des pentes naturelles et artificielles. On propose une méthodologie en deux phases : premièrement, reconstitution par simulation numérique des écoulements tridimensionnels à surface libre créés par les systèmes confortatifs classiques ; puis, calcul de l'équilibre du talus en tenant compte du champ complet des potentiels. L'analyse en rupture circulaire est utilisée à 2 et à 3 dimensions. Des calculs systématiques montrent qu'entre deux ouvrages drainants successifs, le coefficient de sécurité minimum est obtenu pour une rupture cylindrique. La prise en compte d'un écoulement très localisé permet de mettre en évidence l'existence d'un volume critique

L'objectif de ce travail est de definir un modele du systeme pneumatique-sol et ses moyens de caracterisations associes en vue d'etre integres dans la modelisation de la mobilite des vehicules complets sur terrains peu porteurs. Il s'agit de modeliser le pneumatique, en tant que composant du vehicule, influant sur le comportement du contact au travers de son chargement, de ses dimensions, et de sa raideur, et la reponse du sol aux sollicitations qui depend de sa resistance au chargement vertical, et au cisaillement par le couple moteur transmis a la roue. La contribution de ce memoire consiste a proposer un modele simplifie du comportement des pneumatiques a partir d'un nombre de parametres limites. Ce modele est suffisamment riche pour decrire macroscopiquement le pneumatique et permet d'envisager a terme un couplage avec un modele de sol deformable. Une evaluation par analyse numerique des moyens experimentaux disponibles de caracterisation des sols in-situ permet d'orienter le choix des essais au bevametre aux depens des essais au penetrometre. Une methode d'interpretation des essais au bevametre est developpee et complete la methode de bekker pour les fortes penetrations, dans l'argile et dans le sable. En vue de la modelisation couplant les modeles de roue et de sol, l'influence de la deformation du pneumatique (deflexion et longueur de contact) est evaluee par une methode analytique de calcul de l'enfoncement theorique de la roue, de la resistance a l'avancement engendree par la deformation du sol, et de l'effort de traction potentiel. Cette presentation permet de fournir des ordres de grandeur pour le controle des resultats qui seront obtenus lors des simulations numeriques futures

En hiver, par condition anticyclonique hivernale, les régions montagneuses urbanisées font l'objet de conditions atmosphériques stables et découplées, qui conduisent à des épisodes de forte pollution particulaire. Ce travail de thèse traite de la caractérisation des facteurs de pollution de l'air aux particules par condition stable en vallée alpine encaissée, du point de vue de la dynamique atmosphérique. Ce travail repose sur des simulations numériques idéalisées et en conditions réelles à l'aide du modèle Weather Research and Forecasting (WRF), les particules étant modélisées par un champ de traceur passif.Dans une première partie, des simulations numériques à haute résolution ont été réalisées, en utilisant deux configurations différentes de vallées tridimensionnelles idéalisées ouvrant sur une plaine. La première configuration correspond à une vallée de largeur constante dans la direction de l'axe de la vallée ouvrant sur une plaine. Dans la seconde configuration, la vallée est composée de deux sections, la section aval, qui ouvre sur la plaine, étant plus étroite que la section amont. Cette configuration est appelée "pooling". Quelle que soit la configuration, la variation du profil vertical de température le long de l'axe de la vallée conduit à d'un gradient de pression horizontal générant un vent de vallée. Les configurations de type "pooling" sont associées à des concentrations de polluants plus élevées que dans le cas où la largeur de la vallée ne varie pas, car le vent de vallée est plus faible dans la configuration "pooling". L'impact de la largeur de la section aval sur la concentration de polluants dans la section amont est remarquable: la ventilation de la section amont peut être complètement bloquée pendant la majeure partie de la simulation (six heures) lorsque le rapport de largeur de la section amont à la section aval est égal à 10.La deuxième partie concerne une situation réelle en vallée alpine, durant un épisode fortement pollué de février 2015. La dynamique atmosphérique et la concentration de particules fines (PM) ont été modélisées dans une section de la vallée de l'Arve autour de la ville de Passy par le modèle WRF-Chem durant cet épisode. Pour cela, le cadastre d'émission préparé par l'agence de qualité de l'air de la région Auvergne Rhône-Alpes a été implémenté dans le modèle. La dynamique de la couche limite a été comparée à des profils verticaux de vent et température mesurés lors d'une campagne de terrain durant l'épisode pollué, et la concentration de PM comparée aux données de stations de qualité de l'air. La contribution des vallées tributaires à la pollution atmosphérique dans cette section de la vallée de l'Arve a d'abord été étudiée. Les résultats montrent que cette contribution est très faible par rapport à celle des sources locales; ceci implique que les émissions $in-situ$ sont principalement responsables de la forte concentration de particules polluantes enregistrée dans la vallée car le fond de vallée est découplé de l'atmosphère au-dessus de la vallée. Les processus de ventilation et leur influence sur la concentration de particules (PM) ont ensuite été étudiés. L'analyse montre qu'en raison de la ventilation limitée autour de la ville de Passy, la variabilité horaire de la concentration de PM dans la ville est contrôlée par les émissions
