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Study of masonry structures in civil engineering using the discrete element methods : benefits of the Non Smooth Contact Dynamics method
No full textLa maçonnerie est une technique de construction très ancienne qui est toujours d'utilisation très répandue sous toutes les latitudes. Elle fait appel à deux éléments essentiels : des blocs et des joints, qui peuvent être éventuellement remplis de mortier. Le matériau obtenu peut être considéré comme continu ou discontinu, selon les propriétés relatives des blocs et des joints. Les blocs sont souvent en pierre, en brique crue ou cuite. Les mortiers sont généralement à base de chaux, de ciment ou d'un mélange de ces deux composants. Depuis l'apparition du béton au XIX° siècle, les calculs se sont concentrés sur des approches continues, et les techniques de conception des maçonneries ont peu bénéficié des avancées scientifiques, et du développement d'outils de calcul largement utilisés dans les bureaux d'études. Corrélativement à cette évolution, la maçonnerie a perdu des parts de marché de la construction, et les méthodes et moyens mis en œuvre pour la conception d'ouvrages en maçonnerie n'ont pas été suffisamment modernisés. Dans ce contexte, le présent travail a pour ambition de contribuer au calcul de structures maçonnées, considérées comme des structures discontinues, avec l'objectif de servir au monde de l'entreprise et de l'architecture.L'échelle d'étude de la structure ou du matériau : comportement général de l'ensemble bâti, comportement d'un panneau de maçonnerie, comportement de l'interface mortier - bloc, ou des contacts blocs-blocs dans le cas de maçonnerie à joints vifs, conduit à l'utilisation de divers cadres théoriques, et méthodes analytiques ou numériques correspondantes. Après une analyse des avantages et inconvénients de diverses méthodes disponibles, numériques ou graphiques, dans le domaine de la mécanique et de l'architecture (stéréotomie), nous présentons en détail la méthode Non Smooth Contact Dynamics. Cette méthode, initiée à la fin du XX° siècle, par Jean-Jacques MOREAU et Michel JEAN, décrit de façon théorique, les conditions de mise en place des efforts de contact entre corps solides, déformables ou rigides, en 2D et 3D, en présence de chocs, et en présence de grands déplacements, ou rotations. Les conditions de non interpénétration entre corps sont régies par un formalisme spécialement développé dans le cadre de l'analyse convexe. Nous avons retenu ce cadre théorique, et utilisé une chaine logicielle développée sur ses bases, pour modéliser des structures réalistes, c'est-à-dire tridimensionnelles, soumises à des chargements dynamiques, et qui sont modernes, dans la mesure où elles intègrent une géométrie complexe, performante (économie de matière et esthétique) et la mise en œuvre d'une précontrainte, avec prise en compte de son phasage.L'exemple de la structure de l'escalier de Ridolfi est utilisé comme support à l'examen de divers paramètres d'optimisation du calcul réalisé avec la plateforme ouverte LMGC90, permettant à l'utilisateur de maîtriser en détail les diverses phases du calcul non-linéaire conduit. Les paramètres du calcul dont nous avons testé l'influence sont : le pas de temps, le critère de convergence, le nombre d'itérations gérées par l'algorithme de Gauss-Seidel, le critère de rétrécissement, le coefficient de frottement entre blocs, et l'intensité de la précontrainte mise en place par post tension dans les câbles. L'expérimentation conduite sur un modèle physique en vraie grandeur, est reconstituée, dans ses différentes phases, sur maquette numérique, et la pertinence des résultats obtenus par simulation est discutée.Les travaux ont été réalisés au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de l'Université Montpellier II et du CNRS, et au Laboratoire de Génie de l'Environnement Industriel de l'Ecole des Mines d'Alès. Leur financement a été assuré par le Ministère de l'Education et de la Formation du Vietnam, ainsi que par ARMINES.Although it is an old construction technique, masonry is still world wide spread nowadays. It uses two main components: blocks and joints, which can be filled with mortar. The resulting material can be considered as continuous or discontinuous, according to the relative performances of the blocks and joints. The blocks are often made of stone, raw earth or brick. The mortars generally incorporate lime or cement or a mixture of those components. Since the discovery of modern concrete during the XIXth century, calculations have been performed in the framework of continuous methods, and the masonry design technics have not fully benefited from the scientific breakthrough, nor from the development of calculation tools used in design offices. Following this evolution, masonry lost some ground in the construction field, and methods and means used for the design of buildings have not been improved enough. In this context, the present work aims at contributing to the calculation of masonry structures, considered as discontinuous structures, with the ultimate goal to be of some use in the field of industry and architecture.The structure or material study scale: general behavior of the building, behavior of