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In geotechnical engineering, the proper design of thermo-active geostructures requires a better understanding of the thermo-hydro-mechanical behaviour of natural and compacted soils. For design purposes, mechanical parameters are usually obtained by pressuremeter in-situ tests. In the present study, mini-pressuremeter tests were conducted in laboratory to characterise compacted soils. The objective was to examine and quantify the influence of temperature cyclic changes on pressuremeter parameters of two different compacted soils. A heating-cooling cycle (20-40-20 °C) was applied to a clayey compacted soil, and three heating-cooling cycles (20-50 °C) were applied to a compacted loam. The obtained results showed a decrease in limit pressure (Pl) and creep pressure (Pf) with increasing temperature for both tested soils, while the variation of the pressuremeter modulus (EM) was less significant. Through the temperature range tested, a reversibility of the effect of a heating cycle is obtained. These results were quite similar for both studied materials and the application of several thermal cycles did not modify the reversibility of the evolution., L’incorporation d’échangeurs de chaleur aux géostructures pose la question de l'impact des variations de température sur les paramètres géotechniques des sols. Le dimensionnement des capacités portantes des fondations profondes peut être basé sur les résultats d’essais pressiométriques ou pénétrométriques. Dans cette étude, des essais mini-pressiométriques ont été réalisés sur des massifs de sol compactés dans un modèle réduit thermo régulé. Un matériau argileux est soumis à un cycle de réchauffement (20-40-20°C) tandis qu’un matériau limoneux est soumis à trois cycles thermiques (20-50-20°C). Une diminution nette de la pression limite (Pl) et la pression de fluage (Pf) sur chaque sol est mesurée tandis que l’évolution du module pressiométrique (EM) est beaucoup plus faible. Dans ces intervalles de température, l’effet des cycles de chauffage est réversible. La normalisation des résultats montre une similarité des évolutions pour les deux matériaux.

International audience

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The use of compacted swelling soils in engineering practice is very widely spread, especially in geotechnical and environmental engineering. After their setup, these materials are likely to be subject to complex suction/stress paths involving significant variations of their hydro-mechanical properties which can affect their initial behaviour. It is important to be able to predict the hydromechanical behaviour of these materials taking into account the significant applications for which they are intended.Barcelona team developed a finite-element code (Code_Bright) for the thermo-hydro-mechanical coupling (THM) integrating the BBM elastoplastic model for unsaturated soils based on the independent variables approach. This model is recognized to correctly describe the hydromechanical behaviour of unsaturated soils but fails to take into account some particular observed aspects on swelling soils. A second model BExM was then proposed to address these aspects. The objectif of this study is: (i) to implement the elastoplastic model BExM for the unsaturated swelling soils in the finite-element code (Code_Bright); (ii) to check the numerical model validity through the numerical simulation of laboratory tests made on swelling soils; and (iii) to apply this model to some practical problems. For this purpose, a new family of numerical procedures adapted to the BExM model was introduced into the code. The equation of the yield surface of this model for a given deviatoric stress states was given in a manner to facilitate calculations of its derivatives. The model was checked by the numerical simulation of suction-controlled œdometric tests made on three different swelling soils. The simulation results showed that the numerical model is able to correctly reproduce the experimental data. Lastly, the model was applied to two practical problems: radioactive waste repository in deep geological layers and a shallow footing under the action of a swelling soil. The results obtained showed the ability of the numerical model to modeling hydromechanical coupled problems., Les sols gonflants compactés sont largement utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Après leur mise en place, ces matériaux risquent d'être soumis à des sollicitations hydriques et/ou mécaniques complexes qui peuvent entraîner de fortes modifications de leurs propriétés hydromécaniques susceptibles de mettre en cause leur fonctionnement initial. Il est donc important de