Etude expérimentale et numérique des mécanismes de ruissellement et d’infiltration des eaux de pluie dans les infrastructures de transport

Titre : Etude expérimentale et numérique des mécanismes de ruissellement et d’infiltration des eaux de pluie dans les infrastructures de transport

Description du projet

La perméabilisation de certaines infrastructures de transport est un enjeu déterminant pour les entreprises et les bureaux d’études de Travaux Publics. L’étude du ruissellement sur ces infrastructures et leur durabilité vis à vis des problèmes d’arrachement de granulats et de colmatage sont les principaux verrous relatifs au développement de ses infrastructures. Le projet permettra de lever les verrous relatifs à la compréhension des interactions entre la percolation évolutive dans une structure initialement poreuse, les perméabilités variables des couches de matériaux constituant les infrastructures jusqu’au sol et le ruissellement en surface. Les résultats obtenus aideront à quantifier les relations qui existent entre la texture de surface, la porosité et le ruissellement de surface, Les résultats obtenus permettront d’expliquer l’impact du colmatage lié à l’arrachement de granulats de surface et à différents débris conduisant à une réduction de la durabilité de ces structures.

L’objectif porté par le consortium et le collectif de Routes de France à travers ce projet est de bâtir une méthode fiable utilisée par la communauté professionnelle (entreprises, bureaux d’études hydrauliques) et reconnue par les maîtres d’ouvrages pour optimiser et vérifier la conception des futurs espaces aménagés, dans un objectif de dés-imperméabilisation.

La meilleure connaissance des phénomènes de ruissellement et d’infiltration sur les matériaux de chaussée permettra de proposer une caractérisation plus pertinente et plus fine des coefficients de ruissellement et leur variabilité pour les marchés d’aménagement urbain et ainsi de progresser sur leur prise en compte dans les études hydrauliques sur lesquelles reposent certains critères de documents d’urbanisme. Elle conduira ainsi à clarifier les notions techniques communes utilisées dans les marchés de travaux, aussi bien en termes de spécifications initiales utilisées dans les dossiers d’appel d’offres que dans le suivi de la réalisation des infrastructures.

Afin d’analyser les éléments liés au ruissellement et à l’infiltration, cette thèse s’appuie sur un volet expérimental et un volet de modélisation :

• Sur le plan expérimental, un dispositif de l’ESTP permettra d’évaluer simultanément l’infiltration et le ruissellement de l’eau sous différentes configurations de chaussées Le dispositif expérimental est composé d’un caisson pouvant recevoir une structure de chaussée multicouche de 4 à 44 cm, avec une pente variable et maitrisée, avec un simulateur de pluie générant des pluies réalistes de 2 à > 50mm/h avec des tailles de gouttes de 100 à 2000 μm. Des mesures en continue de l’eau ruisselant et s’infiltrant sont réalisées et des capteurs de teneur en eau dans les matériaux non liés permettent un suivi de la cinétique d’infiltration.

• En parallèle, un banc expérimental original d’arrachement de grain sera développé au sein du laboratoire GEOMAS afin de caractériser précisément la géométrie des grains et d’étudier l’initiation ainsi que la propagation des fissures lors de l’arrachement. Ces analyses contribueront à identifier les paramètres de fissuration du matériau et/ou de l’interface.

• Concernant la modélisation, des modèles discrets (DEM) associés à la dynamique de fluides numérique (CFD) seront développés à l’INSA Strasbourg afin d’établir un lien entre les pertes de charge, la perméabilité des matériaux et des propriétés physiques telles que la rugosité de surface, directement influencée par la granulométrie. L’évolution de la perméabilité des chaussées en fonction du colmatage progressif des pores sera également étudiée. Cette approche permettra de modéliser les effets du dépôt de particules fines sur la performance hydraulique des matériaux et d’anticiper leur perte d’efficacité au fil du temps.
• Le consortium est constitué de l'INSA Strasbourg (Icube), l'INSA Lyon (GEOMAS) et ESTP Paris. Une période de travail est prévue au sein des laboratoires de chaque partenaire.

