Le réseau ferré national en France compte un grand nombre de tunnels anciens en maçonnerie, construits sans tenir compte des effets à long terme des déformations du sol. Le fluage des formations argileuses profondes et les mouvements progressifs des versants imposent des contraintes supplémentaires sur ces ouvrages. Un bon nombre des tunnels en maçonneries implantés en situation de versant a développé, au cours du temps, des pathologies caractéristiques liées à cette situation particulière. La modélisation numérique de ces désordres qui résultent de l’interaction entre le massif de sol et la structure du tunnel pose un défi en raison des différences de comportement entre ces deux milieux ; le sol est un milieu continu soumis au fluage et l’ouvrage en maçonnerie un milieu où les joints de mortier jouent le rôle de discontinuités dont les propriétés contrôlent le comportement global de l’ouvrage. Cette thèse vise à développer une approche de modélisation hybride, en couplant les modèles continus de sols viscoplastiques et les modèles discrets de maçonnerie en utilisant à cet effet la méthode des éléments finis enrichis par des éléments joints (JFEM) qui permet d’englober les deux types de matériaux, continu et discontinu, au sein d’un même modèle numérique.

Les mousses liquides jouent un rôle central dans la transition écologique et énergétique, aussi bien pour la fabrication de matériaux isolants pour les bâtiments que pour des procédés de nettoyage et décontamination. De plus, de nouveaux procédés émergent, exploitant les propriétés des mousses pour extraire les métaux précieux issus du recyclage des appareils électroniques (urban mining), contribuant ainsi à une gestion plus durable des ressources et des déchets urbains. Malgré les progrès significatifs de la recherche au cours des vingt dernières années, de nombreux aspects restent encore à approfondir. Nous proposons d’explorer un nouveau type de mousse liquide dont les bulles, au lieu de se repousser comme dans les mousses classiques, adhèrent les unes aux autres lors du contact, jusqu’à ce qu’une force suffisante les sépare.

Titre : Doctorat en mécanique des milieux granulaires et mousses liquides

L’injection de mousse liquide dans des matériaux granulaires intervient dans de nombreux processus industriels et environnementaux, allant de la dépollution des sols à la stabilisation des terrains excavés. Cette thèse vise à explorer le comportement mécanique de ces systèmes complexes, où l’interaction entre les grains et la mousse liquide influence directement la cohésion et la rhéologie du matériau. Le projet s’appuiera sur des expérimentations avancées (tomographie RX, rhéométrie, imagerie synchrotron) et des simulations numériques pour caractériser l'évolution de la microstructure et des propriétés d’écoulement. Cette recherche sera menée au sein du Laboratoire Navier, en collaboration avec des experts en rhéophysique et milieux poreux.

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The cycles of clay shrink-swell (CSS) are linked to the cycles of soil moisture fluctuations, themselves governed by alternating precipitation and drought periods. In France, 54% of constructions are located in areas characterised by a medium to high hazard of CSS. Structural damages to constructions caused by CSS are estimated at several hundred million euros annually, making CSS the second largest category for natural disaster compensation. In the context of climate change, the increasing occurrences of extreme meteorological events (in intensity and frequency) are likely to exacerbate the vulnerability of constructions to CSS. Managing the risk associated with CSS thus constitutes a considerable economic challenge.

This PhD subject is part of a research project funded by ADEME (French Agency for Ecological Transition), coordinated by ESTP (https://www.estp.fr/en) and ENPC (https://ecoledesponts.fr/en). The project aims to develop an in-situ soil treatment solution to inhibit the volume change of clayey soils during seasonal wetting-drying cycles. Various actions are planned: laboratory tests, field-scale experiments, and predictive numerical simulations to propose a treatment protocol considering local geological, geotechnical, and meteorological conditions.

Les zones de failles des plaques tectoniques présentent une grande variété de comportements mécaniques, depuis des glissements asismiques jusqu’à des séismes majeurs. A ce jour, il n’y a pas de consensus sur les mécanismes contrôlant cette diversité des modes de glissement des failles. Une origine possible pourrait être le comportement des smectites, une argile gonflante fréquente dans les zones de failles, and qui peut absorber des quantités variables d’eau entre ses feuillets nanométriques. Malgré leur importance potentielle, la thermodynamique des réactions d’hydratation/déshydratation des smectites et le lien entre ces réactions et les déformations des failles, restent inconnus. Ces questions fondamentales sont au cœur du projet ANR SMEC finançant cette thèse. Ce projet de thèse porte sur le volet modélisation du projet SMEC. Plus précisément, nous proposons de combiner simulation moléculaire, modélisation granulaire et micromécanique dans le but de relier les réactions d’hydratation/déshydratation des smectites au comportement mécanique des zones de failles.