prévoir le comportement hydromécanique de ces matériaux compte tenu des applications sensibles auxquelles ils sont destinés.L'équipe de Barcelone a développé un code de calcul aux éléments finis (Code_Bright) pour l'analyse des problèmes couplés (THM) dans des géomatériaux, avec l'intégration du modèle élastoplastique (BBM) pour les sols non saturés non gonflants. Ce modèle est capable de décrire correctement le comportement hydromécanique des sols non saturés mais ne tient pas compte de quelques aspects particuliers observés sur des sols gonflants. Un deuxième modèle (BExM) a été alors proposé pour prendre en considération ces aspects. L'objectif principal du travail présenté ici est : (i) d'implanter le modèle élastoplastique BExM pour les sols gonflants non saturés dans le code de calcul aux éléments finis Code_Bright ; (ii) de valider le modèle numérique à partir d'essais réalisés au laboratoire sur des sols gonflants ; et (iii) d'appliquer ce modèle aux simulations des problèmes pratiques. Pour atteindre cet objectif, une nouvelle famille de procédures numériques adaptées au modèle BExM a été introduite dans le code. L'équation de la fonction de charge de ce modèle pour un état donné de contrainte déviatorique a été déterminée de manière à faciliter les calculs de ses dérivées. La validation numérique du modèle a été vérifiée par des simulations numériques d'essais œdométriques à succion contrôlée, réalisées sur trois sols gonflants différents. Les résultats des simulations numériques de ces essais ont montré les aptitudes du modèle numérique implanté à reproduire correctement les résultats expérimentaux. Enfin, le modèle a été appliqué à deux problèmes pratiques : le stockage de déchets radioactifs dans les couches géologiques profondes et l'effet du retrait-gonflement du sol sur une fondation superficielle. Les résultats obtenus ont montré la capacité du modèle implanté à modéliser des problèmes couplés hydromécaniques.

In the context of the Cigéo-project, the French agency in charge of radioactive waste manage-ment (Andra) studies claystone-based materials as to whether they can be potentially used to backfill shafts and drifts of the future repository for intermediate - and high-level radioactive waste located in the clay-rich Callovo-Oxfordian (COX) sedimentary rock formation at a depth of around 500 m. The installation of backfill in shafts and drifts generally aims to ensure the integrity of the repository system upon its closure. In particular, it is installed to stabilize the geo-logical formation and to limit the propagation of the damaged/ disturbed zone evolving around the excavations. Potential backfill materials must thus sustain the overburden pressure and ex-hibit swelling pressure when they saturate under constant-volume conditions. In addition, the closure of hydraulic conductive voids ensues through the swelling under con-stant-volume con-ditions. Crushed and sieved COX-claystone spoil and its mixtures with MX80-bentonite are po-tential backfill materials as they contain smectite, which typically exhibits such a hydro-mechanical behavior. On account of the fraction of smectite, potential backfill materials and their hydro-mechanical behavior are affected by different geo-environmental conditions. In this laboratory experimental study, it is of general interest to analyze how variations in geo-environmental conditions affect the performance of potential claystone-based backfill materials, in particular their volume change and hydraulic conductivity behavior. Relevant geo-environmental conditions are the fraction of smectite in the materials, the maximum grain di-ameter of the bentonite fraction in the mixture, the as-compacted/ initial dry density, the degree of saturation, the saturating solution chemistry, in particular its pH, and their combinations. Var-iations in the as-compacted/ initial dry density are expected to be of greatest relevance as con-ventional compaction techniques might be employed to compact the backfill material in-situ. The hydro-mechanical behavior of processed COX-claystone spoil and its mixture with MX80-bentonite are analyzed by means of constant-volume swelling pressure, free-swell potential, one-dimensional compression/ oedometer and constant-head hydraulic conductivity experi-ments. Initially, it is evaluated how the fraction of smectite in the materials, the maxi-mum grain diameter of the bentonite fraction, the initial dry density and the saturating solution chemistry affect individually and combined the evolution of the swelling pressure of claystone-based backfill materials. The individual and combined impact of the fraction of smectite in the materi-als as well as of the saturating solution