La stabilité des excavations dans les roches fracturées est influencée, entre autres, par le régime structural, qui est inhérent à la roche. Divers outils sont disponibles pour les analyses de stabilité, mais la qualité des résultats dépend considérablement des données d’entrée disponibles et des outils utilisés. Dans ce mémoire, deux études de cas sont présentées, qui étudient l'influence de la représentation de données structurales sur l'analyse de stabilité. La première étude de cas traite de la stabilité d'une pente de roche le long d'une route près de Fleurimont, qui a subi des effondrements de dièdre. L’objectif était de découvrir si les effondrements pourraient avoir été prédits et d'évaluer la probabilité de la rupture de dièdre le long de la pente. Plusieurs analyses d'équilibre limite ont été effectuées, y compris une analyse déterministe rétrospective de deux ruptures de dièdres, et une analyse probabiliste des dièdres individuels. De plus, une analyse probabiliste de système de joints a été effectuée en utilisant les modèles 3D de système de joints, qui ont été générés avec des données de terrain. Les données nécessaires pour les analyses ont été recueillies sur place. Les résultats d’analyse rétrospective ont indiqué l'instabilité potentielle des dièdres observés, et les approches probabilistes ont confirmé l'occurrence des effondrements de dièdre le long de la pente, mais ils ont également démontré que la probabilité d'effondrements semblables est faible. Les résultats ont démontré qu'une analyse de données exhaustive en utilisant plusieurs outils d'analyse est requise pour obtenir une évaluation fiable du comportement de la roche. La deuxième étude de cas discute de la stabilité des galeries à la mine souterraine LaRonde de l'Agnico Eagle, qui sont concernées par de grandes déformations à cause de la convergence des parois. L'analyse de la convergence observée s'est concentrée sur la génération d'une série de modèles numériques 2D selon la méthode des éléments finis, visant à reproduire le mécanisme d'effondrement et les déformations résultantes. La foliation in situ a été reproduite par des joints, qui ont été introduits explicitement dans le modèle. Les données structurales requises ont été rassemblées sur place. Les modèles ont été calibrés avec les données de convergence disponibles. Les résultats de modélisation numérique ont atteint une bonne concordance avec les observations sur place. Les deux profils caractéristiques observés et l’ordre de grandeur des déformations mesurées ont pu être reproduits. Il a été démontré que le modèle numérique appliqué est un outil utile pour modéliser les conditions complexes observées à la mine. Plus d'expériences de validation devraient être effectuées, mais la méthode peut potentiellement être employée pour élaborer de meilleures stratégies pour les travaux de développement minier dans des conditions semblables. Les deux études de cas ont démontré l'influence de la représentation des données structurales sur l'analyse de données. En outre il a été montré que le choix des outils d'analyse influence les résultats obtenus. / The stability of excavations in fractured rock is influenced among others by the structural order inherent in the rock mass. Various analysis tools are available for stability analysis, but the quality of results depends considerably on the available analysis data and the tools used. In this thesis two case studies of excavations in fractured rock are presented that investigate the influence of structural data representation on the stability analysis. The first case study focused on the stability of a rock slope along a road cut near Fleurimont that has experienced wedge failures. The aim was to find out, if the failures could have been predicted, and to evaluate the probability of wedge failures along the slope. Different limit equilibrium wedge analyses were carried out, including a deterministic back-analysis of two wedge failures and a probabilistic analysis of individual wedges. Furthermore a probabilistic joint system analysis was carried out using 3D joint system models generated out of field data. As part of this work the required analysis data was collected on site. The back-analysis results suggested potential instability of the observed wedges, and the probabilistic approaches confirmed the occurrence of wedge failures along the slope, but also indicated the only low probability for these failures. The results demonstrated that a comprehensive data analysis using various analysis tools is required to reach a reliable assessment of the rock behaviour. The second case study discusses the stability of drifts at Agnico Eagle’s LaRonde underground mine that are affected by large deformations due to rock squeezing. The analysis of the observed drift convergence focused on the generation of a series of numerical 2D finite element models, aiming to reproduce failure mechanism and resulting deformations. The in situ foliation was reproduced by explicitly introducing joints into the model. The required structural data was collected on site. As reference data for the model calibration available convergence data was used. The modelling results reached a good agreement with the observations on site. Both observed characteristic deformation profiles as well as measured deformation magnitudes could be adequately reproduced. It could be demonstrated that the applied numerical model is a useful tool to model the complex squeezing ground conditions observed at the mine. More validation experiments should be carried out, but the method can potentially be used to develop better mine development strategies in similar conditions. Both case studies demonstrated the influence of structural data representation on the data analysis. Furthermore it could be shown that the choice of analysis tools influences the obtained results. /