During wintertime anticyclonic regimes, urbanized mountain areas often experience stable and decoupled atmospheric conditions, resulting in severe episodes of particulate air pollution. This study deals with the characterization of drivers of particulate air pollution in deep alpine valleys under such stable conditions from the point of view of atmospheric dynamics. The work has been carried out through the implementation of both idealized and real case numerical simulations using the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Particulate air pollution has been modelled by implementing passive tracers in the simulations.In a first part, high-resolution numerical simulations have been performed using two different configurations of three-dimensional idealized valleys opening onto a plain. The first configuration corresponds to a valley of constant width in the along-valley direction, directly opening onto a plain. The second one consists in a valley of varying width in that direction, with an upstream section of larger width than the downstream section, which opens onto the plain. The latter configuration is referred to as a pooling case. The change in the vertical temperature profile along the valley axis in all configurations results in a horizontal pressure gradient that leads to the development of an along-valley flow. Configurations in which the upstream section of the valley opens onto a narrower one have shown to be prone to higher pollutant concentrations than in the case of a valley opening directly onto a plain, due to the weaker down-valley flow developing in the variable width configurations. The impact of the downstream valley section on the concentration of pollutants in the upstream valley section is remarkable: the ventilation of the upstream valley section can be completely blocked for most of the simulation (six hours) when the ratio of the upstream to downstream valley section width is equal to 10.The second part deals with a real case situation, focusing on a section of the alpine Arve River valley around the city of Passy. The numerical modelling of the atmospheric dynamics and particulate matter (PM) concentration in that section has been performed during a strongly polluted wintertime episode of February 2015. For this purpose the emission inventory prepared by the air quality agency of the région Auvergne Rhône-Alpes has been implemented in the WRF-Chem model. The boundary layer dynamics has been compared to wind and temperature profiles collected during a field campaign conducted during the episode, and PM concentration has been compared to data recorded by air quality stations. The contribution of the valley tributaries to air pollution within the section considered has been first studied. Results show that this contribution is very small compared to that from local sources; this implies that $in-situ$ emissions are primarily responsible for the high PM concentration recorded in the valley since the valley bottom is decoupled from the atmosphere above the valley. The ventilation characteristics of the valley and their influence on the particulate matter (PM) concentration have next been investigated. The analysis indicates that due to the limited ventilation around the city of Passy, the hourly variability of PM concentration therein is driven by that of the emissions

Cette thèse porte sur les effets des niveaux d'argiles et de sables sur les instabilités gravitaires affectant les falaises côtières du Crétacé en Haute-Normandie, le long du littoral de la Manche entre les caps de la Hève et d'Antifer. L'impact de ces niveaux potentiels de décollements a requit une caractérisation mécanique des lithologies affleurantes. Le comportement de ce trait de côte a alors été analysé par une la simulation numérique en éléments finis (code ADELI) et une modélisation expérimentale avec surpression de fluides aux pores. Ces falaises sont affectées par un glissement translationnel vers la mer guidé localement par les argiles. Deux formations guident les déformations : les argiles du Kimméridgien situées en base de falaise et les argiles du Gault de l'Albien situées à une hauteur variable en front de falaise. Au-dessus du Gault, la craie du Cénomanien est affectée par