chemistry on the evolution of the hydraulic conductivity are subsequently assessed. In order to analyze the impact of the pH of solutions, the hydraulic conductivity experiments are complemented by microstructural and textural analysis. The vol-ume change behavior of the processed COX-claystone/ MX80-bentonite-mixture are evaluated not only in the saturated but also in the unsaturated state al-lowing to identify possible hydro-mechanical path dependencies. By considering samples compacted to different initial dry densi-ties, it is assessed whether the initial dry density affects possible dependencies of the volume-change behavior on the hydro-mechanical path. Based on the performed investigations, conclu-sions regarding the hydro-mechanical behavior of claystone-based backfill materials are drawn, and suggestions for future studies are made., Dans le cadre du projet Cigéo, l'agence française chargée de la gestion des déchets radioactifs (Andra) étudie des matériaux à base d'argile qui pourraient être utilisés pour remblayer les puits et les galeries du futur stockage de déchets radioactifs de moyenne et haute activité, situé dans la roche sédimentaire Callovo-Oxfordienne (COX) riche en argile, à une profondeur d'environ 500 m. L'installation de remblai dans les puits et les galeries vise généralement à assurer l'intégrité du système de stockage dès sa fermeture. Il sert à stabiliser la formation géologique et à limiter la propagation de la zone endommagée/perturbée autour des excavations. Les matériaux de remblai potentiels doivent donc supporter la contrainte verticale in situ et montrer une pression de gonflement lorsqu'ils saturent dans des conditions de volume constant, celle-ci provoque la fermeture des vides conducteurs hydrauliques. Les déblais d'argile COX broyés et tamisés et leurs mélanges avec de la bentonite MX80 sont des matériaux de remblai potentiels, car ils contiennent de la smectite qui présente un tel comportement hydromécanique. En raison de la présence de smectite, les matériaux de remblai potentiels et leur comportement hydromécanique sont impactés par différentes conditions géoenvironnementales. Dans cette étude expérimentale en laboratoire, il est judicieux d'analyser comment les variations des conditions géoenvironnementales adéquates affectent la performance des matériaux de remblai potentiels à base d'argile, et plus spécifiquement leur changement de volume et leur comportement de conductivité hydraulique. Les conditions géoenvironnementales pertinentes qui affectent les différents paramètres du remblai, sont la fraction de smectite dans les matériaux, le diamètre de grain maximum de la fraction de bentonite dans le mélange, la densité sèche initiale, le degré de saturation, la chimie de la solution saturante, en particulier son pH, et leurs combinai-sons. Les variations de la densité sèche initiale devraient être les plus importantes car les techniques de compactage conventionnelles pourraient être utilisées pour compacter le matériau de remblai in situ. Le comportement hydromécanique des déblais d'argile COX traités et de leur mélange avec la bentonite MX80 est analysé par le biais des méthodes de pression de gonflement à volume constant, de potentiel de gonflement libre, de compression/ oedomètre unidimensionnel et de conductivité hydraulique à charge hydraulique constante. Dans un premier temps, on évalue comment la fraction de smectite dans les matériaux, le diamètre de grain maximum de la fraction de bentonite, la densité sèche initiale et la chimie de la solution saturante affectent individuellement et conjointement l'évolution de la pression de gonflement des matériaux de remblai à base d’argile. L'impact individuel et combiné de la fraction de smectite, ainsi que celui de la chimie de la solution saturante sur l'évolution de la conductivité hydraulique sont ensuite évalués. Afin d'affiner l'impact du pH des solutions, des analyses microstructurales et de texture viennent compléter les essais de conductivité hydraulique. Puis le comportement des changements de volume du mélange COX-argile/ MX80-bentonite traité est évalué, non seulement à l'état saturé mais aussi à l'état non saturé, ce qui permet d'identifier les éventuelles dépendances des schémas hydromécaniques. Enfin, en considérant des échantillons compactés à différentes densités sèches initiales, il est déterminé si la densité sèche initiale affecte les éventuelles dépendances du comportement de changement de volume sur le chemin hydromécanique. Sur la base des recherches effectuées, des conclusions concernant le comportement hydromécanique des matériaux de remblai à base d'argile sont présentées et des suggestions sont faites pour de futures études.