a masonry panel, or behavior of the bonding between the blocks and the mortar, or the block-block contacts for dry friction masonry, leads to the use of several theoretical frameworks, and associated analytical or numerical methods. After an analysis of the pros and cons of the different available methods, in the fields of mechanics and architecture (stereotomy), we will present in detail the Non Smooth Contact Dynamics method. This method, initiated at the end of the XXth century, by Jean-Jacques MOREAU et Michel JEAN, describes theoretically, the conditions of the development of contact forces between solids, whether able to support strains or rigid, in 2D or 3D, under the effects of shocks, large displacements or rotations. The conditions of no overlapping between the bodies are described by equations developed using the convex analysis concepts. We chose this theoretical framework, and used the software platform developed on these concepts, for modeling realistic structures that are modern, because they allow to take into account 3D structures with complex and efficient geometries (aesthetic point of view, economy of material), subjected to dynamical loads, and including the sequential set-up of pre-stressing technics.The example of the Ridolfi stair case is used as a support for the examination of several optimization parameters for the calculation performed on the LMGC90 open software, allowing the modeler to supervise in detail several steps of the performed non-linear calculations. The calculation parameters of which we have tested the influence are: the time step, convergence criterion, the iteration number considered in the Gauss-Siedel algorithm, the shrinkage criterion, the friction coefficient between blocks, and the pre-stressing strain applied in the post tension cables. The experiment carried out on a real size physical model is numerically simulated, and the consistency of the computed results is discussed.The work was carried out in the Mechanics and Civil Engineering Laboratory of the University of Montpellier II and the CNRS (French National Scientific Research Agency), and the Laboratory of Industrial Environment Engineering of Alès School of Mines. The funding was provided by the Ministry of Education and Training of Vietnam, and ARMINES
Combination of statistical and mechanical methods for collapse risk assessment of underground masonry structures : Case study of cover stream tunnels in the Cévenol mining heritage
No full textLes ruisseaux couverts sont d’anciens tunnels maçonnés à vocation hydraulique, recouverts de stériles miniers au-dessus desquels différentes infrastructures ont été construites. De récents effondrements posent aujourd’hui la problématique de l’estimation du risque d’effondrement de ces ouvrages. Dans cette thèse, nous avons tenté de proposer une méthodologie permettant de répondre à cette problématique. Du fait de l’intensité du phénomène étudié, l’étude s’est concentrée sur la détermination de la probabilité d’occurrence et sur les enjeux.L’utilisation de la méthode multicritère AHP a permis de proposer une note de risque à partir des enjeux et des désordres en présence. Du fait de l’incapacité du modèle à estimer rétroactivement les effondrements relevés sur 28 ouvrages, l’étude s’est par la suite concentrée sur l’estimation de la probabilité d’occurrence des effondrements.Une analyse statistique a permis d’estimer que les effondrements rencontrés dans ces ouvrages étaient liés à l’effondrement des piédroits (83% des cas) et à l’effondrement de la sortie des ouvrages (17% des cas). L’utilisation de la méthode de la régression logistique a permis, à partir de paramètres géométriques et de désordres observés, d’estimer rétroactivement et avec un F1-score moyen de 84% la probabilité d’occurrence de ces deux types d’effondrement.Afin de prendre en compte la dégradation des propriétés mécaniques des maçonneries, nous avons proposé un méta-modèle d’estimation du coefficient de sécurité des piédroits à partir de modèles numériques. L’approche a été évaluée rétroactivement et a permis d’obtenir un F1-score de 82%.Une combinaison des approches a ensuite été utilisée pour estimer le risque effondrement de 28 ouvrages découpés virtuellement en 180 tronçons. La méthodologie développée et les résultats obtenus pourront permettre de prioriser des actions préventives (réparations d’ouvrages, sécurisations de zones potentielles d’effondrement et mise en sécurité des personnes).Covered stream tunnels are old masonry hydraulic tunnels, covered with tailings, over which various infrastructures were constructed. Recent and unforeseen collapses have raised the issue of the lack of knowledge on the risk assessment of these tunnel collapses. In this thesis, we have proposed a methodology to tackle such an issue. Because of the intensity of the phenomenon, the study focused on determining the probability of occurrence of this identified hazard and the stake value.The application of the multi-criteria analysis enabled to propose a risk-scoring model based on the issues and the disorders involved. As the model fails to retroactively predict the collapses observed on 28 structures, the study then focused on estimating the probability of the collapse occurrence.A