Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Durabilité des ouvrages en terre face aux changements climatiques : interactions eau/ouvrages en terre

Laboratoire principal - Référent principal GERS - SRO  -  MAKKI Lamis

Directeur du laboratoire principal REIFFSTECK Philippe  -

Spécialité de la thèse géotechnique

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu CHEVALIER Christophe  -  Université Gustave Eiffel  -  GERS - SRO

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Université Gustave Eiffel

Résumé

Contexte et enjeux

Avec le réchauffement climatique, l’intensité croissante des précipitations ou de leur durée ou au contraire l’augmentation des périodes de sécheresse vont grandement participer à modifier (élever ou diminuer) le niveau d'un grand nombre de nappes phréatiques et des rivières à travers le monde, ainsi que à la dégradation surfacique des ouvrages en terre.
Le comportement d’un ouvrage en terre, digue ou grand remblai est fortement lié au comportement des matériaux constituant l’ouvrage, mais aussi lié à l’historique et à la méthodologie de la mise en œuvre des matériaux pour créer l’ouvrage et à la résistance du sol support. L’état des structures évolue dans le temps et les sollicitations environnementales constituent un des principaux facteurs de dégradation des performances de l’ouvrage. Or le mécanisme de dégradation des ouvrages en terre sous sollicitations hydrauliques fortes et rapides reste mal connu, ce qui engendre un risque de rupture prématurée, préjudiciable lorsqu’il s’agit de digue de protection contre les inondations, d’un remblais ou de déblais critiques d’infrastructure de transport ou bien d’un terrain en pente.
Par exemple, la forte précipitation et/ou l’augmentation de niveau d’eau dans les rivières conduisent à l’apparition de différents processus de dégradation souvent irréversibles :érosion de surface, décompactage, altération du matériau constituant la surface de l’ouvrage...
Les digues, par exemple, peuvent céder sous l'action érosive et progressive des écoulements lors des débordements d'eau .
L’ensemble des phénomènes de dégradation se déroule sur des échelles d’espace et de temps qui peuvent être très différentes. Par exemple, la vitesse d’érosion des sols et des roches varie dans des proportions importantes. Elle est de l’ordre du dixième de millimètres par an pour certaines roches et peut atteindre des valeurs de l’ordre de quelques mètres par heure pour les sables propres. La vitesse d’érosion des sols fins est intermédiaire entre celles des sables et des roches.
La présente thèse propose un travail expérimental dont le but principal est d’appréhender le mécanisme de dégradation des sols et des pentes (naturelles, de remblais, de digues) en faisant varier les conditions d’essais pour se rapprocher des conditions des sollicitations climatiques des régions tempérées. Une évolution climatique de ces régions avec des événements météorologiques plus intenses sera alors considérée.

Objectifs de la recherche

Les objectifs de cette thèse sont :
-la mise en place de protocoles expérimentaux pour évaluer la dégradation des ouvrages en terre en intégrant la spécificité des matériaux utilisés, ainsi que la nature, l’intensité et la fréquence des sollicitations environnementales hydriques et hydrauliques s’exerçant sur les ouvrages,
-le développement d’un modèle hydro-mécanique couplé pour décrire le comportement des matériaux constituants ces ouvrages avec une loi de dégradation (endommagement – indice de dégradation), suite aux changements climatiques, afin de prédire le comportement de ces ouvrages et de pouvoir anticiper la mise en œuvre optimale des ouvrages neufs et le confortement des ouvrages existants pour assurer leur durabilité.

Démarche

Pour mieux comprendre le comportement des ouvrages en terre sous sollicitations intenses, et afin de pouvoir répondre aux objectifs précédents :
-Plusieurs sols prélevés au droit des zones où des dégâts ont été observés seront étudiés, en réalisant des essais d’identifications classiques et des essais d’érosion et de sensibilité à l’eau usuels de type HET (Hole Erosion Test) ou ACT (Automated Crumb Test),
-l’analyse et le choix de sollicitations hydriques : intensités, la fréquence et le nombre de cycles reflétant les conditions naturelles envisagées que ce soient des pluies ou des crues ,
-Un modèle réduit sera développé, constitué d’une enceinte qui permettra de contrôler le degré d’hygrométrie de l’atmosphère, le degré d’humidité du sol ainsi que la simulation des pluies plus ou moins intenses et/ou accompagnés par la variation de niveau d’eau (nappe ou environnante dans le cas de rivière). Un ensemble de capteurs de déplacement, et de teneur en eau équiperont cette enceinte. Différents suivi de la dégradation en surface (caméra, profilomètre laser…) seront mis en œuvre. Le modèle permettra la compréhension de mécanisme de dégradation de la surface selon la nature du sol, l’intensité des sollicitations hydriques ainsi que la configuration de l’ouvrage (pente, etc), en lien avec l’analyse menée en amont.
-développer des protocoles d’essais adaptés aux types de sollicitations ainsi qu’aux types de sols, en gardant à l’esprit qu’il n’est pas concevable de proposer un unique type ou protocole d’essai qui serait universellement adapté,
-réaliser des essais d’érosion par jet d’eau (MoJET – sur chantier) sur les sols étudiés.
-les résultats des essais seront utilisés pour la modélisation numérique, en utilisant le logiciel COMSOL, afin de pouvoir prédire le comportement des ouvrages en terre selon les sollicitations hydriques.
Les essais permettront d’évaluer la modification des propriétés mécaniques (résistance, perméabilité, déformabilité, etc.) du matériau ainsi que la dégradation des surfaces notamment dues aux processus érosifs.
Le travail proposé dans cette thèse contribuera à terme aux efforts d’adaptation des ouvrages de génie civil au changement climatique dans un contexte de vieillissement (fatigue) et/ou de sollicitations en perpétuelle évolution, et à la maîtrise d’amélioration de leur performance en fonction de leur environnement.