Nowadays, thermal energy storage in geostructures like embankments can be possible by installing the horizontal heat exchangers in different layers of compacted soil. In this system, the thermal energy is stored in summer via a fluid, circulating in the heat exchangers, to be extracted in the demand period. When the serviceability of embankment as a medium to store the thermal energy starts, the compacted soil will be subjected to the daily and seasonally temperature variations. These seasonal temperature variations could modify the thermo-hydro-mechanical performance of the compacted soil. Thus, the aim of this study is to investigate the thermal and mechanical performances of a compacted soil when it is subjected to monotonic and cyclic temperature variations. The studied soil is a sandy lean clay that is frequently used in embankment constructions in France. The thermal and mechanical behavior of the soil are investigated at a compaction state corresponding to the optimal thermal properties. However, this compacted soil is unsaturated and the estimation of its thermal properties is complex. In this study, an inverse analytical model is proposed to estimate the thermal properties of the soil using temperature monitoring in the range of 20 to 50 °C in a soil compacted in a large container. The estimated thermal parameters were compared to classical laboratory measurements (transient and steady-state methods). The comparison showed that the estimated values were close to the results obtained in transient laboratory method. Using this method, the thermal efficiency of the compacted soil can be verified in the lifetime of the storage system. To ensure the structure stability, long-term mechanical response of these systems subjected to monotonic and cyclic temperature variations should be investigated. To achieve this aim, using temperature-controlled oedometric and direct shear devices, consolidation and shear parameters of the studied soil at different monotonic (5, 20, and 50 °C) and cyclic (5 to 50 °C) temperatures were investigated. The results of temperature-controlled oedometric tests showed that the effect of the temperature variation is more pronounced under vertical pressures higher than the preconsolidation pressure. The compression and swelling indexes could be considered independent of temperature variations. Therefore, the overall settlement of the embankment due to thermal variation near the heat exchangers could be considered negligible. The results of temperature-controlled direct shear tests showed that the temperature variations (monotonic heating or cooling, or temperature cycles) increased the cohesion which is beneficial for the bearing capacity and slope stability of embankments. These results can be directly used in the design of embankments to store thermal energy exposed to similar thermo-mechanical paths. Finally, the thermal performance of the compacted soil is verified using a numerical simulation considering the soil atmosphere interaction. Different depths installation of heat exchanger loops and different heat storage scenarios were simulated. The results showed that the compacted soil increases 8.5% the systems performance compared to the horizontal loop installation in the local soil. The results of two different scenarios show that an inlet fluid temperature of 50 °C in summer increases highly the system performance (13.7% to 41.4%) while the improvement is less significant (0% to 4.8%) for the ambient inlet temperature. Moreover, a deeper installation of horizontal loops increases the system performance. From the numerical simulation results can be concealed that the embankment is in interaction with the atmosphere from its upper and lateral surfaces, the thermal efficiency of the structure could be affected due to heat losses. Therefore, it is preferable to place the heat exchangers away from the top and side surfaces., Le stockage de chaleur dans des géostructures énergétiques telles que des remblais est réalisable en installant des échangeurs horizontaux au sein des différentes couches de sol compacté. Dans ce système, l'énergie thermique qui est injectée en été via un fluide caloporteur circulant dans les échangeurs de chaleur, peut être extraite en période hivernale. Dans ces conditions, lors de la mise en service, le sol compacté est soumis à des variations de température quotidiennes et saisonnières. Ces variations pourraient modifier les performances thermo-hydro-mécaniques du sol compacté. Ainsi, le but de cette étude est d'étudier les performances thermiques et mécaniques d'un sol compacté lorsqu'il est soumis à des variations de température monotones et cycliques. Le sol étudié est un limon fréquemment utilisé dans les constructions de remblais en France. Le comportement thermique et mécanique du sol est étudié à un état de compactage correspondant aux propriétés thermiques optimales. Dans cet état, le sol compacté est non saturé ce qui complexifie l'estimation de ses propriétés thermiques. Pour pallier à ces difficultés, dans cette étude, un modèle inverse est proposé pour estimer les propriétés thermiques du sol compacté. L’efficacité du modèle est testée sur un jeu de données acquises dans la gamme de 20 à 50 °C dans un modèle réduit en laboratoire. Les valeurs obtenues sont ensuite comparées à des mesures classiques en laboratoire (méthodes en régime transitoire et en régime permanent). Cette méthode pourrait permettre de suivre l’évolution des propriétés thermiques du stockage et ainsi assurer son efficacité tout au long de sa durée de vie. La