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

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

• Auteur / Autrice : Rawan El youssef
• Direction : Sandrine Rosin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Énergie et Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 10/10/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LEMTA – Laboratoire Energies & Mécanique Théorique et Appliquée
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Energie et Transferts

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie par résonnance magnétique (IRM)

Intelligence artificielle (IA)

Conductivité hydraulique

Sols non saturés

Expérimentations

Méthode inverse

Magnetic Resonance Imaging (MRI)

Artificial Intelligence (AI)

Hydraulic conductivity

Unsaturated soils

Experimentations

Inverse method

Résumé

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.

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.