Planning prévisionnel

La première année sera dédiée à la réalisation d’une recherche bibliographique ainsi qu’au la réalisation des essais d’identification et de caractérisation et au montage du modèle réduit : définir les dimensions de l’enceinte, la nature du sol, l’instrumentation mise en œuvre, réaliser les achats ainsi que les premiers tests,
La deuxième année sera consacrée à faire les essais d’érosion en laboratoire et sur chantier ainsi que faire fonctionner le modèle réduit avec des conditions climatiques différentes mais représentatives, et décrire le mécanisme de dégradation et d’érosion de la surface,
Les résultats des essais avec le modèle réduit permettront de mettre en place un protocole expérimental nécessaire et alimenter la base de données du logiciel COMSOL (modèle hydro-mécanique couplé) afin de modéliser l’impact du changement climatique sur le comportement des ouvrages en terre et pouvoir prédire leur comportement.
La modélisation numérique sera réalisée courant la troisième année.
Ce travail prévoit d’acquérir initialement des connaissances fondamentales sur l’interaction eau/ouvrages en terre soumis aux changements climatiques intenses, permettant d’aboutir à la rédaction de recommandations pour les acteurs de la profession, en prenant en compte le contexte géotechnique et environnemental.
Ces travaux seront valorisés par des communications mais surtout par des publications dans des revues scientifiques internationales.

Mots-clefs: Interaction eau-ouvrages en terre, érosion de surface, changement climatique, modèle réduit, modélisation.