un réseau de failles normales dont la propagation dans les terres varie avec la position verticale du Gault. En dessous, la basse falaise constituée des argiles du Kimméridgien, de l'Albien et des sables Aptien est extrudée avec une amplitude accentuée par l'élévation des argiles. Les niveaux d'argiles sont progressivement enfouis sous la plateforme littorale en progressant vers le Nord, du fait d'un pendage de 0,7° NE. Il en résulte une évolution différentielle du trait de côte avec des vitesses de glissement plus importantes au sud, qu'au nord. Cette évolution différentielle entraine une réorientation du trait de côte vers l'est ; hypothèse renforcée par les donnés bathymétriques mettant en évidence une géométrie en éventail entre les caps de la Hève et d'Antifer
This study focuses on the effect of clay and sand layers on the gravity instabilities affecting the coastal chalk cliffs located along the French eastern English Channel coastline. The impact of these potential detachment layers is investigated using finite element numeric simulations and experimental modeling under conditions of pore-fluid overpressure. Results indicate that the cliff sliding ratio is linked to the clays layers position with regard to cliff base. The cliff instability is characterized by horizontal seaward sliding guided by the Kimmeridgian clays at the base of the cliff or by the Albian Gault clays at a variable elevation in the cliff. The gravitational deformation is associated with a normal fault network in the chalk and with an inland propagation as a function of the clays layer elevation. Moreover, the clay layer stops the downward propagation of the deformation and acts as a decoupling layer

L'ingénierie écologique, qui est décrite comme «la gestion de la nature», a d'abord été proposée par Odum en 1971. Dans les dernières décennies, l'ingénierie écologique a été largement consacrée à lutter contre l'érosion des sols et les mouvements de masse, tout en permettant d'assurer la durabilité des écosystèmes. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact de peuplements forestiers sur la stabilité de pentes de dimension finie, en considérant à la fois les effets mécaniques et hydrologiques des racines peu profondes contre les glissements de terrain. Deux sites forestiers monospécifiques et équiennes, plantés respectivement de Robinia pseudoacacia et Platycladus orientalis, ont été sélectionnés sur le Plateau du Loess en Chine et utilisés comme sites d'étude. Le Facteur de Sécurité (FoS) de ces pentes ont été calculées en utilisant un modèle éléments finis 2D qui prend en compte la distribution des racines dans les couches superficielles du sol.Des mesures de terrain et des tests de laboratoire ont été effectués afin d'estimer les principaux paramètres du modèle, à savoir la distribution des surfaces relatives de racines dans le sol (Root Area Ratio), la résistance à la traction des racines, ainsi que les propriétés mécaniques et hydrologiques du sol nu. La contribution des racines à la résistance au cisaillement du sol a été considérée par l'intermédiaire d'une « cohésion additionnelle » calculée à l'aide de modèles fournis par la littérature. Six modèles existants ont été testés. Cette thèse est composée de deux chapitres principaux portant sur: (1) l'effet mécanique de l'hétérogénéité spatiale de la distribution des racines à l'échelle de pente; (2) l'influence de la distribution des racines sur le couplage entre la diffusion de l'eau interstitiel et les contraintes mécaniques dans le sol et son impact sur la stabilité des pentes.Les simulations amènent aux conclusions principales suivantes: (1) les pentes en terrasse sont en théorie 20% plus stables que les pentes rectilignes, sans tenir compte des effets hydrologiques; (2) le FoS atteint une valeur asymptotique lorsque l'on augmente la cohésion des racines; (3) les variations de la cohésion des racines observées sur le terrain ont peu d'effet sur la stabilité des pentes. Toutefois le renforcement de la partie basse des pentes, où les racines ont un plus grand impact positif sur le FOS, peut permettre de diminuer le risque de glissement; (4) l'effet des fortes précipitations sur la stabilité de la pente pourrait probablement être atténué par la présence de racines, mais cet effet dépend des caractéristiques des racines et de leur influence sur le débit d'eau dans le sol