Ce projet de doctorat a permis pour la première fois de concevoir, réaliser et étudier le potentiel des matériaux métalliques biodégradables. En effet, le fer pur et les alliages de magnésium avaient été évalué entre 2001 et 2003 quant à la possibilité de devenir des biomatériaux dégradables. Ces travaux ont cependant montré que les propriétés mécaniques et du comportement en dégradation de ces alliages devaient être améliorées pour répondre aux besoins cliniques. Dans cette perspective, une série de nouveaux alliages du système Fe–Mn ont été élaborés et étudiés. L'objectif est d'obtenir des propriétés physiques et mécaniques similaires à celles de l'acier inoxydable 316L (SS316L) et un comportement à la dégradation mieux adapté à l’environnement physiologique humain que le fer pur et les alliages de magnésium. Quatre alliages de fer contenant 20 à 35% de manganèse ont été préparés par les techniques de la métallurgie des poudres, puis par la suite ils ont subi plusieurs cycles de laminage à froid et de frittage. Les résultats de ces travaux ont montré que la microstructure des alliages Fe–Mn est principalement composée d’une phase austénitique et de traces de phases martensitiques chez les alliages contenant moins de manganèse. Les alliages sont non–ferromagnétiques, leur susceptibilité magnétique étant inférieure à celle du SS316L. Contrairement au SS316L, cette susceptibilité magnétique demeure constante après écrouissage. Les propriétés mécaniques des alliages Fe–Mn approchent celles du SS316L. Leur limite d'élasticité diminue de 420 à 210 MPa et leur allongement à la rupture augmente de 5 à 32% quand la teneur en manganèse augmente de 20 à 35%. Pendant un essai in vitro, les alliages se dégradent par corrosion. Les produits de dégradation sont des couches d’hydroxydes de fer et de calcium/phosphore. Les taux de corrosion mesurés sont plus grands que celui du fer pur, mais plus faibles que celui de l’alliage de magnésium. Le relargage des ions de fer et de manganèse dans la solution est limité par les couches de produits de dégradation. Les essais de viabilité cellulaire ont montré que les alliages de Fe–Mn inhibent faiblement l’activité métabolique des fibroblastes. Tous ces éléments confirment le potentiel des alliages Fe–Mn pour la fabrication d’un biomatériau dégradable biocompatible. / This doctoral project permitted for the first time to design, develop and study metallic alloys as degradable biomaterials. Between 2001 and 2003, commercially pure iron and magnesium alloys were evaluated for their possibility to become degradable biomaterials. In those studies, it was found that their mechanical property and degradation behaviour were not clinically well suited. In this context, a series of Fe–Mn alloys was produced with the objective to obtain physical and mechanical properties similar to those of stainless steel 316L (SS316L) and degradation behaviour more suited in human physiological environment than pure iron and magnesium alloys. Four alloys with manganese content ranging between 20 and 35 wt% were prepared via a powder metallurgy route followed by a series of cold rolling and resintering cycles. Results showed that their microstructure was mainly composed of austenitic phase with the trace of martensitic phase in alloys having lower manganese content. This microstructure resulted into a nonmagnetic behaviour of the alloys with magnetic susceptibility lower than that of SS316L. In contrast to SS316L, this magnetic susceptibility remained constant after having plastic deformation. The alloys showed mechanical property approached to that of SS316L. As manganese content increased, the yield strength decreased from 420 to 210 MPa and the elongation increased from 5 to 32%. The alloys degraded in simulated coronary artery conditions by the mechanism of corrosion. Their average corrosion rate was faster than that of pure iron and slower than magnesium alloys. The degradation products constituted of iron hydroxides and calcium/phosphorus containing layers which adhered onto the substrate. The release of iron and manganese ions into the solution was limited by the insoluble degradation layer. The cell viability assays showed that the Fe–Mn alloys possess a low inhibition effect to fibroblast cells metabolic activities demonstrating their potentiality to be a biocompatible degradable biomaterial.

