The purpose of this thesis has been to design and develop a practical apparatus for determining the residual strength of clay soils. To provide background for the study, current knowledge regarding residual strength is reviewed, including the following points. 1. Residual strength, defined as the lowest drained strength a soil can exhibit, is attained at large shear displacements. 2. Residual conditions result when particles located in shear bands within the failure zone become aligned in the direction of shear. 3. Residual strength, derived from interparticle bonding, is influenced by crystal structure and, in active clay minerals, by pore water chemistry. The ring shear test, performed by applying a torsional shear load to an annular shaped specimen, is particularly suited for residual strength determinations because of unlimited uni-directional strain capabilities. The UBC Ring Shear Device was designed to combine versatility with uncomplicated operation. Features of the design are as follows. 1. Variable sample height up to 0.75 inches. 2. Smoothly variable normal stress up to 200 psi delivered through an air piston. 3. Smoothly variable rate of shear from 3-2 inches per year to 9 inches per hour. 4. A non-tilting loading platen which reduces required machine tolerances and improves control of sample losses during testing. 5. Automatic data acquisition. 6. A simple method of sample placement. Residual strength determinations obtained with the UBC Ring Shear Device demonstrate its efficient and effective operation. Minimal supervision is required and test results are easily interpreted. Multi-reversal direct shear tests for residual strength were undertaken for comparison with the ring shear results, but no satisfactory results were obtained due to excess pore pressures within the test specimens. Recommendations for improvements to both ring shear and direct shear devices are given. / Applied Science, Faculty of / Civil Engineering, Department of / Graduate

Les écoulements cisaillés en rotation sont fréquents en ingénierie — par exemple en turbo- machines et dans la production d’énergie hydraulique — et en géophysique et astrophysique. L’étude de leurs propriétés de stabilité en lien avec la production de turbulence est donc essentielle. Dans la présente étude, nous ne considérons pas d’éventuels effets inhomogènes, et nous nous concentrons sur la complexité de la dynamique anisotrope, qui ne peut se représenter facilement par les seuls modèles statistiques en un point. La thèse porte donc sur l’étude des propriétés de la turbulence homogène anisotrope (HAT) avec champ moyen uniforme et effet Coriolis, à l’aide de modèles statistiques en deux points. Un modèle orig- inal est proposé qui permet de prédire la dynamique de la turbulence cisaillée en rotation, et sépare les effets de déformation linéaire de la dynamique turbulente non linéaire, afin de proposer un traitement adapté pour chaque contribution. Le modèle proposé porte sur les équations qui régissent l’évolution du tenseur spectral du second ordre des corrélations de vitesse en deux points. Il permet d’aborder les gradients de vitesse moyenne arbitraires, avec ou sans rotation d’ensemble du système. L’effet direct linéaire des gradients moyens est exact dans le modèle, alors que les effets non linéaires con- stitués des corrélations d’ordre trois en deux points sont fermés par un modèle anisotrope de type EDQNM. Dans ce modèle de fermeture, l’anisotropie est restreinte à un développe- ment tronqué en termes d’harmoniques angulaires d’ordre bas Mons et al. (2016). Notre nouveau modèle est validé pour le régime linéaire par comparaison à une solution trés pré- cise de distorsion rapide visqueuse (vRDT) dans plusieurs cas de cisaillement: stabilisant, déstabilisant ou neutre. Le modèle diffère des approches de simulation numérique directe (DNS) pseudo-spectrale pour les écoulements cisaillés proposées par Rogallo (1981) en ingénierie et par Lesur & Longaretti (2005) en astrophysique, en ce que l’opérateur de convection n’est pas résolu en suivant les courbes caractéristiques moyennes spectrales ou physiques, mais grâce à un schéma original de type différences finies d’ordre élevé qui permet de calculer les dérivées ∂ i iv par rapport au vecteur d’onde k. On évite ainsi la déformation du maillage et l’obligation de remailler, ce qui autorise l’obtention aisée des harmoniques angulaires à chaque instant, grâce au fait que l’espace physique ou spectral n’est pas déformé. La capacité de prédiction de cette nouvelle approche est significativement améliorée par rapport au modèle de Mons et al. (2016), pour lequel la solution linéaire peut être remise en cause à grand temps d’évolution, particulièrement pour le cas non tournant. Le nouveau modèle est suffisamment universel puisqu’il est implémenté pour plusieurs cas de gradients de vitesse moyenne compatibles avec l’approximation homogène. Les validations ont notamment été réalisées dans des cas de déformation plane. Pour la turbulence cisaillée, dont la modélisation est demeurée jusqu’à présent un point dur des approches en un point et aussi de l’approche en deux points de Mons, nous proposons une version adaptée de notre modèle en deux points, en l’hybridant avec un modèle de retour à l’isotropie proposé par Weinstock (2013). Ce nouveau modèle hybride pour la turbulence cisaillée fournit des résultats extrêmement satisfaisants. / Stability and turbulence in rotating shear flows is