Ecological engineering, which is described as ‘the management of nature', was first proposed by Odum in 1971. In the past few decades, ecological engineering has been largely devoted to combat soil erosion and mass movement all over the world, because of its benefit on sustainable ecosystems. The objective of this thesis is to evaluate the impact of forest stands on the stability of finite slopes, considering both the mechanical and hydrological effects of roots against shallow landslides. Two monospecific and even-aged forest sites planted with Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis respectively were selected on the Loess Plateau of China and used as study sites. Slope Factors of Safety were calculated using a 2D finite element model that takes into account the distribution of roots in the shallow layers of soil.Field site experiments and laboratory tests were performed in order to estimate the main parameters of the model, i.e. distribution of root area ratio within the soil, root tensile strength, as well as bare soil mechanical and hydrological properties. The contribution of roots to soil shear strength was considered through an additional cohesion calculated with models provided by the literature. Six existing models were tested. This thesis is composed of two main chapters that make the focus on : (1) the mechanical effect of the spatial heterogeneity of root distribution at the slope scale; (2) the influence of root distribution on the coupling between pore fluid diffusion and mechanical stress and its impact on slope stability. This study brings to the following main conclusions: (1) terraced slopes were 20% more stable than rectilinear slopes, disregarding the differences in hydrological regimes between the two sites; (2) FoS could reach an asymptotic value when increasing root additional cohesion; (3) variations of the actual root cohesion do not affect much slope stability. However more attention should be given to the reinforcement of the bottom part of the actual slopes, where roots have a larger positive impact on the FoS; (4) the effect of heavy precipitations on slope stability could probably be overcome or at least mitigated by root system network, but this depends on root characteristics and their resulting effect on soil water flow

Le Liban se caractérise par ses hautes montagnes fortement urbanisées. Traversé par plusieurs failles principales et secondaires, ce pays présente de forts risques sismiques. Il a déjà subi plusieurs tremblements de terre destructeurs. Dans le futur, on craint un tremblement de terre majeur. Face à une telle situation, il est nécessaire de mener des travaux de recherche pour analyser ce risque. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce cadre. Le travail est réalisé à l’aide d’une modélisation numérique avancée fondée sur la méthode des éléments distincts. Les études ont été effectuées à l’aide du code de calcul (UDEC). Les analyses sont établies sur des cas réels identifiés à partir de plusieurs visites de terrain. Un travail important a été aussi consacré à la collecte des informations relatives aux propriétés mécaniques des matériaux. La première partie de la thèse est consacrée à une synthèse bibliographique en rappelant les paramètres qui caractérisent la géométrie des discontinuités des massifs rocheux et leur comportement mécanique en compression et en cisaillement. Des méthodes d’analyse de la stabilité des milieux rocheux fissurés et quelques exemples réels publiés dans la littérature sont exposés. La seconde partie comporte des analyses sismiques menées sur un massif du site de Jezzine au Liban Sud. Les modélisations traitent différentes configurations : massif sans fractures, massif avec fractures horizontales et massif avec un réseau de fractures horizontales et verticales. On présente également les résultats obtenus avec un renforcement du massif par ancrage. La dernière partie présente une étude de l’influence de la présence de l’eau sur le comportement sismique des massifs rocheux
Lebanon is characterized by high-urbanized mountains, which could be subjected to severe earthquakes, because of the presence of a major fault and some secondary faults. Lebanon was previously subjected to several destructive earthquakes, particularly in 551, 1202, 1759 and 1837 and more recently in the years 1956 and 2008. Experts predict a major seismic event in the future. Prevention constitutes an efficient way to minimize the earthquake consequences (casualties and property damage). This thesis aims to develop a methodological approach for the seismic stability of fractured rocks and to apply this methodology to the analysis of real case in Lebanon. The work is based on an advanced numerical modeling using the UDEC software to analyze the behavior of massive fractured rocks under seismic loading, taking into account the presence of water in the fractures. Due to lack of field data, significant work has also been devoted to the collection of data collection related to mechanical properties of the materials and joints. The first part of the thesis presents a literature review of the characterization of the rock discontinuities and methods used for the analysis of the stability of fractured rock masses. The second part presents seismic analysis of a real case in South Lebanon (Jezzine). Numerical calculations were carried on different configurations: rock mass without fractures, rock mass with horizontal fractures and rock mass with both horizontal and vertical fractures. Analysis was also conducted on the use of anchors for the rock mass stabilization. The last part presents a study of the influence of the presence of water on the seismic behavior of fractured rock masses