statistical analysis has enabled us to estimate that the collapses encountered in these tunnels were related to the collapse of the sidewalls (83% of the total number of collapses) and the tunnel exit collapse (17% of the total number of collapses). The application of the logistic regression method, by using the geometrical features and the disorders observed in-situ, enabled to evaluate retroactively, with an average F1-score of 84 %, the probability of occurrence of these two types of collapses.In order to consider the degradation of the mechanical properties of masonry, we have proposed a meta-model that could estimate a safety coefficient of the sidewalls from numerical models. The approach was evaluated retroactively and resulted in an F1 score of 82%.All of these approaches were then aggregated and used to assess the collapse risk of 28 underground tunnels virtually divided into 180 sections. The methodology developed and the results obtained will enable us to prioritize preventive actions (structural repairs, securing potential areas of collapse and securing people)
Application combinée de l’analyse structurale, de la géostatistique et de la théorie des blocs clés à l’étude des problèmes de stabilité et de confortement des travaux miniers
No full textInternational audienceThe study presented in this paper aims at the setting up of a methodology which allows the design of mining works, underground or otherwise, taking into account the geological structure of rock masses in which they are located. Three stages of this methodology are presented: the determination of statistical and geostatistical characteristics of the population of fractures; the generation of a field of fractures, with given statistical characteristics, by simulation; the study of the stability of isolated blocks defined by these fractures, by means of the key-block theory. Following the processing of this structural data, rules of action, concerning the conception and execution of the planned structure, will be drawn up.L'étude présentée ici vise la mise en place d'une méthodologie qui permette le dimensionnement d'ouvrages miniers, souterrains ou non, en fonction de la structure géologique du massif rocheux dans lequel ils se trouvent.Trois étapes de cette méthodologie sont exposées sucessivement : – la détermination des caractéristiques statistiques et géostatistiques des populations de fractures ; – la génération, par simulation, d'un champ de fractures de caractéristiques statistiques données ; – l’étude de la stabilité de blocs isolés, définis par ces fractures ; ceci grâce à la théorie des blocs clés.A la suite de cette chaîne de traitement des données structurales, des règles d’action devront être tirées, concernant la conception et l'exécution des ouvrages à réaliser
Role of tectonic-sedimentation on the evolution and spatial variability on karst bauxite ore : example from the Villeveyrac basin (South of France)
No full textCette thèse propose d’identifier les rôles de la tectonique et de la sédimentation responsables des variabilités spatiales d’un gisement de bauxite karstique et particulièrement dans le bassin de Villeveyrac (SE de la France). Pendant le Crétacé « moyen », le sud de la France a connu des évènements géologiques conduisant à la formation et l’accumulation de bauxite. Les bauxites reposent en discordance sur un substratum Jurassique carbonaté, karstifié et déformé ; cela implique une évolution polyphasée de l’événement bauxitique: 1-latérisation et bauxitisation in-situ de roches alumino-siliceuses et 2-démantèlement et piégeage des bauxites dans des karsts situés en aval.Les études sédimentologiques associées à des analyses minéralogiques et géochimiques sur deux forages carottés, à travers le remplissage bauxitique et sa couverture, mettent en évidence des sources latéritiques diverses et de degrés d’altération différents. Les profils latéritiques ont été érodés, transportés et piégés dans les cavités karstiques, suivant une séquence inverse d’un profil d’altération, confirmant l’allochtonie des dépôts. Le matériel est issu de coulées boueuses périodiques et rapides, sous climat latérisant. La couverture sédimentaire Crétacé supérieur correspond à des séries détritiques marneuses déposées en domaine paralique. Les assemblages argileux montrent une diminution de la kaolinite au profit de la formation de smectite et la préservation du détritisme au sommet de la couverture, suggèrent des conditions hydrolysantes moins intenses et un climat plus aride.L’analyse structurale du substratum Jurassique du bassin de Villeveyrac permet d’établir une chronologie des déformations enregistrées et d’identifier un régime extensif NE-SW responsable de la structuration en blocs de failles NW-SE en Languedoc, conduisant à l’érosion et la karstification du substratum Mésozoïque. Un réseau de joints N060/N150, présent dans le Jurassique, a été utilisé comme vecteur principal de karstification conduisant à une topographie de lapiaz métrique. Les failles normales NW-SE ont provoqué des zones d’effondrement dans le bassin, augmentant l’espace disponible pendant le dépôt des bauxites. La compression Pyrénéenne, ultérieure, a conduit au plissement synclinal et a entraîné la formation de fractures dans