Ce projet de doctorat s’intéresse à la corrosion du soutènement minier utilisé dans les mines souterraines. Le soutènement minier assure la stabilité et la sécurité des excavations souterraines. Avec le temps, les différents éléments se corrodent et se détériorent. Il peut en résulter des effondrements, des retards de production en plus des coûts associés aux travaux de réhabilitation car, après une certaine période, on doit remplacer le soutènement désuet. Dans les pires situations, il y a des bris d’équipements et, ce que l’on veut éviter à tout prix, des accidents pouvant causer des blessures ou même des décès. Des observations en microscopie démontrent que la corrosion semi-uniforme est généralement présente ainsi que des piqûres et des crevasses. Ces dernières ont une influence sur la capacité en tension des éléments de soutènement. Une caractérisation des environnements aqueux et atmosphériques a été réalisée dans diverses mines à l’aide de coupons de corrosion. Les taux de corrosion sont variables d’une mine à l’autre ainsi qu’à l’intérieur d’une même mine. La corrosion aqueuse est plus agressive que la corrosion atmosphérique. Cependant, des taux de corrosion élevés ont été mesurés dans des exhaures de ventilation. Les coupons en acier galvanisé ont mieux performé, après 1 an, que ceux en acier noir. À partir des résultats des coupons de corrosion et des divers essais réalisés, il a été possible de déterminer des pertes de capacité en fonction des épaisseurs et/ou des taux de corrosion de l’acier. Des paramètres permettant de caractériser les environnements atmosphériques et aqueux sont proposés. Un guide de description de la corrosion, afin d’estimer les taux de corrosion et la capacité du soutènement, a été élaboré. Des organigrammes de planification du soutènement ainsi que de suivi sont présentés. Les résultats de ce projet de recherche seront utiles pour les gens œuvrant en contrôle des terrains dans des ouvrages souterrains en milieu rocheux.

L'objectif global de ce projet de doctorat est d'améliorer les qualités fonctionnelles des prothèses vasculaires de téflon (PTFE). En ce sens, deux stratégies ont été développées: l'une pour diminuer les risques de thromboses et l'autre pour inhiber l'hyperplasie intimale. Les thromboses se produisent dans les prothèses synthétiques car les matériaux utilisés sont non-hémocompatibles. Puisque le seul tissu hémocompatible connu est l'endothélium, le PTFE a été modifié afin de favoriser l'adhésion et la survie des cellules endothéliales. Le PTFE a d'abord été aminé par plasma d'ammoniac puis des bras d'ancrage ont été greffés sur les amines de la surface. Deux bras différents ont été employés, soit l'anhydride glutarique (GA) et le sulfo-SMPB (SMPB). L'autre extrémité des bras d'ancrage a été utilisée pour greffer la fibronectine (FN), une glycoprotéine d'adhésion présente dans les matrices extracellulaires. Le succès de chaque étape de modification à été vérifié par des analyses XPS. La quantité, l'activité et la conformation de la FN sur chacun des bras d'ancrage ont été étudiées par dosage radioactif, des essais d'adhésion cellulaire, ELISA, AFM et angle de contact. La FN favorise l'adhésion des cellules endothéliales sur le PTFE, particulièrement lorsqu'elle est greffée sur GA. La FN greffée sur GA a une plus grande activité biologique et une conformation plus étendue que celle greffée sur SMPB. L'hyperplasie intimale est un épaississement de la couche interne des artères dû à la migration et la prolifération des cellules musculaires lisses (SMCs) et à leur production de matrice extracellulaire. Cet épaississement entraîne une réduction de la lumière artérielle et du flux sanguin, puis ultimement, l'échec de la prothèse. Pour contrer ce phénomène, le potentiel du mésylate d'imatinib à inhiber spécifiquement les SMCs sans nuire à la croissance des cellules endothéliales a été évalué in vitro. Des essais de prolifération de cellules musculaires et endothéliales en mono et en co-culture ont été faits avec différentes concentrations de mésylate d'imatinib. Il a été démontré que des concentrations de 1.2 à 3.7µM de mésylate d'imatinib inhibent les SMCs et favorisent la prolifération des cellules endothéliales. De plus, l'analyse de l'expression des protéines PARP et caspase 3 clivée par western blot a montrée qu'à ces concentrations, le mésylate d'imatinib n'entraîne pas l'apoptose des cellules. / The overall objective of this Ph.D. thesis is to improve the patency of PTFE vascular prostheses. To achieve this goal, two strategies were developed: one aiming to decrease thromboses risks and the other to inhibit intimal hyperplasia. Thromboses happen in synthetic prostheses because they are made of non-haemocompatible materials. Since the only known haemocompatible tissue is the endothelium (monolayer of endothelial cells covering the inner wall of all blood vessels and heart), the PTFE was modified in order to promote adhesion and survival of endothelial cells. PTFE was first functionalized by low pressure ammonia plasma to introduce amino groups and linking arms were grafted onto these functional groups. Two different linkers were used, glutaric anhydride (GA) and sulfo-SMPB (SMPB). The free end of linking arms was used to graft fibronectin (FN), an adhesion protein found in most extracellular matrix. The success of each step of modification was ascertained by XPS analyses. FN quantity, activity and conformation on each linking arm was studied by radiolabeling assays, cellular adhesion assays, ELISA, AFM and contact