question de la stabilité à long terme de ces structures soumises à des variations thermiques monotones (5, 20 et 50 °C) et cycliques (5 à 50 °C) est ensuite abordée à l'aide d'essais oedomètriques et d’essais de cisaillement direct à température contrôlée. Les résultats des essais de compressibilité ont montré que l'effet de la variation de température est plus prononcé sous une contrainte verticale supérieure à la pression de préconsolidation. Les indices de compression et de gonflement peuvent être considérés comme indépendants des variations de température. Donc le tassement global du remblai dû aux variations thermiques pourrait être considéré comme négligeable. Les résultats des essais de cisaillement direct ont montré que les variations de température (monotones ou cycliques) augmentent la cohésion ce qui est avantageux pour la capacité portante et la stabilité des pentes des remblais. Dans la phase de conception d'un remblai de stockage, ces résultats seraient utiles au dimensionnement du système si des trajectoires thermomécaniques similaires à celles de cette étude sont respectées. Dans une dernière partie, une simulation numérique prenant en compte l'interaction sol-atmosphère est réalisée afin d’évaluer la performance thermique de ce sol compacté en conditions naturelles. Différentes profondeurs d'installation de boucles d'échangeurs de chaleur sont testéss ainsi que différents scénarios de stockage. Les résultats ont montré que le sol compacté augmente de 8.5% les performances du système par rapport à l'installation d'une boucle horizontale dans le sol naturel (non compacté). Les résultats de deux scénarios différents ont montré qu’en été avec un fluide ayant une température d'entrée de 50 °C augmente significativement la performance du système. De plus, une installation plus profonde des boucles horizontales améliore également la performance du système. Il convient de noter que le remblai est en interaction avec l'atmosphère depuis ses surfaces supérieure et latérale, l'efficacité thermique de la structure pourrait être affectée en raison des pertes de chaleur. Par conséquent, il est préférable de placer les échangeurs de chaleur loin des surfaces supérieures et latérales.

Coarse-grained soils, which are materials containing grains ranging from micrometers to several tens of centimeters, are frequently used in various geotechnical projects such as dikes and embankments. The determination of their shear strength in standard laboratory devices is difficult because of the presence of large grains. Different approaches (scalping, substitution, and parallel gradation) could be used to reduce the grain size of the tested sample. However, these techniques involve a change in the percentage of each fraction in comparison to the initial sample. Therefore, it is important to know how the shear strength is altered by the variation in the grain size distribution curve. The aim of this study was to establish a methodology for estimating the shear strength of coarse-grained soils with matrix by testing their fraction compatible with the available shear device size. The parallel gradation method was used and the influence of the fines content increase in the reconstituted soil was investigated. Two soils with different fines content were studied: a limestone aggregate with 1.9% fines and a natural gravel with 15% fines. The shear strengths of parallel graded samples of these soils at the same dry density under saturated and unsaturated conditions were determined in devices with different sizes. The results showed, for the soil with fines content lower than 4%, a suitable estimation of the initial soil shear strength for a low grain breakage ratio. This low grain breakage ratio is ensured for low normal stresses, under 100 kPa in the case of the studied aggregate. For the soil with higher fines content, it has been shown that the initial soil friction angle is correctly estimated when the reconstituted soil has the same grain arrangement as the initial soil, i.e., for a fines content lower than 30%. However, the difference in fines content between the initial and reconstituted soils led to an overestimation of the initial soil cohesion. A cohesion – fines content relationship was proposed to predict the cohesion of the initial coarse-grained soil. Furthermore, when the fines content in the reconstituted soil is higher than 30%, it was shown that the scalping method provides a suitable estimation of the initial soil shear strength when the density and percentage of scalped grains criteria are fulfilled. Recommendations were made to determine the shear strength of coarse-grained soils with matrix based on their characteristics and the size of the available device.; Les sols grossiers à matrice, matériaux contenant des grains allant du micromètre à plusieurs dizaines de centimètres, sont fréquemment utilisés dans divers projets géotechniques tels que les digues et les remblais. La détermination de la résistance au cisaillement de ces sols dans les appareils standards de laboratoire est difficile en raison de la présence des grains de grande taille. Différentes approches (écrêtement, substitution et granulométrie parallèle) pourraient être utilisées pour réduire la taille des grains de l'échantillon à tester. Toutefois, ces techniques impliquent une modification du pourcentage de chaque fraction par rapport à l'échantillon initial. Il est donc important de connaître l'effet de la variation de la courbe granulométrique sur la résistance au cisaillement des sols grossiers à matrice. L'objectif de