le gisement, dont certaines directions (N060) ont été utilisées comme drains principaux à un fluide mobilisateur en fer.L’analyse géostatistique des puissances minéralisées dans l’ensemble du bassin, identifie 3 phénomènes structurant les dépôts bauxitiques : 1- la surface karstifiée (paléolapiaz de ± 4 m de profondeur, identifiée sur le terrain), 2- des dolines d’effondrement (± 300 m de diamètre) et 3- l’activité des failles NW-SE (espacées de ±1300 m associées aux plus fortes puissances minéralisées). L’analyse géostatistique des teneurs moyennes (SiO2, Al2O3, TiO2, Fe2O3) montre que les variables ont un comportement fortement aléatoire, excepté dans la direction N060, parallèle à l’axe du pli Pyrénéen tardif. Ces résultats suggèrent que les fractures liées au plissement et affectant le gisement, sont associées à une déferrification le long de ces fractures, concentrant les autres oxydes dans cette direction.Enfin, la datation U-Pb des zircons détritiques extraits des bauxites dans trois gisements du Languedoc, permet de dater les dépôts de l’Albien inférieur à moyen. Le traçage des sources latéritiques indique : 1- une source issue de l’altération du socle Hercynien de la Montagne Noire, dont l’influence diminue vers l’est et 2- une source d’origine sédimentaire, généralisée à l’ensemble du bassin du Sud-Est.La caractérisation des phénomènes structuraux et sédimentaires contrôlant l’épisode bauxitique en Languedoc, constitue un apport significatif à la géodynamique régionale du Crétacé « moyen », mais aussi à la compréhension du gisement de bauxite de Villeveyrac, en proposant un guide fiable pour son exploitation durable.This thesis intends to identify the roles between tectonic and sedimentation which are responsible for the spatial variability inside karst bauxite ore and particularly inside the Villeveyrac bauxitic basin (SE of France). During the “Mid”-Cretaceous, South of France endured several geological events leading to bauxite formation and accumulation. Bauxite overlain unconformably a Jurassic karstified and deformed bedrock; this implies a polyphase evolution of the bauxitic event: 1-in-situ laterisation and bauxitisation of silica-alumina rocks and 2-dismantling and trapping inside karst cavities downstream.Sedimentology studies combined with mineralogical and geochemical analyses on two drill cores through the bauxitic infilling and its cover highlight various lateritic sources and different degrees of alteration. Lateritic profiles were eroded, transported and trapped inside karst cavities, as a reverse sequence of a lateritic profile, arguing the allochthonous nature of the deposit. The material comes from periodic and rapid mud-flow-type transportation under high hydrolyzing climate. The Late Cretaceous sedimentary cover corresponds to calcareous detrital series deposited on a paralic environment. Clay assemblages indicate a decrease of kaolinite correlated to an increase of smectite associated with the preservation of detrital material (illite/chlorite). This suggests a climatic change towards less hydrolyzing conditions and a more arid climate as the cover deposits.Structural evaluation on the Jurassic bedrock in the Villeveyrac basin allows to propose a chronology of all the deformations recorded inside the basin and, to identify a NE-SW extensive regime responsible for NW-SE block-faulting in Languedoc, leading to erosion and karstification of the Jurassic carbonate. A N060/N150 joint system, occurring in the Jurassic carbonate, was used as a dissolution vector for karstification contributing to the metric paleo-lapiaz topography. NW-SE normal faults caused collapse basins, increasing the accommodation space for bauxite deposition. The late Pyrenean compression resulted in the syncline shape of the basin and open fractures formation in the ore, used as drains for an iron mobilization fluid.Geostatistical analyses on the bauxitic thickness inside the basin, has identified 3 structural phenomena: 1- the karstified surface (±4m deep paleolapiaz), 2- collapse sinkhole (±300m diameter) and 3- NW-SE normal fault activity (spaced out ±1300m and linked to thickest bauxitic infillings). Geostatistical analyses on the major oxides grades (SiO2, Al2O3, TiO2, Fe2O3) show a global random behavior, excepted in the N060 direction, corresponding to the synclinal hinge zone. We suggest that the fractures are associated with de-ironing along the hinge zone led to the concentration of the other oxides.Finally, U-Pb datings on detrital zircons coming from three bauxitic ores in Languedoc, bracket the bauxitic deposit from Early to “Mid-“Albian. Provenance studies indicate: 1- a Variscan basement source (Montagne Noire) whose influence decreases eastward and, 2- a sedimentary source which is generalized to the South-East basin.The characterization of these structural and sedimentary phenomena controlling the bauxitic episode in Languedoc establishes a significant input in the regional geodynamic context occurring in the “Mid”-Cretaceous, but also to the understanding of the Villeveyrac bauxitic ore, contributing to its sustainable exploitation
Spatial analysis of hydraulic conductivity for slope deposits at catchment scale in Northern Tuscany, Italy