angle. FN greatly promotes endothelial cell adhesion on PTFE, especially when it is grafted onto GA. It was demonstrated that FN grafted on GA had a better biological activity and a more unfolded conformation than FN grafted on SMPB. Intimal hyperplasia is a thickening of the innermost layer of artery wall due to migration and proliferation of smooth muscle cells and their matrix production. This thickening leads to a decrease in lumen size and blood flow which ultimately cause the prosthesis failure. To counter this phenomenon, the inhibition potential of imatinib mesylate over smooth muscle cells and its harmlessness to endothelial cells were evaluated in vitro. Proliferation assays of muscular and endothelial cells were performed in mono and co-culture with different imatinib mesylate concentrations. It was demonstrated that imatinib mesylate inhibits smooth muscle cells and promotes endothelial cell proliferation in a concentration range of 1.2 to 3.7µM. Furthermore, PARP and cleaved caspase 3 expression analyses by western blotting showed that in this concentration range, imatinib mesylate did not cause cell apoptosis. /

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La problématique de la croissance anormale des grains apparaissant dans les alliages d’aluminium après un traitement thermique dans les soudures par friction-malaxage (FSW) est un phénomène connu. Elle implique la croissance anormale de certains grains et a déjà été identifiée par plusieurs auteurs et des mécanismes de compréhension de ce processus ont aussi été proposés. Malgré tout, seulement quelques articles traitent des méthodes permettant de la réduire ou de l’éliminer complètement. Cette étude se concentre sur l’influence de la variation de l’apport de chaleur global pendant le soudage FSW de l’alliage AA5083 sur la croissance anormale des grains. Pour ce faire, les paramètres principaux de procédé ainsi qu’un apport externe de chaleur sont modifiés de manière à couvrir une large gamme d’apport de chaleur. Il est possible d’éliminer complètement la problématique en utilisant un apport de chaleur externe combiné à des paramètres de procédé adéquats. Par contre, l’enveloppe opératoire est mince pour obtenir ce résultat, car des porosités internes peuvent être créées si la température lors du soudage dépasse un seuil critique. Des mesures de température réalisées à l’aide d’une caméra thermique ont permis d’identifier ce facteur comme étant le plus déterminant sur l’apparition et la quantité de grains anormaux répertorié dans les échantillons. Deux modèles impliquant la croissance anormale des grains sont analysés : le premier étant basé sur l’effet des particules de seconde-phase et le second sur une non-uniformité de la mobilité des sous-joints de grains. Le second modèle corrobore mieux les résultats, principalement lorsqu’un apport externe de chaleur est employé. Une analyse microstructurale comprenant des mesures en microscopie optique, en microscope électronique à balayage (MEB) et en électrons rétros-diffusés (EBSD) ont permis de quantifier la grosseur et la distribution des grains dans le noyau de soudage, la désorientation des joints de grains et les particules de seconde-phase reliant ainsi les expérimentations aux théories. L’utilisation d’un apport externe de chaleur réduit la distribution sur la grosseur des grains de même que la désorientation moyenne des sous-joints de grains. Ces changements augmentent la stabilité de la microstructure à haute température et empêchent l’initiation de la croissance anormale des grains. / The issue regarding abnormal grain growth (AGG) that appears in aluminum alloys after heat treatment in friction stir welds (FSW) is well established. Several authors have already observed abnormal growing grains and some associated mechanisms have been identified through the friction stir welding community. In spite of this understanding, only a few papers describe methods to limit or eliminate this behavior. This study focuses on the effect of varying the heat input during welding of AA5083 aluminum alloys in relation with abnormal grain growth. The main process parameters and an external heat supply are modified in order to cover a wide range of global heat inputs. It is possible to eliminate completely abnormal grain growth by using an adequate combination of these two process variables. However, a narrow welding envelope is found to obtain such a result because internal cavities are revealed if the welding temperature reaches a critical value. Temperature measurements taken with a thermal camera have identified this factor as the most critical on the onset and quantity of abnormal grain growth observed in the samples. Two models applied to abnormal grain growth are analyzed: a first one based on the effect of second-phase particles and a second based on non-uniform subgrain boundary mobilities. The second model gives a better correlation with our findings mainly when external heating is employed. A microstructural analysis using optical microscopy, secondary electron microscopy (SEM) and electron back-scattered diffraction (EBSD) has enabled the quantification of the size and the distribution of grains in the weld nugget, the misorientation of grain boundaries and the second-phase particles. These results have linked our observations with the studied models. An external heat supply reduces the grain size distribution and the subgrain boundary misorientation. These changes stabilize the microstructure at elevated temperature and inhibit abnormal grain growth.