essential in many contexts ranging from engineering—as in e.g. turbomachinery or hydraulic energy production—to geophysics and astrophysics. Apart from inhomogeneous effects which we discard in the present study, these flows are complex because they involve an anisotropic dynamics which is difficult to represent at the level of one-point statistics. In this context, the properties of these flows, such as scale-by-scale anisotropy or turbulent cascade can be studied via two-point statistical models of Homogeneous Anisotropic Turbulence (HAT), in which the distorting mean flow is represented by uniform mean velocity and density gradients, and by body forces as the Coriolis one. The context of HAT can be relevant for flows in a plane channel with spanwise rotation, or for a Taylor-Couette flow. We propose a new model for predicting the dynamics of homogeneous sheared rotating turbulence. The model separates linear distortion effects from nonlinear turbulent dynamics, so that each contribution can be treated with an adapted model. Our model deals with equations governing the spectral tensor of two-point second-order velocity correlations, and is developed for arbitrary mean velocity gradients with or with- out system rotation. The direct linear effect of mean gradients is exact in our model, whereas nonlinear effects come from two-point third-order correlations which are closed by an anisotropic EDQNM model. In the closure, the anisotropy is restricted to an expansion in terms of low-degree angular harmonics (Mons et al., 2016). The present model has been validated in the linear regime, by comparison to the accurate solution of viscous Rapid Distortion Theory (vRDT), in several cases, stabilizing, destabilizing or neutral. In contrast with pseudo-spectral DNS adapted to shear flow by Rogallo (1981) in en- gineering and by Lesur & Longaretti (2005) in astrophysics, the advection operator is not solved by following characteristic lines in spectral or physical space, but by an original high- order finite-difference scheme for calculating derivatives ∂ i with respect to the wave vector k. One thus avoids mesh deformation and remeshing, thus one can easily extract angular ii harmonics at any time since physical or spectral space are not distorted. With this new approach, we are able to improve the prediction of the previous model by Mons et al. (2016), in which the linear resolution is questioned at large time, especially in the case without rotation. The proposed new model is versatile since it is implemented for several cases of mean velocity gradients consistent with the homogeneity approximation. Validations have been done for several cases of plane deformations. In the case of sheared turbulence, whose modelling resists most one-point approaches and even the two-point model by Mons, we propose an adaptation of our two-point model in a new hybrid model, in which return-to- isotropy is explicitly introduced in the guise of Weinstock (2013)’s model. Predictions of the new hybrid model are extremely good.

Dans la crise énergétique mondiale actuelle, la demande de production d'énergie reposant sur des sources renouvelables est en hausse. Les biocarburants offrent une option intéressante pour cette transition énergétique. Les intérêts dans le développement d'une troisième génération de biocarburants produits à partir de microalgues et de cyanobactéries ont nettement augmenté. Ainsi, la conception et la construction des systèmes de culture qui fonctionnent dans des conditions optimales sont nécessaires pour bénéficier au maximum du contenu énergétique de ces espèces. Les photobioréacteurs (PBRs) sont des systèmes qui offrent un bon contrôle sur les conditions de culture et de la croissance.Les effets du stress hydrodynamique sur la croissance ainsi que sur la motilité de deux espèces de microorganismes, la cyanobactérie Synechocystis et la microalgue Chlamydomonas reinhardtii, sont étudiés dans deux types de PBR: cuve agitée (agitation mécanique) et airlift tubulaire (agitation par des bulles ascendantes). Les résultats ont montré que Synechocystis est très résistant au cisaillement; la variation de son taux de croissance exponentiel est limitée à la décomposition des colonies cellulaires, alors que sa capacité porteuse semble augmenter avec le cisaillement jusqu'à une valeur maximale. D'autre part, C. reinhardtii se montre plus sensible; son taux de croissance exponentiel augmente avec l'intensité du cisaillement, alors que sa capacité porteuse semble être moins affectée. Un modèle logistique comportant deux paramètres de croissance, le taux de croissance exponentiel et la capacité porteuse, est proposé pour décrire la croissance avec le temps. En suivant une approche de systémiques dynamiques, il a été expérimentalement montré que le taux de croissance instantanée et le taux de croissance per capita tendent vers zéro et oscillent autour d'un point fixe stable où la densité de la population atteint la capacité maximale du système.Un autre aspect de ce travail est d'étudier la motilité des deux microorganismes au cours de leurs cycles de croissance lorsqu’ils sont soumis aux différents niveaux de contrainte de cisaillement. La vitesse moyenne de nage est déterminée pendant la croissance pour des différentes valeurs de cisaillement. Les résultats ont montré que la motilité de C. reinhardtii suit trois phases différentes; une phase ascendante qui commence au milieu de la phase exponentielle de