Get PDFHydraulic conductivity (K) is a relevant engineering geology property of slope deposits (SD) overlying the geological bedrock. This parameter is relevant at the field scale to simulate infiltration and runoff processes, hillslope stability numerical analysis, hydrological studies and environmental issues. Direct measurements (field and laboratory tests), as well as indirect estimations (e:g. correlations from grain size distribution, pedotransfer functions) are available in the literature for estimating K. Many measurements are required to obtain significant results since K depends on many factors such as grain size distribution, bulk density, organic matter, etc. A big set (about 750) of K field measurements in the vadose zone of SD in Northern Tuscany (Italy) has been performed by means of constant and/or falling head permeameter. For each test site (a total of 150 locations), other engineering geology properties of SD such as depth, texture, bulk density, Atterberg limits and grain size distribution have been determined. In this work the local variability of K has been estimated thanks to a statistical analysis of K for each test site. Moreover geostatistical techniques have been applied to infer the spatial correlation of K at the catchment scale. The results show that K varies across the SD profile and in the geographic neighborhood of the test site exhibiting high spatial variability within the study area. The new pedotransfer function, that has been developed with satisfactory results (the determination coefficient R2 = 0.84), suggests that the depth of SD and d20 (is the diameter corresponding to 20% finer in the particle-size distribution) play a relevant role in the prediction of K:These parameters can be considered with profit in spatial analysis of K for SD allowing to produce K maps in the study area
Characterizations of physical-mechanical first choice sawing for mechanical design : application to Mediterranean pines
No full textL’utilisation des bois pour des usages structuraux en ingénierie mécanique, sous forme de bois massifs ou éléments reconstitués, suppose une bonne connaissance des propriétés des composants bois élémentaires utilisés. Faute de cela, les bois restent exclus du monde moderne de la conception mécanique.En Languedoc-Roussillon, les pins constituent la ressource forestière principale (30 % des bois sur pieds). La valorisation de cette ressource est un enjeu majeur pour l’interprofession de la filière bois. L’objectif de ce travail de thèse est d’examiner la possibilité de prédire les propriétés de base des bois de pin « sans défauts », à partir de mesures non destructives disponibles. L’étude a été réalisée sur quatre des espèces de pins les plus présentes : pin sylvestre, pin à crochets, pin laricio et pin maritime.Les indicateurs de base retenus sont la densité (obtenue par mesure de masse et de volume), le module spécifique (obtenu par mesure vibratoire) et des indicateurs issus de la spectroscopie proche infrarouge (NIRS). Les propriétés technologiques étudiées sont les neuf constantes de la matrice élastique (obtenues par mesures ultrasonores sur une éprouvette unique), les coefficients de retrait et retraits totaux ainsi que la résistance en rupture en compression axiale (obtenus par les essais normalisés).L’analyse des données permet de construire des modèles prédictifs des propriétés de base, uniques pour l’ensemble des pins étudiés, à partir des indicateurs mesurés sur chaque échantillon de bois « sans défauts ».Il est alors possible d’associer à une pièce de bois donnée, une fiche technique des propriétés utiles à la conception mécanique. Les indicateurs choisis étant facilement mesurables dans le milieu industriel, le transfert de la méthode est envisageable. Chaque pièce de bois d’intérêt (i.e. avec peu de défauts) pourrait être rapidement caractérisée. Associé à une bonne traçabilité (par code barre par exemple) cette démarche permettrait d’identifier clairement chaque pièce et ses propriétés, donnant ainsi la possibilité au concepteur de sélectionner les matériaux les mieux adaptés à ses besoins.Using wood for mechanical engineering as solid wood or glued solid timber (or glued laminated timber) requires a good knowledge of the properties of each elementary piece. Due to this lack of knowledge, woods are still not used in modern mechanical design.In the Languedoc-Roussillon French region, pines are the dominant forest resource (approx. 30 % of standing wood). The development of this resource is a major interest for the inter-branch organisation. The aim of this PhD work is to examine the possibility to predict basic useful properties of pine clear wood, based on available non-destructive methods. The study has been made on four of the most present species: Laricio black pine, Maritime pine, Mountain pine and Scots pine.Basic relevant indicators are the density (obtained by mass and volume measurements), the specific modulus of elasticity (obtained by vibrational measurements) and indicators from Near Infrared Resonance Spectroscopy (NIRS). Technological properties are the nine components of the elastic matrix (obtained by resonant ultrasonic measurements on a single specimen), hygroscopic dilatations and compressive breaking strength along the fibres (obtained in standard testing conditions).Data analysis allows to build some predictive models, unique for the whole pine selection, of basic properties, from indicators measured on each specimen of clear wood.Therefore it is possible to associate to a given piece of wood, a technical specification sheet of useful properties for mechanical design. Selected indicators are common measurements in industry and knowledge transfer is conceivable. Each interesting piece of wood (i.e. with few defects) could be rapidly characterized. Related to a good traceability this process could lead to identify clearly each piece and its properties, giving the possibility to the designer to select the best materials to his or her needs
