Proposition de sujet de thèse : Comportement thermo-hydro-mécanique des sols fins compactés, application au stockage d'énergie et de déchets ...

Proposition de sujet de thèse :
Comportement thermo-hydro-mécanique des sols fins compactés, application
                 au stockage d’énergie et de déchets.
                Themo-hydromecanical behaviour of compacted soils,
                     applications to energy and waste storage
ENGLISH VERSION BELOW
VERSION FRANÇAISE :
Laboratoire d’accueil : LEMTA (CNRS UMR 7563) – Université de Lorraine- Vandœuvre-
lès-Nancy - France
Durée : 3 ans (Octobre 2022-Octobre 2025)
Co-encadrants : Sandrine Rosin-Paumier, Adel Abdallah, Farimah Masrouri

Résumé du sujet :
Les sols compactés sont des matériaux non saturés dans lesquels coexistent des phases aqueuses,
gazeuses et des particules solides. Pour ces sols, la rétention de l’eau au sein du matériau et sa mobilité
constituent des questions importantes puisque des migrations d’eau peuvent se produire sous l’effet
de gradient de température ou d’hygrométrie. Un niveau de complexité supplémentaire est atteint
lors de l’application d’un flux de chaleur au massif compacté comme c’est le cas lors de son utilisation
pour le stockage de chaleur (McCartney et al. 2014), pour la couverture de stockage de déchets ou
pour le scellement de galeries de stockage (Robinet et al. 1992).

La migration de l’eau au sein de matériaux compactés sous l’effet de gradients de température ou de
charge hydraulique est une problématique complexe ayant des conséquences importantes sur les
propriétés de transfert de chaleur et de masse, les propriétés mécaniques et la fissuration des sols.
Dans le cas de l’utilisation de sols compactés pour le stockage de chaleur, l’augmentation de la
température dans les échangeurs conduit à une migration de l’eau vers les couches superficielles
(McCartney et al. 2014). De ce fait, la diminution de la teneur en eau à proximité des échangeurs
impacte l’efficacité énergétique du système (Boukelia et al. 2019). L’effet de la fissuration sur les
propriétés de transfert thermique des sols n’a pas été suffisamment étudié dans la littérature et
pourrait également sensiblement affecter l’efficacité du stockage.

Dans le cas de l’utilisation de sols compactés pour le confinement de déchets, les interactions
complexes entre les sollicitations thermo-hydriques à l’interface sol-atmosphère et le développement
de la succion dans le sol, engendrent l’apparition de contraintes de traction qui peuvent aboutir à
l’apparition de fissures (Ledesma, 2016). Ce phénomène est tridimensionnel et les fissures peuvent se
connecter en profondeur en formant des réseaux susceptibles d’accélérer le séchage des couches
profondes (Tang et al. 2019). Un sol fissuré voit sa résistance à l’érosion, sa stabilité et sa portance
diminuer ce qui pourrait compromettre la stabilité et le fonctionnement optimal des ouvrages en
service (Cui et al. 2014, Lozada et al. 2015). Si la diminution de la conductivité hydraulique pendant le
séchage réduit le potentiel d'infiltration et augmente le ruissellement en surface en cas de
précipitations intenses, elle peut favoriser les écoulements préférentiels dans les fissures ce qui
endommage l'étanchéité des barrières argileuses (Auvray et al. 2013, Sterling et al. 2017). Li et al.
(2016) rapportent que l’augmentation de la conductivité hydraulique non saturée par la présence de
fissures de dessiccation, atteint jusqu’à deux ordres de grandeur.

Les verrous scientifiques identifiés sont :
    - La caractérisation des transferts d’eau au sein des matériaux poreux sous l’effet de
        sollicitations thermo-hydriques ;
    - L’identification des conditions favorisant l’apparition et la propagation de fissures au sein des
        sols fins compactés ;
    - L’évaluation de la réversibilité de la fissuration et l’évolution des propriétés thermo-hydro-
        mécaniques associées.

