Congélation artificielle des sols : caractérisation et modélisation du comportement thermo-hydromécanique // Artificial Ground Freezing: Characterization and Modelling of Thermo-Hydro-Mechanical Behavior

La congélation artificielle est une méthode d'amélioration temporaire de sol de plus en plus utilisée notamment pour la réalisation d'enceinte périphérique étanche lors des travaux de creusement de tunnels. Son domaine d'utilisation concerne les sols et massifs rocheux tendres ou fortement altérés, dans les cas où les autres méthodes de consolidation temporaires ne seraient pas convenables, suffisamment sûres ou techniquement réalisables. Les avantages des sols gelés sont nombreux, ils ont une forte résistance en compression, une excellente capacité portante et une faible perméabilité. La glace contenue dans les pores lie en effet les particules minérales les unes aux autres, comme le ciment dans le béton (Vitel, 2015). Contrairement à d'autres méthodes d'amélioration des sols comme l'injection de ciments ou produits chimiques, la congélation a peu d'impact sur l'environnement, le liquide réfrigérant étant distribué via des tuyaux et évacué ou remis en circulation sans contaminer les eaux souterraines (Casini et al., 2014; Greenwood et al., 2014).
Dans ce domaine, une question importante est de prévoir avec une précision suffisante lors d'un cycle de gel-dégel, les déformations volumiques (gonflement et tassement) du sol en surface (Joudieh et al., 2023,2024). Dans ce domaine, l'effet de l'épaisseur du sol de recouvrement a été étudié pour savoir si le gonflement peut être supprimé ou négligé à partir d'une certaine contrainte appliquée due au poids des sols et les structures existantes. Dans le domaine des exigences de l'ingénierie, l'aptitude au service est le facteur limitatif de la conception et, par conséquent, le stade primaire du fluage est la principale considération. Le fluage des sols gelés sous l'effet de la pression de glace, ainsi que leur sensibilité par rapport aux pressions mécaniques externes appliquées est donc à prendre en compte. L'étude détaillée de la vitesse de gonflement et du comportement au fluage est un des principaux points à considérer.
Différents modèles et approches intéressants ont été proposés pour la modélisation numérique de la congélation des sols. La modélisation des processus THM couplés et fortement non linéaires reste complexe (Nishimura et al. 2009. La nature du sol, les températures de congélation imposées, la durée de congélation, le contexte hydrogéologique du site, les contraintes mécaniques externes liées au site et aux ouvrages adjacents, la salinité de l'eau et du sol sont des paramètres à prendre en compte. Des verrous restent à lever concernant la détermination et l'optimisation des paramètres de ces modèles. Des validations de modèles basés sur des essais en laboratoire dans un contexte similaire à celui du terrain et/ou in situ sont à faire avant l'intégration des paramètres dans les processus prédictifs de dimensionnement des ouvrages. Une étude complète devrait prendre en considération la modélisation de l'ensemble sol-ouvrage pour un cycle complet de gel/dégel. Le couplage thermo-hydromécanique (THM) est donc à considérer dans les modélisations numériques appliquées aux situations réelles de congélation artificielle des sols.
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Artificial ground freezing is a temporary soil improvement technique that is becoming increasingly popular, particularly for installing frozen earth walls in deep excavations, tunneling operations, and temporary groundwater control. It is applied in soft or highly weathered soils and rock formations where other temporary consolidation methods may not be safe, suitable, or technically feasible. Frozen soils offer several advantages, including high compressive strength, excellent load-bearing capacity, and low permeability. The ice in the soil pores binds the mineral particles together, similar to how cement holds together concrete (Vitel, 2015). Unlike other soil improvement methods, such as cement or chemical injections, freezing has minimal environmental impact. The cooling liquid is circulated through pipes and either evacuated or recirculated, preventing groundwater contamination (Casini et al., 2014; Greenwood et al., 2014).
Although this method has been studied and used for a long time, several major questions and scientific challenges remain. The first challenge is how to accurately predict the volume deformations (swelling and settlement) of the soil surface during a freeze-thaw cycle (Joudieh et al., 2023,2024). Second, the creep behavior of frozen soils under the influence of ice pressure, as well as their sensitivity to applied external mechanical pressures. Therefore, a thorough study of swelling rates and creep induced volume deformations appear crucial.
While various models and approaches have been proposed for the numerical modeling of soil freezing, the modeling of coupled and highly non-linear thermal-hydro-mechanical (THM) processes remains complex (Nishimura et al. 2009). Numerous obstacles still exist in determining and optimizing model parameters. Models based on laboratory tests that closely replicate field conditions, or in-situ studies, need to be validated before their parameters can be incorporated into predictive processes for designing structures. A comprehensive study should also include the modeling of the soil-structure interaction during a freeze-thaw cycle. Therefore, thermal-hydro-mechanical coupling (THM) must be considered in numerical modeling applied to real-world scenarios of artificial ground freezing.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Lorraine

608 SIMPPÉ - SCIENCES ET INGENIERIES DES MOLECULES, DES PRODUITS, DES PROCEDES ET DE L'ÉNERGIE

Les candidats doivent être titulaires, au moment de l'entrée en fonction, d'une master en Génie Civil, Géotechnique ou Géologie de l'Ingénieur, et avoir un intérêt fort pour la mécanique des géomatériaux. Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master/d'ingénieur français ou étranger, …) justifiant d'un parcours remarquable. Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter : • le CV du candidat et lettre de motivation • les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible • des lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études • des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...). Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses : farimah.masrouri@univ-lorraine.fr ET olivier.cuisinier@univ-lorraine.fr
Candidates must own, at the time of the start of the position, a MSc Degree in Civil, Geotechnical or Geological engineering, and have a strong interest in mechanics of geomaterials. Knowledge of the French language is not mandatory. All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade corresponding to the upper half of a graduating class. In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include: • CV and letter of motivation • the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available • 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project • written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project. The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email : farimah.masrouri@univ-lorraine.fr and olivier.cuisinier@univ-lorraine.fr