Study of the uncertainties of neural models on hydrogeological forecasting. Application to watersheds of different typologies
No full textLes crues et les sécheresses sont deux des risques majeurs en France et nécessitent une attention particulière. Dans ces conditions où le changement climatique engendre des phénomènes extrêmes de plus en plus fréquents, la modélisation de ces risques est désormais un élément incontournable pour la gestion de la ressource en eau.Actuellement, les débits ou hauteurs d’eau sont principalement anticipés à partir de modèles à base physique ou conceptuelle. Bien qu’efficaces et nécessaires, la calibration et la mise en œuvre de ces modèles nécessitent la réalisation d’études longues et coûteuses.Dans ce contexte, cette thèse, soutenue par l’IMT Mines Alès et conjointement financée par la société aQuasys et l’ANRT, a pour objectif de développer des modèles issus du paradigme systémique. Ceux-ci nécessitent uniquement des connaissances a priori basiques sur la caractérisation physique du bassin étudié, et qui peuvent être calibrés à partir des seules informations d’entrées et de sorties (pluies et débits/hauteurs).Les modèles les plus utilisés dans le monde environnemental sont les réseaux neuronaux, qui sont utilisés sur ce projet. Cette thèse cherche à répondre à trois objectifs principaux :1. Élaboration d’une méthode de conception de modèle adaptée aux différentes variables (débits/hauteur des eaux de surface) et à des bassins de types très différents : bassins versants ou bassins hydrogéologiques (hauteur des eaux souterraines)2. Évaluation des incertitudes liées à ces modèles en fonction des types de bassins visés3. Réduction de ces incertitudesPlusieurs bassins sont utilisés pour répondre à ces problématiques : la nappe du bassin du Blavet en Bretagne et le bassin de la nappe de la Craie de Champagne sud et Centre.Floods and droughts are the two main risks in France and require a special attention. In these conditions, where climate change generates increasingly frequent extreme phenomena, modeling these risks is an essential element for water resource management.Currently, discharges and water heights are mainly predicted from physical or conceptual based models. Although efficient and necessary, the calibration and implementation of these models require long and costly studies.Hydrogeological forecasting models often use data from incomplete or poorly dimensioned measurement networks. Moreover, the behavior of the study basins is in most cases difficult to understand. This difficulty is thus noted to estimate the uncertainties associated with hydrogeological modeling.In this context, this thesis, supported by IMT Mines Alès and financed by the company aQuasys and ANRT, aims at developing models based on the systemic paradigm. These models require only basic knowledge on the physical characterization of the studied basin, and can be calibrated from only input and output information (rainfall and discharge/height).The most widely used models in the environmental world are neural networks, which are used in this project. This thesis seeks to address three main goals:1. Development of a model design method adapted to different variables (surface water flows/height) and to very different types of basins: watersheds or hydrogeological basins (groundwater height)2. Evaluation of the uncertainties associated with these models in relation to the types of targeted basins3. Reducing of these uncertaintiesSeveral basins are used to address these issues: the Blavet basin in Brittany and the basin of the Southern and Central Champagne Chalk groundwater table
Application combinée de la géologie structurale, de la mécanique des milieux discrets et de l’analyse de contraintes et déplacements in situ à la modélisation du comportement mécanique de massifs rocheux fracturé