Pour répondre à ces verrous scientifiques, au cours de cette thèse, vous serez amené(e) à :
   - mettre en œuvre des améliorations sur un essai de caractérisation utilisant la technique de
        l’IRM (Imagerie par Résonnance Magnétique) avec des temps d’écho très courts en
        collaboration avec l’équipe de Recherche « IRM pour l’ingénierie » du LEMTA ;
   - quantifier de façon non intrusive et en continu des mouvements d’eau dans les sols non
        saturés au cours de l’application de sollicitations thermo-hydrique couplées ;
   - identifier les paramètres thermo-hydromécaniques des sols non saturés sous différentes
        températures par une méthode inverse ;
   - développer une méthode utilisant l’intelligence artificielle (IA) pour analyser l’initiation et la
        propagation des fissures dans les sols par traitement d’images.
Les travaux de thèse comprendront donc des développements méthodologiques et des
expérimentations qui permettront de caractériser la mobilité de l'eau et l'initiation de la fissuration
lors de l’application de sollicitations thermo-hydriques. La compréhension de ces phénomènes
fondamentaux apportera des informations importantes sur le comportement thermo-hydro-
mécanique des sols compactés utilisés pour stocker de la chaleur ou pour le confinement des déchets.
Qualification du candidat :
Le candidat devra être titulaire d’un Master en Génie Civil, Géotechnique ou Mécanique.
Langue de travail : français et anglais.

Conditions de travail :
Salaire net ≈ 1400 € par mois.
Possibilités de collaborations avec mobilités internationales financées dans le cadre d’un projet
européen
Participations à des congrès internationaux

Lieu : Laboratoire d’Energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée LEMTA www.lemta.fr
2 rue du Doyen Roubault, TSA 70605, 54518 Vandoeuvre-les-Nancy
Université de Lorraine www.univ-lorraine.fr
à Nancy : www.ot-nancy.fr/

Pour candidater :
Envoyer avant le 30 avril 2022 :

- un CV (2 pages maxi),

- un résumé du projet de recherche en master,

- les relevés de notes de M1 et M2 (semestre 1).

Sandrine ROSIN (Sandrine.rosin@univ-lorraine.fr)

Themo-hydromecanical behaviour of compacted soils,
                     applications to energy and waste storage

Laboratory : LEMTA (CNRS UMR 7563) – Université de Lorraine- Vandœuvre-lès-Nancy -
      France
Length : 3 years (October 2022-October 2025)
Supervisors : Sandrine Rosin-Paumier, Adel Abdallah, Farimah Masrouri

Project summary:
Compacted soils are unsaturated materials in which aqueous, gaseous phases and solid particles
coexist. For these soils, the position and movement of water are important issues since water
migration can occur under temperature or hygrometry gradients. An additional level of complexity is
achieved when applying a heat flow to the compacted soil as when they are used for heat storage
(McCartney et al. 2014), for waste storage covers or sealing of storage galleries (Robinet et al. 1992).
Water transfer within compacted soils under thermal or hydraulic gradients is a complex issue with
important consequences on heat and mass transfer properties, mechanical properties, and crack
development in the material. When compacted soils are used for heat storage (Figure 1), the
temperature increase in the heat-exchangers leads to an upward flow of water to the surface layers
(McCartney et al. 2014). The subsequent decrease of water content around the exchangers, decreases
the energy efficiency of the system (Boukelia et al. 2019). Another under-documented aspect which
could affect this efficiency is the impact of crack development on the thermal properties. When
compacted soils are used for sealing of nuclear waste storage galleries, high temperature induces a
phase-transition of pore-water and vapor-flow initiation.
For near-surface compacted soils, complex interactions between the thermo-hydraulic solicitations at
the soil-atmosphere interface and the development of pore-suction generate tensile stresses that can
lead to the initiation of cracking (Ledesma, 2016). This phenomenon is three-dimensional, and cracks
can connect forming a network that can accelerate the drying of deep layers (Tang et al. 2019). The
subsequent decrease of resistance to erosion and bearing capacity of cracked soils could compromise
the stability and the optimal functioning of the structures in service (Cui et al. 2014, Lozada et al. 2015).
During drying, the decrease of hydraulic conductivity leads to a reduction of the infiltration potential
and to an increase of the surface runoff in case of subsequent intense precipitations. At the same time,
crack development activates preferential flow paths leading to damaging the sealing capacity of the
clay barriers (Auvray et al. 2013, Sterling et al. 2017). Li et al. (2016) report an increase in unsaturated
hydraulic conductivity due to the presence of desiccation cracks up to two orders of magnitude.
The identified scientific issues are:
 - Characterization of water transfer in compacted soils under coupled thermo-hydraulic solicitations.
 - The identification of the conditions of crack initiation and propagation within compacted fine soils.
 - The evaluation of the reversibility of cracking and associated hydromechanical properties.

