Sols, solides, structures, risques

Description du sujet :

Motivation, context
Microbial-induced calcite precipitation (MICP) is a process increasingly used to reinforce structures and soils, and appears to be a relevant alternative to conventional techniques based on the injection of manufactured materials, being more environmentally friendly and consuming less energy. Indeed, it reinforces the bond contacts between grains after injection of bacteria that accelerate the natural process of calcium carbonate precipitation (CaCO₃). A striking example is that a non-cohesive sand can be turned into a highly cohesive medium.  Since the recent proof of concept made by Whiffin [1] and Mitchell and Santamarina [2], studies have demonstrated that calcite precipitation induced by bacteria activity is effective at large scale [3], and has a broad spectrum of applications, including internal erosion of hydraulic structures, liquefaction of soils during earthquake, landslides, or crack closure. Studies have focused on the effect of the process parameters : bacteria concentration [4], calcium concentration, pH, temperature, and water saturation of the media [5] on the calcite distribution in pores and on the mechanical properties of the improved media [6], [7]. Moreover, our teams have recently demonstrated the importance of the microstructure at the contact scale on the mechanical behaviour [8]–[11].
Nevertheless, for engineering applications, the assessment of the durability of the reinforcement process by MCIP is a concern. In particular, it is important to be able to predict how evolve the mechanical properties of a reinforced medium when it is submitted to acid conditions, which will cause the dissolution of calcite [12] and weakening of the structure.

Post doc program
The goal of this project is to characterize the evolution of the microstructure in reinforced media in real time, when exposed to an aggressive environment. In particular, a focus will be made on the contact surface area and the crystal morphology evolution through time.
The post-doc will have to develop experiments in 2D model porous media to characterize the dissolution process with a relevant instrumentation including high-resolution imaging. Then, the dissolution conditions used in the 2D experiments will be transposed in 3D soil columns to perform time-lapse 4D nano-tomography imaging experiments using the high spatial and temporal resolution available at synchrotron facilities (ESRF).
The expected results are a better understanding of processes associated to the decrease in mechanical properties induced by calcite dissolution.

Location and practical aspects
The successful applicant will be hosted by the laboratory 3SR (Grenoble) in the “CoMHet” team. He/she will work under the supervision of Antoine Naillon and Catherine Noiriel (laboratory Géosciences Environnement Toulouse), and in collaboration with Christian Geindreau and Fabrice Emeriault.
The position is a 1-year contract with the opportunity to have some extended months.
The post-doc will start as soon as possible, from January 2023.
The gross salary will be around 2919 €/month depending on the experience of the applicant, equivalent to a net salary of around 2346 €/month.

 

The forces generated by cells in complex media are important in various
physiological/pathological phenomena such as wound healing, cancer metastasis or
embryogenesis. The aim of this project is to precisely investigate cell migration in
biological networks by studying the interactions between cancer cells and the
surrounding fibrous medium. Therefore, the main tasks of this thesis will be :

• A morphological characterisation of d ifferent fibr ous media (collagen networks at different concentrations) using confocal microscopy.
• The development of a stretching/shearing device to investigate fibre deformations of
• these networks subjected to various physiological loadings.
• The achievement of micromechanical stretching/shearing tests on Extra Cellular Matrix (ECM) samples. The data obtained will allow to build a micromechanical model for the macroscale visco hyperelastic mechanics of the soft fibrous ECM.
• The analysis of cell migra tion in the different ECMs. To understand the feedback between cell motility and network relaxation, observations will also be compared to numerical simulations.
• The determination of the local stresses exerted by cells using the micromechanical model developed.

This project will benefit from an existing collaboration between researchers in physics of biological system s, imaging and mechanical engineering.

Interested candidates should send their CV, a cover letter and official transcripts of the last two years to /
Dr Valérie Laurent ( )
Claude Verdier ( )
Lucie Bailly ( )
Deadline for the application:  01/07/2021