Laboratoire principal - Référent principal	GERS - SRO - MAKKI Lamis
Directeur du laboratoire principal	REIFFSTECK Philippe -
Spécialité de la thèse	géotechnique
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE GUSTAVE EIFFEL
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	CHEVALIER Christophe - Université Gustave Eiffel - GERS - SRO
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Université Gustave Eiffel
Résumé Contexte et enjeux Avec le réchauffement climatique, l’intensité croissante des précipitations ou de leur durée ou au contraire l’augmentation des périodes de sécheresse vont grandement participer à modifier (élever ou diminuer) le niveau d'un grand nombre de nappes phréatiques et des rivières à travers le monde, ainsi que à la dégradation surfacique des ouvrages en terre. Le comportement d’un ouvrage en terre, digue ou grand remblai est fortement lié au comportement des matériaux constituant l’ouvrage, mais aussi lié à l’historique et à la méthodologie de la mise en œuvre des matériaux pour créer l’ouvrage et à la résistance du sol support. L’état des structures évolue dans le temps et les sollicitations environnementales constituent un des principaux facteurs de dégradation des performances de l’ouvrage. Or le mécanisme de dégradation des ouvrages en terre sous sollicitations hydrauliques fortes et rapides reste mal connu, ce qui engendre un risque de rupture prématurée, préjudiciable lorsqu’il s’agit de digue de protection contre les inondations, d’un remblais ou de déblais critiques d’infrastructure de transport ou bien d’un terrain en pente. Par exemple, la forte précipitation et/ou l’augmentation de niveau d’eau dans les rivières conduisent à l’apparition de différents processus de dégradation souvent irréversibles :érosion de surface, décompactage, altération du matériau constituant la surface de l’ouvrage... Les digues, par exemple, peuvent céder sous l'action érosive et progressive des écoulements lors des débordements d'eau . L’ensemble des phénomènes de dégradation se déroule sur des échelles d’espace et de temps qui peuvent être très différentes. Par exemple, la vitesse d’érosion des sols et des roches varie dans des proportions importantes. Elle est de l’ordre du dixième de millimètres par an pour certaines roches et peut atteindre des valeurs de l’ordre de quelques mètres par heure pour les sables propres. La vitesse d’érosion des sols fins est intermédiaire entre celles des sables et des roches. La présente thèse propose un travail expérimental dont le but principal est d’appréhender le mécanisme de dégradation des sols et des pentes (naturelles, de remblais, de digues) en faisant varier les conditions d’essais pour se rapprocher des conditions des sollicitations climatiques des régions tempérées. Une évolution climatique de ces régions avec des événements météorologiques plus intenses sera alors considérée. Objectifs de la recherche Les objectifs de cette thèse sont : -la mise en place de protocoles expérimentaux pour évaluer la dégradation des ouvrages en terre en intégrant la spécificité des matériaux utilisés, ainsi que la nature, l’intensité et la fréquence des sollicitations environnementales hydriques et hydrauliques s’exerçant sur les ouvrages, -le développement d’un modèle hydro-mécanique couplé pour décrire le comportement des matériaux constituants ces ouvrages avec une loi de dégradation (endommagement – indice de dégradation), suite aux changements climatiques, afin de prédire le comportement de ces ouvrages et de pouvoir anticiper la mise en œuvre optimale des ouvrages neufs et le confortement des ouvrages existants pour assurer leur durabilité. Démarche Pour mieux comprendre le comportement des ouvrages en terre sous sollicitations intenses, et afin de pouvoir répondre aux objectifs précédents : -Plusieurs sols prélevés au droit des zones où des dégâts ont été observés seront étudiés, en réalisant des essais d’identifications classiques et des essais d’érosion et de sensibilité à l’eau usuels de type HET (Hole Erosion Test) ou ACT (Automated Crumb Test), -l’analyse et le choix de sollicitations hydriques : intensités, la fréquence et le nombre de cycles reflétant les conditions naturelles envisagées que ce soient des pluies ou des crues , -Un modèle réduit sera développé, constitué d’une enceinte qui permettra de contrôler le degré d’hygrométrie de l’atmosphère, le degré d’humidité du sol ainsi que la simulation des pluies plus ou moins intenses et/ou accompagnés par la variation de niveau d’eau (nappe ou environnante dans le cas de rivière). Un ensemble de capteurs de déplacement, et de teneur en eau équiperont cette enceinte. Différents suivi de la dégradation en surface (caméra, profilomètre laser…) seront mis en œuvre. Le modèle permettra la compréhension de mécanisme de dégradation de la surface selon la nature du sol, l’intensité des sollicitations hydriques ainsi que la configuration de l’ouvrage (pente, etc), en lien avec l’analyse menée en amont. -développer des protocoles d’essais adaptés aux types de sollicitations ainsi qu’aux types de sols, en gardant à l’esprit qu’il n’est pas concevable de proposer un unique type ou protocole d’essai qui serait universellement adapté, -réaliser des essais d’érosion par jet d’eau (MoJET – sur chantier) sur les sols étudiés. -les résultats des essais seront utilisés pour la modélisation numérique, en utilisant le logiciel COMSOL, afin de pouvoir prédire le comportement des ouvrages en terre selon les sollicitations hydriques. Les essais permettront d’évaluer la modification des propriétés mécaniques (résistance, perméabilité, déformabilité, etc.) du matériau ainsi que la dégradation des surfaces notamment dues aux processus érosifs. Le travail proposé dans cette thèse contribuera à terme aux efforts d’adaptation des ouvrages de génie civil au changement climatique dans un contexte de vieillissement (fatigue) et/ou de sollicitations en perpétuelle évolution, et à la maîtrise d’amélioration de leur performance en fonction de leur environnement. Planning prévisionnel La première année sera dédiée à la réalisation d’une recherche bibliographique ainsi qu’au la réalisation des essais d’identification et de caractérisation et au montage du modèle réduit : définir les dimensions de l’enceinte, la nature du sol, l’instrumentation mise en œuvre, réaliser les achats ainsi que les premiers tests, La deuxième année sera consacrée à faire les essais d’érosion en laboratoire et sur chantier ainsi que faire fonctionner le modèle réduit avec des conditions climatiques différentes mais représentatives, et décrire le mécanisme de dégradation et d’érosion de la surface, Les résultats des essais avec le modèle réduit permettront de mettre en place un protocole expérimental nécessaire et alimenter la base de données du logiciel COMSOL (modèle hydro-mécanique couplé) afin de modéliser l’impact du changement climatique sur le comportement des ouvrages en terre et pouvoir prédire leur comportement. La modélisation numérique sera réalisée courant la troisième année. Ce travail prévoit d’acquérir initialement des connaissances fondamentales sur l’interaction eau/ouvrages en terre soumis aux changements climatiques intenses, permettant d’aboutir à la rédaction de recommandations pour les acteurs de la profession, en prenant en compte le contexte géotechnique et environnemental. Ces travaux seront valorisés par des communications mais surtout par des publications dans des revues scientifiques internationales.
Mots-clefs:	Interaction eau-ouvrages en terre, érosion de surface, changement climatique, modèle réduit, modélisation.

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