 To contribute addressing these issues, during this PhD, you will be expected to:
 - Implement improvements on an RMI-based testing device by using a very short echo time method
   in collaboration with the research team “RMI for engineering” of LEMTA.
 - Quantify water movements in unsaturated soils during the application of coupled thermo-hydric
   stresses using non-intrusive and continuous methods.
 - Determine unsaturated thermo-hydromechanical soil parameters using inverse method.

- Develop a method using artificial intelligence and image processing for monitoring crack
   development.

The thesis work will therefore include methodological and experimental developments that will permit
characterizing water transfer and cracking initiation during the application of thermo-hydraulic
solicitations. Understanding these fundamental phenomena will provide important information on the
thermo-hydro-mechanical behaviour of compacted soils used to store heat or seal waste storage
galleries.

Candidate qualifications:
The candidate must hold a Master degree in Civil, Geotechnical or Mechanical Engineering.
Working language: French and English.

Working conditions:
Net salary ≈ 1400 € per month.
Opportunities for international collaborations through secondments within a EU-funded project
Participation in international conferences
Location: Laboratory of Energy Theoretical and Applied Mechanics (LEMTA)
2 rue du Doyen Roubault, TSA 70605,
54518 Vandoeuvre-les-Nancy
www.lemta.fr
University of Lorraine www.univ-lorraine.fr
in Nancy: www.ot-nancy.fr/
To apply:
Send the following items before April 30, 2022 to Sandrine ROSIN (Sandrine.rosin@univ-lorraine.fr):
- a CV (2 pages max),
- a summary of the Master's research project,
- transcripts of Master’s records.

Références :
Auvray R., S. Rosin-Paumier, A. Abdallah, F. Masrouri. Quantification of soft soil cracking during suction
cycles by image processing. European Journal of Environmental and Civil Engineering, Taylor & Francis,
2013, 18 (1), pp.11 - 32.
Boukelia A, S. Rosin-Paumier, H. Eslami, F. Masrouri, Effect of temperature and initial state of fine
grained soils on variation of thermal parameters. European Journal of Environmental and Civil
Engineering 2019, vol 23-9, pp. 1125-1138.
Cui, Y.J., Tang, C.S., Tang, A.M. and Ta, A.N., 2014. Investigation of soil desiccation cracking using an
environmental chamber. Rivista Italiana di Geotecnica, 24, pp.9-20.
Eslami H., S. Rosin-Paumier, A. Abdallah, F. Masrouri. Pressuremeter test parameters of a compacted
illitic soil under thermal cycling. Acta Geotechnica, Springer Verlag, 2017, 12 (5), pp.1105-1118.
Ledesma, A., 2016. Cracking in desiccating soils. E3S Web of Conferences 9, 03005

Li J.H., L. Li, R. Chen, D.Q. Li, 2016. Cracking and vertical preferential flow through landfill clay liners,
Engineering          Geology,       Volume        206,      Pages       33-41,       ISSN       0013-7952,
https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2016.03.006.
Lozada, C, Caicedo, B, Thorel, L, 2015. Effects of cracks and desiccation on the bearing capacity of soil
deposits, Géotechnique Letters 5, 112–117
Ross A. Stirling, Stephanie Glendinning, Colin T. Davie, 2017. Modelling the deterioration of the near
surface caused by drying induced cracking, Applied Clay Science, Volume 146, Pages 176-185, ISSN
0169-1317, https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.06.003.
Tang, C.S., Zhu, C., Leng, T., Shi, B., Cheng, Q. and Zeng, H., 2019. Three-dimensional characterization
of desiccation cracking behavior of compacted clayey soil using X-ray computed tomography.
Engineering Geology. 255, 1-10.