La cartographie de systèmes racinaires dans des sols dispersifs et inhomogènes est mise en œuvre au moyen d’une technique non-destructive : le radar à pénétration de sol (dit GPR). Ce travail est motivé par les besoins croissants en termes de contrôle de santé et de stabilité des arbres, ainsi que l’impact négatif des racines sur les infrastructures urbaines pouvant parfois compromettre la sécurité des personnes et des biens. Un état de l'art a permis de déterminer les facteurs limitant la détection et la résolution des racines ligneuses (diamètre > 0,5 cm) par GPR. Puis l'accent est mis sur une nouvelle procédure de traitement pour reconstruire les architectures 3-D des racines à partir de données GPR sans information a priori sur les sols impliqués. La viabilité de la méthode proposée est étudiée à partir de simulations numériques (via gprMax) pour des modèles de racines réalistes en environnements hétérogènes dispersifs; cela implique un nombre de configurations pour une variété de sols. Des mesures contrôlées en laboratoire sont conduites sur des prototypes de racines en utilisant un système bi-statique dans la gamme fréquentielle 300 MHz – 3,3 GHz. Ceci est étendu à des études terrain de systèmes racinaires d’arbres réels avec l'utilisation d'un GPR commercial (MALA). Les bonnes performances et la pertinence de l'approche proposée sont illustrées par de multiples exemples
The mapping of tree root systems within inhomogeneous dispersive subsoils is investigated by means of a non-destructive technique: Ground-Penetrating Radar (GPR). This work is motivated by the growing need for tree health and stability control, as well as the negative impact of roots on urban infrastructure, which could seriously compromise the safety of people and properties. A state of the art has allowed us to determine the limiting factors of coarse root (diameter > 0.5 cm) detection and resolution by GPR. Then, the focus is put on a novel processing procedure to reconstruct 3-D root architectures from GPR data with no a priori information on the soils involved. Viability is studied from comprehensive numerical simulations (via gprMax) on realistic root models in 3-D heterogeneous dispersive environments; this in particular means a number of simulations involving a variety of soils. Controlled laboratory measurements are conducted on root prototypes using a bi-static GPR system operating at 300 MHz – 3.3 GHz frequency range. This is extended to field studies on real root systems with the use of a commercial GPR (MALA). The good performance and high potential of the proposed approach are illustrated accordingly

Le phénomène de coup de terrain est une explosion violente de roche qui peut se produire dans les mines souterraines. Dans la présente recherche, nous avons essayé de démontrer les causes qui peuvent influer sur la prédisposition aux coups de terrain en utilisant la modélisation numérique. Cependant, avant tout, l'état de contrainte avant l'exploitation minière et les contraintes induites par les excavations environnantes doivent être étudiés avec précision. La mine de charbon de Provence, qui a subi un phénomène de coup de terrain au niveau de son puits vertical entouré de nombreux panneaux de longue taille, a été choisie comme cas d’étude. Un modèle numérique 3D à grande échelle a été construit pour inclure la zone du puits vertical avec ses piliers et galeries à petite échelle et les panneaux de longue taille à grande échelle avec leurs zones de foudroyage associées. Plusieurs problèmes ont été rencontrés lors du développement de ce modèle numérique à grande échelle. Le premier porte sur l'initialisation de l'état de contrainte à grande échelle, où les contraintes verticales mesurées divergent avec le poids des déblais et les contraintes in situ sont très anisotropes. Le deuxième porte sur la simulation de la zone de foudroyage associée aux panneaux de longue taille. Le troisième concerne l'évaluation de l’instabilité du pilier en fonction de son ratio résistance/contrainte moyenne et de son volume. Le quatrième concerne l'évaluation de la prédisposition aux coups de terrain au niveau du puits vertical en fonction de différents critères. Cinq méthodes ont été développées pour initialiser l’état de contrainte hétérogène dans le modèle numérique à grande échelle avant l’exploitation minière. Elles sont basées sur la méthode de corrélation Simplex, qui consiste à optimiser la différence entre les valeurs de contrainte mesurées in-situ et les valeurs numériques. Le but est de développer des gradients qui soient capables d'exprimer l'hétérogénéité de la contrainte et qui soient compatibles avec les mesures in-situ. La méthode basée sur l’initialisation de l'état de contrainte avec des gradients 3D s’est avérée plus efficace que celle traditionnelle basée sur les