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National audience; PermaFoam est un solveur OpenFOAM ® dédié au problème de transferts couplés hydriques et thermiques dans un sol avec gel/dégel de la phase aqueuse. Il a été développé pour l'étude de la dynamique thermo-hydrique des pergélisols dans un contexte de changement climatique, l’objectif étant de contribuer à la quantification des flux élémentaires des surfaces continentales boréales vers les océans. L'utilisation d'OpenFOAM ® permet de bénéficier d'excellentes performances parallèles, ce qui est indispensable pour traiter les échelles d'intérêts (e.g. : bassin versant expérimental, > 1 km 2 ).

The Callovo-Oxfordian claystones properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests., Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d'optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d'exploitation, l'air ventilé dans les galeries n'est pas à l'équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d'essais au laboratoire. L'essai de séchage est retenu puisqu'il permet d'étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l'erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d'essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l'échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu'en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d'améliorer la précision de l'algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l'algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs.

International audience; The paper is concerned with a micromechanical formulation of force transmission within an unsaturated soil as a three-phase system composed of idealized spherical particles connected by a pore water menisci network. It is proposed here a tensorial effective stress equation that can be viewed as a generalized Bishop's equation in which the elusive effective stress parameter X is elucidated. The latter can be expressed as an explicit function of the number of water menisci, particle packing and degree of water saturation. Also, interparticle forces are found to be dependent on the distribution of pore fluid pressure and the contractile skin arising from the interaction of interfaces. Two major findings of this work are: (1) the determination of the analytical relationship between X and degree of saturation, and (2) the identification of a suction based internal shear effect even under isotropic external loading. The understanding of suction stress and its dependency on the degree of saturation is a longstanding problem both theoretically and experimentally.

The Callovo-Oxfordian claystones properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests., Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d'optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d'exploitation, l'air ventilé dans les galeries n'est pas à l'équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d'essais au laboratoire. L'essai de séchage est retenu puisqu'il permet d'étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l'erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d'essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l'échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu'en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d'améliorer la précision de l'algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l'algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs.

International audience; Modelling and understanding water fluxes in the vadose zone are important in regards to water management and require appropriate characterization methods of soil hydraulic properties. The presented work studies three common methods for characterization of soil hydraulic properties based on the inverse modelling of Beerkan water infiltration experiments: the CI method for Cumulative Information method and two BEST methods for Beerkan Estimation Soil pedotransfer methods. These methods estimate the soil sorptivity and saturated hydraulic conductivity by fitting infiltration data using infiltration models. The CI method directly fits the experimental cumulative infiltration to the usual short time expansion of the complete analytical model proposed by Haverkamp et al. (1994). The BEST methods are based on a specific algorithm that splits the experimental curves into two parts; the first part being fitted to the short time expansion and the second part to the long time expansion. To test the methods, several subsets of infiltration data were generated using the complete analytical model for several radii of the disc source and for times ranging from zero to several truncation times. The methods were then applied and the ratio between their estimations and the target values were evaluated to quantify their related accuracy. The results clearly demonstrated that the CI method must be used only to short time infiltration data. Yet, this method is usually used without any truncation of the experimental data, whereas the truncation should certainly be required. The BEST methods proved efficient and robust, provided the steady state was reached at the end of the infiltration experiment and both short and long time data solutions were used. The gain in accuracy of the BEST methods was all the more important when the disc radius was small.

Ce rapport présente le travail effectué au sein de l’UMR EMMAH à Avignon sur le code éléments finis Fafemo. Ce code donne une solution numérique des équations non linéaires de Richards traduisant les écoulements dans les milieux poreux non saturés. J’ai d’abord amélioré le code séquentiel en utilisant des méthodes itératives pour résoudre les systèmes linéaires creux (PETSc) et le mailleur Gmsh. Les coûts de calcul ont été significativement réduis. Cependant, l’objectif principal de ce stage a été de concevoir une version parallèle et efficace de Fafemo. J’ai effectué les tests de cette version parallèle sur deux clusters (Migale et Jade, le plus puissant cluster français). Ce travail a permis de faire un premier pas vers la modélisation du comportement de milieux poreux fortement hétérogènes comme les substrats des toitures terrasses végétalisées, This manuscrit presents the work done on Fafemo software based on finite element methods at the EMMAH laboratory in Avignon. This software gives us numerical solutions of Richards non linear equations for water flow in unsaturated porous media. First I improved the software using iterative methods to solve sparse linear systems (PETSc) and Gmsh as mesher. Computational costs have been significantly reduced. But the main goal of this training course was to develop a parallel version of Fafemo. This version was tested on Migale and Jade (the most powerful French cluster). This works leads to a first step in simulating water flow in heterogeneous ground with application to green roofs