No full textPour étudier le comportement mécanique des massifs rocheux, en prenant en compte le réseau des discontinuités au sein de la roche intacte, cette recherche a pour objectif la représentation du massif par des modèles géométriques basés sur des relevés de terrain et l'analyse de ces modèles par l'utilisation d'outils informatiques adaptés pour les milieux granulaires. Le premier chapitre fait l'état de l'art des roches fracturées, des méthodes numériques de la mécanique des roches et des approches du calcul de structure d'un tunnel. Ces études conduisent à la proposition d'une méthodologie depuis les recherches in situ jusqu'à la modélisation et l'analyse mécanique, présentée dans le deuxième chapitre. Le massif rocheux est d'abord représenté géométriquement par la distribution de ses discontinuités, et l'utilisation du logiciel RESOBLOK basé sur la méthode du Réseau de Fractures Discrètes. Les modèles mécaniques de massifs rocheux sont ensuite présentés à partir des données sur les études de l'histoire du massif, et des mesures faites sur site et en laboratoire. Les modèles numériques en 3D sont analysés par l'utilisation du logiciel LMGC90 basé sur la méthode de la Dynamique des Contacts Non Réguliers. Les premières applications de la méthodologie sont exposées : la création d'une roche numérique pour simuler un essai de compression triaxiale, et la simulation d'une excavation multi phases d'un tunnel au rocher. La méthodologie proposée a été appliquée sur le marbre blanc de Saint Béat (Haute Garonne, France) et les résultats préliminaires sont donnés dans le chapitre trois. Les réponses mécaniques de la roche numérique sont analysées et son comportement est caractérisé.Aimed at studying the mechanical behaviour of rock mass and considering the presence of the discontinuity network in the intact rock, this research concentrates on how the rock can be represented in suitable geometrical models, on the basis of site measurements, and then appropriately analysed using computer tools developed for the study of granular media. The first chapter deals with a bibliographical study on fractured rock and tunnel engineering. Different computational methods of rock mechanics are introduced. Simultaneously, three principal approaches for tunnel structural design are recalled. These studies lead to the proposition of a methodology from the in situ investigation to in-door modelling and mechanical analysis, presented in the second chapters. The rock mass is first geometrically represented through the distribution of discontinuities in the rock mass and the use of the RESOBLOK code based on the Discrete Fracture Network method. Mechanical models of rock mass are then presented from the data of historical studies on the rock mass and from laboratory and in situ measurements. The 3D computational models are analysed using the LMGC90 based on the Non Smooth Contact Dynamics method. The first two applications of the methodology are introduced: the generation of the numerical rock for the simulation of the triaxial compression test, and the simulation of multi-phase excavation of rock tunnel. The proposed methodology has been applied on the white marble of Saint Béat (Haute Garonne, France) and the initial results are given in the third chapter. The mechanical responses of the numerical rock mass are analysed and the bulk behaviour of the rock is evaluated
Deformation and fracturing in a rock mass near a crustal scale fault. Geology, rock mechanics and implications for a tunnel project
No full textLe massif de marbres de Saint-Béat se situe dans la Zone Interne Métamorphique des Pyrénées centrales françaises. Il est formé de sédiments mésozoïques métamorphisés lors de l'événement métamorphique extensif Haute température - Basse pression classiquement décrit dans les Pyrénées. L'objet de cette thèse est de caractériser la déformation ductile et la fracturation qui affectent ce massif, et de déterminer dans quelle mesure les processus responsables de la fracturation peuvent être influencés par l'état de déformation. Les caractéristiques de la déformation des marbres et de ses roches encaissantes seront déterminées essentiellement grâce aux orientations préférentielles des axes de la calcite (marbre) et du quartz (socle paléozoïque), déterminées à l'aide de mesures à l'EBSD. L'observation en lame mince des textures de la calcite permet de quantifier les taux de déformation et d'estimer la température de cette déformation. Combinés aux observations de terrain, ces résultats permettent de proposer un modèle structural retraçant l'évolution du bassin depuis l'extension aptio-albienne jusqu'à son état actuel. La fracturation du massif est ensuite regardée à différentes échelles, depuis la photo aérienne jusqu'à l'affleurement. Quatre zones seront étudiées en détail afin de classifier les fractures par familles de mêmes caractéristiques et de reconstituer localement les paléo-régimes de contraintes. On comparera les tenseurs obtenus avec les régimes tectoniques décrits dans la littérature. Trois faciès légèrement différents de marbre servent de base à une étude visant à discuter de l'état d'anisotropie de la roche. Ainsi, des essais en compression simple, en traction indirecte et des mesures de vitesses acoustiques sont pratiqués sur des carottes orientées réalisées dans ces trois faciès ; leurs résultats donnent accès aux caractéristiques internes de la roche. On comparera et discutera les résultats d'un faciès à l'autre, et au sein du même faciès, d'une orientation à l'autre. Les résultats obtenus sur la fracturation servent de guide à la classification des fractures observées sur les fronts de tirs, lors du creusement du tunnel routier de Saint-Béat, recoupant le massif sur plus d'un kilomètre du Nord au Sud.The Saint-Béat massif, composed of different marble facies, is part of the Internal Metamorphic Zone of the French Central Pyrenees. It is formed by Mesozoic