ratios de contrainte horizontale à verticale. Concernant la simulation du foudroyage, trois modèles ont été développés et intégrés dans le modèle numérique pour exprimer le comportement mécanique dans la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille. Deux d’entre eux sont basés sur un comportement élastique alors que le troisième est basé sur un comportement elasto-plastique avec écrouissage un phénomène de consolidation. Il a été constaté que la zone de foudroyage au-dessus des panneaux de longue taille peut atteindre 32 fois l'épaisseur de la couche exploitée et que le module d'élasticité de la partie la plus endommagée de la zone foudroyée ne doit pas excéder 220 MPa pour satisfaire la convergence toit-mur. Mais, avec l'avancée de l'exploitation, ce matériau souple se compacte sous la pression des couches supérieures. Dans le cas d'une largeur critique et super-critique, la contrainte verticale dans la zone de foudroyage pourrait dépasser le poids des déblais et pourrait augmenter jusqu'à 4 fois ce poids sur les bords. La contrainte verticale a augmenté dans les piliers au niveau du puit vertical suite à l'exploitation des panneaux de longue taille à proximité. Il a été constaté que le volume du pilier joue un rôle important dans sa stabilité. Le rapport contrainte/résistance a été jugé insuffisant pour expliquer un coup de terrain. Plusieurs critères ont été intégrés au modèle numérique pour évaluer la prédisposition aux coups de terrain. Il a été constaté que les critères basés sur les contraintes et les déformations sont capables d'évaluer la prédisposition aux coups de terrain
Rockburst is a violent explosion of rock that can occur in underground mines. In the current research, the main objective is to demonstrate the causes that may influence the rockburst proneness by using the numerical modeling tool. However, firstly, the pre-mining stress state and the induced stresses due to surrounding excavations have to be studied precisely. The Provence coal mine, where a rockburst took place in its shaft station that is surrounded by many longwall caving panels, has been chosen as a case study. A large-scale 3D numerical model has been constructed to include the shaft station area with its small-scale pillars and galleries, and the large-scale longwall panels with their accompanying goaf area. Many problems appeared while developing such large-scale numerical model, the first problem was the initialization of stress state at a large-scale, where the measured vertical stresses are in disagreement with the overburden weight, and the in-situ stresses are highly anisotropic. The second problem was the simulation of the goaf area accompanying longwall panels. The third problem was the assessment of pillars instability in terms of its strength/average stress ratio, and its volume. The Fourth problem was the assessment of rockburst proneness in the shaft station based on different rockburst criteria. Five methods were developed to initialize the heterogeneous pre-mining stress in the large-scale numerical model. These methods are based on the Simplex Method, which is mainly based on optimizing the difference between the in-situ measured stress values and the numerical stress values to develop stress gradients able to express the stress heterogeneity and compatible with the in-situ measurements. The method that is based on initiating the stress state with 3D stress gradients was found to be more efficient than the traditional method that is based on the horizontal-to-vertical stress ratios. Regarding the goaf simulation, three models were developed and implemented in the numerical model to express the mechanical behavior within the goaf area above longwall panels. Two of these models are based on an elastic behavior, and the third one is based on the strain-hardening elasto-plastic behavior that takes the consolidation phenomenon into consideration. It was found that the goaf area above longwall panels could reach up to 32 times the seam thickness, and the elastic modulus of caved area (the first few meters in the goaf area) did not exceed 220 MPa to fulfill the roof-floor convergence. But, with advance of the exploitation, this soft material consolidated under the pressure of the overlying strata. In case of critical and super-critical width, the vertical stress in the goaf area exceeded the overburden weight, and it increased up to 4 times the overburden weight on the rib-sides. The vertical stress increased in the shaft station pillars as a result of exploiting the nearby longwall panels. It was found that the pillar volume plays an important role in its stability. And, the strength/stress ratio was found to be insufficient to quantify the rockburst proneness in underground mines. Many rockburst criteria were implemented in the numerical model to assess the rockburst proneness. It was found that the criteria that are based on stress and strain changes were able to assess the rockburst proneness