Les interactions mécaniques entre un milieu granulaire et une géogrille, c’est-à-dire une inclusion déformable ayant un rôle de renforcement, sont complexes et encore mal identifiées. Elles prennent naissance à l’échelle locale, au niveau des particules, des différents éléments de la géométrie plus ou moins complexe de la géogrille et des contacts entre chacun de ces objets. De plus, suivant le mode de sollicitation, les mécanismes d’interaction peuvent être très différents. Ils dépendent également de la distribution des tailles de grains, de leur forme généralement non sphérique et de l’arrangement granulaire au voisinage de l’inclusion (affecté notamment par les tailles respectives grains/maille de grille).
Les mécanismes mis en jeu sont liés notamment à l’enchevêtrement et au désenchevêtrement des particules dans la maille, accompagnés de mécanismes de butée des particules dans la maille, de frottement des particules sur la grille et de changements de densité au niveau d’une zone d’interface dont l’épaisseur reste à définir. Tous ces mécanismes prennent naissance au niveau des contacts entres particules et grille.
L’exemple d’application qui sert de support à cette étude est celui du renforcement et de la stabilisation de sol par grilles géosynthétiques (géogrilles), qui sont actuellement largement utilisées dans les ouvrages géotechniques sans que leur action ne soit formellement identifiée (approche macroscopique et empirique issue d’essais de laboratoire ou d’essais sur ouvrages).
Le sujet sera abordé par une combinaison d’observations microstructurales et d’expérimentations à l’échelle de la maille (sous tomographie RX) et de modélisations numériques par éléments discrets (code Yade). Il s’agit en premier lieu d’observer, définir et comprendre les mécanismes mis en jeu lors des sollicitations appliquées, en traitant également le cas des sollicitations cycliques et les phénomènes induits (fatigue et dégradation).
Dans un premier temps, une campagne d’imagerie 3D sera faite par microtomographie RX sur plusieurs échantillons de taille adaptée à la géométrie du problème : on considérera en particulier les cas avec et sans grille, des milieux granulaires modèles composés de sphères de taille très voisines ou présentant une distribution large de taille de grains de forme plus anguleuse, des tailles respectives de maille et de particules qui permettent de créer ou pas le phénomène d’interlocking.
Une reconstruction numérique de l’arrangement granulaire et de la grille permettra ensuite de générer des avatars numériques de ces échantillons qui seront utilisés dans le code Eléments Discrets Yade. Les simulations numériques prédictives du comportement de l’interface milieu granulaire – grille concerneront alors des sollicitations élémentaires (compression, cisaillement) monotones et complexes (en particulier cycliques). Il sera également possible de prendre en compte dans la loi de contact entre grains et entre grains et grille une dégradation des propriétés avec les cycles.
En parallèle de la mise au point et de la réalisation des simulations numériques, on se propose de concevoir des expérimentations mécaniques spécifiques réalisées sous tomographie RX de manière à évaluer la pertinence de la modélisation numérique dans sa description des mécanismes d’interaction matériau granulaire – grille. Quelques configurations ou cas de référence seront ainsi analysées de manière à s’assurer que la modélisation numérique reste bien proche de la réalité des phénomènes. On souhaite ainsi étudier à l’échelle des mailles de la grille les mouvements induits par un chargement appliqué (en particulier cyclique) simultanément à la prise d’images.
Au-delà de la compréhension des mécanismes mis en jeu et de l’identification des paramètres clés, on souhaite pouvoir proposer des éléments objectifs de choix pour le dimensionnement de la géogrille de renforcement ou sa mise en oeuvre et évaluer la capacité et les possibilités des méthodes numériques existantes à décrire, dans un calcul à l’échelle de l’ouvrage, le comportement et le rôle des renforcements.

 

   

Ce projet de thèse envisage une étude numérique de pieux d’ancrage d’éoliennes flottantes soumis à des chargements cycliques et dont la direction de chargement varie (chargement multidirectionnel). Le comportement du pieu, lui-même plus ou moins flexible, dépend également fortement du comportement du sol dans lequel il est installé. Le problème d’interaction sol-structure est d’autant plus complexe que le chargement est cyclique, voire dynamique, et multidirectionnel.  La prédiction des déplacements en tête du pieu et des sollicitations induites dans celui-ci est alors difficile et dépend de nombreux facteurs.
L’approche par une étude numérique telle qu’envisagée au cours de cette thèse nécessite principalement i) le développement d’un modèle numérique tridimensionnel prenant explicitement en compte le pieu, le massif de sol et l’interaction sol-pieu, ii) la mise en œuvre de lois de comportement du sol et de l’interface sol-pieu pertinentes au regard du chargement, iii) le développement de procédures de chargement complexe (chargement multidirectionnel dans les directions horizontale et verticale, chargement cyclique, voire dynamique). Un tel modèle permettra d’analyser finement le comportement du système et de mener des études paramétriques sur différents facteurs géométriques, géotechniques et de chargement, en vue de l’élaboration de méthodes de prédiction.
  Geotechnics; geomechanics; numerical modelling; deep foundations; soil-structure interaction; numerical modelling; cyclic loading; multidirectional loading.