Le thème de cette étude est la modélisation du séchage d'un milieu poreux déformable partiellement saturé (solide, liquide et gaz). Cette modélisation tient compte de la nature du produit ainsi que des conditions initiales et de sa forme. En fait, au cours de leur séchage, les milieux poreux déformables subissent des contraintes liées au retrait volumique. L'objectif est de prévoir ces contraintes afin de contrôler la déformation du produit. La modélisation du séchage des milieux poreux saturés étant maîtrisée, de même pour les milieux non saturés et non déformables. La problématique se pose au niveau de la transition entre milieu saturé et milieu non saturé où il n'existe pas actuellement de modélisation physique continue. Dans ce travail, on propose un modèle décrivant les transferts de chaleur, de masse et de quantité de mouvement appliqué au séchage d'un milieu non saturé et déformable. Le gradient de pression est le terme moteur du transport de l'eau dans le milieu au travers de la loi de Darcy. La particularité du modèle est qu'il tient compte du fort couplage entre transport et comportement rhéologique du matériau en utilisant la notion de contraintes effectives. Les variables de couplage sont la vitesse de déformation du solide et la pression intrinsèque de la phase liquide. Le modèle est validé pour une argile à différentes conditions de séchage convectif. Les simulations montrent la faisabilité du modèle décrivant le séchage d'un milieu partiellement saturé et l'étude de sensibilité montre la forte influence de la perméabilité du matériau et de la pression capillaire d'une part, et des propriétés rhéologiques d'autre part.

International audience

La région étudiée borde le Rhône, à l'amont immédiat de Lyon (à l'Est de cette ville) et couvre une superficie de 280 km2, dont 50 km2 d'alluvions modernes et 80 km2 d'alluvions fluvio-glaciaires et 100 km2 de collines glaciaires. A la suite d'un bilan des connaissances actuelles sur la pollution des eaux souterraines (bilan qui constitue la première des trois parties de ce mémoire) nous avons orienté nos recherches sur la pollution chronique de nature chimique. Cette pollution est en effet la moins étudiée. Elle est pourtant la plus communément répandue, la plus variée, la plus dispersée, et elle a une incidence notable sur l'ensemble des ions minéraux fondamentaux. La deuxième partie de notre mémoire a pour objet l'étude du milieu propagateur des polluants et la recherche de l'identification de la pollution de son origine à la nappe. La troisième partie est intitulée "Propagation et épuration naturelle de la pollution"., pas de résumé

Le comportement au compactage de massifs d’agrégats (1-2 mm) est étudié en fonction de 3 variables : la teneur en eau, l’intensité de la pression et le temps d’application de la charge tout en contrôlant l’état initial. L’augmentation de compacité des massifs d’agrégats sous compression est due, en fonction de la teneur en eau, à 3 mécanismes : - réarrangement des agrégats à l’état solide : le frottement entre les agrégats détermine l’amplitude de la déformation - ils ont un comportement de sables. - réarrangement des agrégats après rupture d’un certain nombre d’entre eux : leur cohésion est de l’ordre de grandeur des contraintes qui se développent dans le massif lors de la compression. - réarrangement des agrégats après leur déformation. L’amplitude de la déformation est fonction du temps d’application de la charge. On montre comment le comportement mécanique d’un massif d’agrégats dépend, en fonction de la teneur en eau, des caractéristiques mécaniques propres à l’assemblage des éléments structuraux et des caractéristiques mécaniques propres à l’assemblage des constituants élémentaires du matériau., The compressive behaviour of beds of natural aggregates, under uniaxial stress, is investigated according to three variables : moisture content, load intensity and loading-time, after checking the initial void ratio. The increase in compactness of aggregate beds under compression is determined by three mechanisms, depending on moisture content : i) rearrangement of the aggregates in the solid state ; the amplitude of deformation is determined by the friction between aggregates - they behave as sand particles. ii) some of the aggregates are subject to brittle fracture, material from these flows into the interstices between the remaining intact aggregates. iii) rearrangement of aggregates occurs by plastic flow. The amplitude of the deformation is time-dependent. Compressive behaviour of aggregate beds is shown to be dependent, according to moisture content, on the mechanical characteristics arising from the packing of the individual mineral particles and on the mechanical characteristics arising from the packing of the aggregates.

The present work is based on a published calorimetric method for the determination of the specific surface area of minerals, especially quartz. These previously obtained calorimetric data have been used here to show the variation in thermodynamic properties of adsorbed water at different prints along the adsorption isotherm of water on quartz. A solid solution type model allows the extrapolation of this isotherm to the region near the saturation point and also to very low partial water vapour pressures., Dans un travail récent, une méthode calorimétrique a été utilisée pour déterminer la surface spécifique des minéraux et notamment du quartz. Les données calorimétriques ainsi obtenues ont été utilisées dans le présent travail pour calculer les fonctions thermodynamiques de l'eau adsorbée à la surface du quartz. Une expression analogue à celle des solutions solides est utilisée pour décrire l'isotherme d'adsorption et pour permettre son extrapolation au voisinage de la saturation, ainsi qu'au voisinage des très faibles pressions partielles de vapeur d'eau., Trolard Fabienne, Valles Vincent, Partyka Stanislas, Tardy Yves. Propriétés thermodynamiques de l'eau adsorbée à la surface du quartz. In: Bulletin de Minéralogie, volume 109, 3, 1986. pp. 199-218.