Verrous scientifiques :

• Ruissellementinfiltration : caractérisation, pour 2 bétons bitumineux ou enrobés et 2 GNT, des états de ruissellement et d’infiltration selon différentes conditions limites et initiales. Détermination d’un coefficient de ruissellement.
• La modélisation du ruissellement reste encore un défi avec la prise en compte de l’état de surface de la chaussée, du couplage des écoulements de l’eau et de l’air dans un milieu poreux, le régime d’écoulement.
• Durabilité : évolution de l’état de surface et de la perméabilité avec le temps.

Compétences qui seront développées au cours du doctorat

Le (la) doctorant(e) aura travaillé dans le cadre d’un projet en partenariat avec des laboratoires de recherche universitaires (ou publics et privés) avec lesquels il (elle) aura participé à l’obtention de résultats expérimentaux en laboratoire et au développement d’un modèle numérique permettant la caractérisation du ruissellement et de l’infiltration dans des structures de chaussées ainsi que leur durabilité.

Son savoir-faire sera ainsi valorisé auprès des entreprises de BTP, plus généralement auprès des départements de recherche et de développement des entreprises et bureaux d’études de travaux publics.

Son savoir-faire en développements théoriques, en modélisation numérique et expérimentale mais aussi son ouverture au monde socio-économique et scientifique, lui permettront d’intégrer, s’il (elle) le souhaite les centres et les organismes de recherche ou d’envisager une carrière d’enseignant-chercheur après avoir acquis une expérience pédagogique dans le cadre d’un monitorat ou d’un poste d’Attaché Temporaire à l’Enseignement et à la Recherche.

Exploitation des résultats

La diffusion des résultats scientifiques dans des conférences et journaux scientifiques est une étape importante dans la construction d’un parcours professionnel solide et cohérent.

Pour les entreprises, une synthèse technique des principaux résultats sera communiquée lors de la conférence annuelle des Journées Techniques Routes. Elle leur permettra de justifier les choix des matériaux de construction avec les formulations les plus cohérents en fonction des données connues en place, en s’appuyant sur les travaux de thèse. Les résultats des simulations permettront d’extrapoler les résultats obtenus à une plus large gamme de matériaux, de conditions d’emploi et de conditions environnementales.

De réels enjeux économiques sont à mettre en perspective sur le plan de la conception et la construction des infrastructures urbaines poreuses.

Les travaux de recherche se dérouleront à l'INSA de Strasbourg au 24 boulevard de la Victoire dans le laboratoire ICUBE (UMR 5773).

http://icube.unistra.fr/

Projet de recherche doctoral : Etude expérimentale et numérique des mécanismes de ruissellement et d’infiltration des eaux de pluie dans les infrastructures de transport

L’INSA Strasbourg est un établissement public à caractère scientifique culturel et professionnel (EPSCP). L’école, dont les origines remontent à 1875, a rejoint le Groupe INSA en 2003.

Grande école d’ingénieurs et école d’architecture sous la tutelle du ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation, ses formations d’ingénieurs sont accréditées par la commission des titres d’ingénieur, celle d’architecte est accréditée par la commission culturelle, scientifique et technique du ministère de la Culture.

L’INSA Strasbourg accueille environ 2 000 étudiants dans ses locaux, sur le campus universitaire de l’esplanade, à deux pas du centre ville, au cœur de la capitale européenne.

Diplômé d’une formation de niveau Master dans les domaines de la mécanique, du génie civil ou de la mécanique numérique.

Une expérience en simulation en mécanique des fluides et/ou des matériaux poreux ou granulaire, avec une forte appétence pour la programmation et l’expérimentation sera appréciée.

Les méthodes numériques envisagées seraient : CFD, DEM.

Les essais de laboratoire seront réalisés sur un dispositif expérimental de ruissellement/infiltration à l’échelle métrique.