sediments metamorphosed by the High Temperature – Low Pressure extensional event, classically described in the Pyrenees. The aim of this work is to characterize the deformation and fractured state of the massif, and to understand how the former can constrain the latter. The ductile deformation state is recorded in calcite grains for Mesozoic rocks, or in quartz grains for Paleozoic rocks. Their preferential lattice orientations have been measured with the EBSD method. Calcite texture observations give indications about deformation rates and temperatures. These results, in addition with field observations, allow us to rebuild the structural evolution of the massif, from the Albian extension. Fracturing along the massif is described at different scales. Four outcrops are selected in order to characterize and to classify fractures, and locally reconstruct the paleo stress tensor. The obtained tensors are presented and compared to those already published. Three slightly different marble facies are used to discuss the degree of anisotropy of the rock. Mechanical experiments such as compression tests, tensile tests and velocity measurements of elastic waves are carried out on oriented cores within these three facies. These results provide internal rock characteristics which are discussed and compared for the three facies, and for different orientations of the cores
Towards a distinction between anthropogenic and natural contributions to arsenic and antimony contamination of groundwater in the framework of a territorial diagnosis : application to the Cevenol basin, France.
No full textLes eaux souterraines assurent une proportion importante de l’approvisionnement eneau des territoires. La surveillance des réserves et de la qualité de ces ressourcesconstitue donc un enjeu majeur, en lien avec les Objectifs de Développement Durabledes Nations Unies. En rapport avec ces objectifs, la présente thèse traite de lacaractérisation de la qualité des masses d’eau souterraines sur un territoire ayantconnu un passé minier. Elle vise le développement d‘une méthodologie permettantd'estimer les contributions respectives du fond géochimique naturel et des apportsanthropiques, à l’enrichissement en métaux et métalloïdes dans les eaux souterraines,en considérant simultanément l'hétérogénéité de la géologie, et la combinaison defacteurs géologiques, géomorphologiques, tectoniques et statistiques. Des mesures dequalité ont été effectuées pour établir l’état des lieux des concentrations en arsenic eten antimoine dans les masses d'eau souterraines délimitées par le bassin versant duGardon dans les Cévennes. Ensuite, un opérateur d'agrégation multicritères a étédéveloppé et mis en œuvre afin de produire des cartes quantitatives et qualitativespermettant de discriminer le fond géochimique naturel des apports anthropiques.Cette cartographie a permis de déterminer des foyers remarquables situés notammentsur la faille cévenole et sur lesquels une attention particulière de surveillance doit êtreportée dans le cadre de la gestion territoriale de la qualité des ressources en eau. Unatelier interactif a permis d’évaluer les différences de perception des acteurs duterritoire face à des informations sur la qualité des eaux. Il a mis en évidence lanécessité de développer des supports de restitution des informations scientifiquesadaptés afin d’aboutir à une conscience partagée des questions liées à la qualité deseaux souterraines par les différents acteurs d’un territoire.Groundwater provides a significant proportion of the water supply of the territories.The monitoring of the reserves and quality of these resources is therefore a major issue,in line with the United Nations Sustainable Development Goals. In relation to theseobjectives, this thesis deals with the characterization of the quality of groundwaterbodies in a territory with a mining past. It aims at developing a methodology toestimate the respective contributions of the natural geochemical background andanthropogenic inputs to the enrichment of metals and metalloids in groundwater,considering simultaneously the heterogeneity of the geology and the combination ofgeological, geomorphological, tectonic and statistical factors. Quality measurementswere carried out to establish the state of arsenic and antimony concentrations in thegroundwater bodies delimited by the Gardon watershed in the Cevennes. Then, amulti-criteria aggregation operator was developed and implemented in order toproduce quantitative and qualitative maps allowing the discrimination of the naturalgeochemical background from the anthropic contributions mainly constituted by thepast mining activity. This mapping made it possible to determine remarkable focilocated in particular on the Cevennes fault and on which particular attention must bepaid in the context of territorial management of the quality of water resources. Aninteractive workshop allowed to evaluate the differences of perception of the actors ofthe territory in front of information on water quality. It highlighted the need to developadapted scientific information restitution supports in order to reach a sharedawareness of groundwater quality issues by the different actors of a territory
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