Ce stage est adossé au projet ANR DynaTimberEyes (Identification par imagerie et modélisation de la dynamique non linéaire des bâtiments en bois de grande hauteur) qui comporte trois « work packages » (WP), chacun étant appuyé sur une thèse.
Dans le WP2, une campagne d’essais est à mener concernant la caractérisation mécanique des assemblages pour les structures en bois. Des tests de sollicitation cyclique seront effectués sur une structure en bois (portique) pour lesquels les mesures des déplacements et des déformations seront réalisées à l’aide de caméras. Ces mesures serviront à évaluer le comportement des assemblages sous chargement cyclique en identifiant différents paramètres (dissipation d’énergie, plastification, raideur, …).

Ce stage s’inscrit dans ce contexte et vise à établir le bilan environnemental des essais qui vont être menés. Ainsi, dans un premier temps, il faudra s’intéresser au bâti d’essai, puis aux échantillons et, enfin, aux moyens de mesure.

Depuis plusieurs décennies, les méthodes de détection d’endommagements par mesures vibratoires connaissent un essor important. Le principe de ces méthodes réside dans le fait que tout changement des paramètres modaux d’une structure, notamment les fréquences propres et les déformées modales, est lié à un changement des propriétés physiques (masse, rigidité).
Les méthodes de mesures de champ par techniques optiques sans contact constituent une alternative très intéressante à l’instrumentation conventionnelle (accéléromètres). Outre leur caractère non intrusif, les méthodes développées fournissent un très grand nombre de mesures cinématiques sur une structure et donnent donc naturellement accès à la répartition spatiale des champs de déplacements. Ces techniques peuvent être mises en œuvre pour l’analyse de sollicitations dynamiques grâce à l’utilisation de caméras rapides. Des générations récentes de caméras, présentant des résolutions d’image et des fréquences d’acquisition élevées, constituent ainsi des alternatives potentielles aux systèmes classiques d’analyse modale.

Le sujet proposé s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre différents laboratoires (Navier (Ecole des Ponts), EMGCU (UGE)) autour de cette thématique. Les objectifs du sujet proposé, dans la continuité des études précédentes, sont multiples et concernent notamment l'amélioration du modèle choisi pour estimer l’erreur de corrélation et des critères d’optimisation développés dans une thèse précédente, ainsi que la simulation des endommagements potentiels dans un modèle numérique d’une structure afin d’observer l’effet produit sur les mesures simulées réalisées par caméra.

Inflatable structures have many applications in multiple fields such as architecture, entertainment, robotics and more. They can be used for temporary shelters, soft robots, floating devices (pneumatic canoes), furniture (inflatable mattresses), safety equipment (air bags) or medical equipment (cushions, prosthetics). This wide range of applications is motivated by the numerous advantages of this type of structure which are at the same time light, inexpensive, safe and resistant.

In hydrocarbons producing fields, Produced Water Re-Injection (PWRI) is known as an economically attractive and environmentally friendly method to manage the produced water. This method has the advantage to maintain the pressure level in the reservoir in order to enhance the hydrocarbon production. However, this technique faces challenges such as the deterioration of the injectivity due to the filtration, around the injection well, of suspended solid particles contained in the produced water. Re-injection in the so-called ‘fracturing regime’ is an option to maintain the injectivity by fracturing the clogged zone formed by the agglomeration of fine particles at the face of the injected formation. However, controlling the injection in the fracturing regime is a key issue for the safety of the production as fracturing should not deteriorate the cap rock integrity.

Hydraulic fracturing has been extensively studied for brittle rocks with low permeability and is dominated by tensile failure. However, the mechanisms involved in fracturing of unconsolidated reservoirs which behave as cohesionless granular materials are fundamentally different and are controlled by shear failure, fluidization and induced channelization around the injection point.

Water transfers in bio-based materials such as wood, plants, paper, hair, natural textiles are essential in our everyday life, but their physics is still poorly known. A specificity of these materials is that they are hygroscopic, i.e., they can absorb, from vapor, a huge amount of water in the form of nanoscale water inclusions between the microfibrils of cellulosic or keratin fibers. This so-called “bound water”, which evaporates in a dry ambient air, is at the origin of the swelling or shrinkage of these materials. Moreover this bound water appears to be very mobile, i.e., it can diffuse throughout the material. The bound water diffusion and its exchanges with free (capillary) water and vapor, are key to the physics of water transfers in such materials, which in turn is key to reducing energy consumption for ventilation and heating, or controlling various processes such as the wetting or drying of such materials.

Les zones de failles des plaques tectoniques présentent une grande variété de comportements mécaniques, depuis des glissements asismiques jusqu’à des séismes majeurs. A ce jour, il n’y a pas de consensus sur les mécanismes contrôlant cette diversité des modes de glissement des failles. Une origine possible pourrait être le comportement des smectites, une argile gonflante fréquente dans les zones de failles, and qui peut absorber des quantités variables d’eau entre ses feuillets nanométriques. Malgré leur importance potentielle, la thermodynamique des réactions d’hydratation/déshydratation des smectites et le lien entre ces réactions et les déformations des failles, restent inconnus. Ces questions fondamentales sont au cœur du projet ANR SMEC dont ce stage fait partie, et qui portera plus spécialement sur la partie modélisation granulaire.