croissance, une phase descendante et enfin une phase amortie au cours de la phase stationnaire de croissance. Il a été montré que l'agitation augmente l'amplitude de la vitesse moyenne de nage et qu’elle avance la motilité cellulaire. En outre, une intensité de cisaillement élevée a conduit à un amortissement plus rapide de la vitesse moyenne vers sa valeur finale en phase stationnaire de croissance. Pour Synechocystis, la motilité n'a pas suivi une tendance claire avec le temps. Cependant, il semble que la vitesse maximale se produit toujours au milieu de la phase exponentielle de croissance. / Under the current global energy crisis, the demand of energy production relying on renewable sources has become a global need. Biofuels offer a transition towards a world of renewable energy supply and production. The interests in developing a third generation of biofuels produced from microalgae and cyanobacteria have clearly increased. Thus, the design and construction of a convenient culturing system under optimal conditions is necessary to benefit from the energy content of these species. Photobioreactors (PBRs) offer a good control over culture conditions and growth.This work investigates the effects of shear stress, generated by stirring in agitated PBRs and bubbling in airlift PBRs, on the growth and motility of two species of microorganisms, the cyanobacterium Synechocystis and the microalgae Chlamydomonas reinhardtii. The results show that Synechocystis is highly resistant to shear stress; the variation in exponential growth rate is limited to the breakdown of cellular colonies, while the carrying capacity appears to increase as a function of shear stress up to a maximal value. On the other hand, C. reinhardtii shows to be more sensitive; the exponential growth rate increases with shear stress intensity, while the carrying capacity seems to be less affected. A logistic growth model featuring two growth parameters, the exponential growth rate and the carrying capacity, is proposed to describe the growth with time. From a point of view of dynamical system approach, it is experimentally shown that the population’s instantaneous growth rate and the growth rate per capita tends to zero and converges around a stable fixed point once the population’s density reaches the carrying capacity of the growth system.Another aspect of this work is studying the motility of the two microorganisms during their growth cycle when different levels of shear stress are applied on them. The average swimming velocity is determined as a function of growth cycle for different shear stress intensities. The results show that the motility of C. reinhardtii follows three different phases; a rising phase starting in the middle of the exponential growth phase, a decay phase and finally a damped phase during the stationary growth phase. It is shown that agitation increases the magnitude of the average velocity and advances the cellular motility. Besides, high intensity in the applied shear stress led to an increase in the damping of the average velocity implying a quicker decay to the limit value at the end of the growth. For Synechocystis, the average velocity did not follow a defined pattern with time. However, it seems that the peak of the velocity occurs always in the middle of exponential phase.

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Most infrastructures in the world are made with reinforced concrete (RC), and one of the ‎crucial concerns in North America is corrosion of steel reinforcement in RC structures. ‎Corrosion can lead to severe degradation which can affect the serviceability and ultimate limit ‎state, and cause failure. One solution for overcoming this phenomenon is the use of corrosion-‎resistant fibre-reinforced polymer (FRP) reinforcement. In addition to corrosion resistance, ‎FRPs also present other advantages such as high strength and light weight compared to steel ‎reinforcing bars. Their mechanical properties differ from those of steel; therefore, the flexural ‎and shear behaviour of FRP-RC members requires investigation. In general, predictions from flexural design equations are close to results from experimental ‎data. However, shear strength predictions based on different modelling approaches can vary ‎greatly. Thus, in the last century, one of the main controversies in the field of structural ‎engineering attracting continuous attention is the shear behaviour of RC members. In previous ‎studies, factors such as concrete strength, reinforcement ratio, beam depth, beam width, size ‎effect, aggregate size, fracture energy and shear slenderness have been investigated in an effort ‎to solve the riddle of shear in beams. Recently, a new rational theory named "Shear Crack ‎Propagation Theory" (SCPT) was introduced that combines crack kinematics with constitutive ‎material behaviour to predict shear behaviour over the entire loading process, rather than only ‎focusing on the point of failure. To date, the SCPT has only been used to predict the shear behaviour of RC beams containing ‎steel reinforcement. The present study is the first to apply the SCPT to RC beams with non-‎metallic reinforcement. The numerical analysis using SCPT on RC members was validated ‎against published test data and examines the role of important parameters such as ‎reinforcement modulus of elasticity, reinforcement ratio, bond condition, and dowel resistance.‎

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