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La disponibilité limitée de vaisseaux sanguins autologues pour les chirurgies vasculaires telles que le pontage coronarien ou périphérique et les performances cliniques insuffisantes des prothèses vasculaires pour le remplacement de vaisseaux sanguins de petit diamètre (Ø < 6 mm) justifie la recherche dans le domaine du génie tissulaire vasculaire. L’une des stratégies explorées – le génie tissulaire fonctionnel – vise à régénérer un vaisseau sanguin in vitro dans un environnement contrôlé appelé bioréacteur. L’objectif de cette thèse est de concevoir un bioréacteur à perfusion et de développer un système de contrôle pour ce bioréacteur afin d’interagir de manière dynamique avec une construction artérielle dans le but de guider et de stimuler la maturation de constructions artérielles. La principale question étudiée dans ce projet est de déterminer comment choisir les conditions de culture à l’intérieur d’un bioréacteur le plus efficacement possible. Deux grands enjeux ont été identifiés : d’abord, le besoin de comprendre les différents phénomènes physiques et biologiques qui se déroulent à l’intérieur du bioréacteur. Ensuite, la nécessité de diriger la régénération du tissu vasculaire. Une commande utilisant le concept de programmation génétique fut développé afin de modéliser en temps réel la régénération du tissu vasculaire. En utilisant les modèles générés, la commande recherche une stratégie optimale de culture (déformation circonférentielle, cisaillement longitudinal et fréquence du débit pulsé) en considérant un processus de décision Markovien résolu par programmation dynamique. Par simulation numérique, on montre que cette méthode a le potentiel de favoriser une croissance plus rapide et plus sécuritaire des tissus en culture et permet d’identifier plus efficacement les paramètres importants pour la croissance et le remodelage des constructions artérielles. La commande est capable de gérer des modèles de croissance non linéaires. Expérimentalement, le système développé permet de mieux comprendre l’évolution des propriétés mécaniques d’une construction artérielle dans un bioréacteur. / The limited availability of autologous blood vessels for bypass surgeries (coronary or peripheral) and the poor patency rate of vascular prosthesis for the replacement of small diameter vessels (Ø < 6 mm) motivate researches in the domain of vascular tissue engineering. One of the possible strategies named functional tissue engineering aims to regenerate a blood vessel in vitro in a controlled environment. The objective of this thesis is to design a perfusion bioreactor and develop a control system able to dynamically interact with a growing blood vessel in order to guide and stimulate the maturation of the vascular construct. The principal question addressed in this work is: How to choose culture conditions in a bioreactor in the most efficient way? Two main challenges have been identified: first, the need to develop a better comprehension of the physical and biological phenomenon occurring in bioreactors; second, the need to influence and optimize vascular tissue maturation. A controller based on the concept of genetic programming was developed for real-time modeling of vascular tissue regeneration. Using the produced models, the controller searches an optimal culture strategy (circumferential strain, longitudinal shear stress and frequency of the pulsed pressure signal) by the mean of a Markov decision process solved by dynamic programming. Numerical simulations showed that the method has the potential to improve growth, safety of the process, and information gathering. The controller is able to work with common nonlinearities in tissue growth. Experimental results show that the controller is able to identify important culture parameters for the growth and remodelling of tissue engineered blood vessels. Furthermore, this bioreactor represents an interesting tool to study the evolution of the mechanical properties of a vascular construct during maturation.

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