cette étude était d’établir une méthodologie permettant d’estimer la résistance au cisaillement des sols grossiers à matrice à partir d’essais sur leur fraction compatible avec les dispositifs de cisaillement disponibles. La méthode de granulométrie parallèle a été retenue et l’influence de l’augmentation du pourcentage de fines dans le sol reconstitué a été investiguée. Deux sols de différents pourcentages de fines ont été étudiés : un granulat calcaire ayant 1,9 % de fines et une grave naturelle ayant 15 % de fines. Les résistances au cisaillement d’échantillons de granulométrie parallèle de ces sols à la même densité sèche en conditions saturée et non saturée ont été déterminées dans des dispositifs de différentes dimensions. Les résultats ont montré une estimation satisfaisante de la résistance au cisaillement du sol grossier initial lorsque le pourcentage de fines est inférieur à 4 % avec un faible taux de rupture des particules. Ce faible taux est garanti pour de faibles contraintes normales, inférieures à 100 kPa. Pour un pourcentage de fines plus élevé dans le sol, soit moins 30 % de fines, il a été montré que l’angle de frottement du sol initial est bien estimé lorsque le sol reconstitué a le même arrangement des grains que le sol initial. Cependant, la différence de pourcentage de fines entre le sol initial et le sol reconstitué a conduit à une surestimation de la cohésion du sol initial. Une relation cohésion – pourcentage de fines a été établie pour prédire la cohésion du sol grossier initial. Par ailleurs, lorsque le pourcentage de fines dans le sol reconstitué est supérieur à 30 %, il a été montré que la méthode d’écrêtement permet d’obtenir une estimation satisfaisante de la résistance au cisaillement du sol initial lorsque les critères de densité et de pourcentage de grains écrêtés sont respectés. Des recommandations ont été faites pour déterminer la résistance au cisaillement des sols grossiers à matrice en fonction de leurs caractéristiques et la taille du dispositif disponible.

Coarse-grained soils, which are materials containing grains ranging from micrometers to several tens of centimeters, are frequently used in various geotechnical projects such as dikes and embankments. The determination of their shear strength in standard laboratory devices is difficult because of the presence of large grains. Different approaches (scalping, substitution, and parallel gradation) could be used to reduce the grain size of the tested sample. However, these techniques involve a change in the percentage of each fraction in comparison to the initial sample. Therefore, it is important to know how the shear strength is altered by the variation in the grain size distribution curve. The aim of this study was to establish a methodology for estimating the shear strength of coarse-grained soils with matrix by testing their fraction compatible with the available shear device size. The parallel gradation method was used and the influence of the fines content increase in the reconstituted soil was investigated. Two soils with different fines content were studied: a limestone aggregate with 1.9% fines and a natural gravel with 15% fines. The shear strengths of parallel graded samples of these soils at the same dry density under saturated and unsaturated conditions were determined in devices with different sizes. The results showed, for the soil with fines content lower than 4%, a suitable estimation of the initial soil shear strength for a low grain breakage ratio. This low grain breakage ratio is ensured for low normal stresses, under 100 kPa in the case of the studied aggregate. For the soil with higher fines content, it has been shown that the initial soil friction angle is correctly estimated when the reconstituted soil has the same grain arrangement as the initial soil, i.e., for a fines content lower than 30%. However, the difference in fines content between the initial and reconstituted soils led to an overestimation of the initial soil cohesion. A cohesion – fines content relationship was proposed to predict the cohesion of the initial coarse-grained soil. Furthermore, when the fines content in the reconstituted soil is higher than 30%, it was shown that the scalping method provides a suitable estimation of the initial soil shear strength when the density and percentage of scalped grains criteria are fulfilled. Recommendations were made to determine the shear strength of coarse-grained soils with matrix based on their characteristics and the size of the available device.; Les sols grossiers à matrice, matériaux contenant des grains allant du micromètre à plusieurs dizaines de centimètres, sont fréquemment utilisés dans divers projets géotechniques tels que les digues et les remblais. La détermination de la résistance au cisaillement de ces sols dans les appareils standards de laboratoire est difficile en raison de la présence des grains de grande taille. Différentes approches (écrêtement, substitution et granulométrie parallèle) pourraient être utilisées pour réduire la taille des grains de l'échantillon à tester. Toutefois, ces techniques impliquent une modification du pourcentage de chaque fraction par rapport à l'échantillon initial. Il est donc important de connaître l'effet de la variation de la courbe granulométrique sur la résistance au cisaillement des sols grossiers à matrice. L'objectif de cette étude était d’établir une méthodologie permettant d’estimer la résistance au cisaillement des sols grossiers à matrice à partir d’essais sur leur fraction compatible avec les dispositifs de cisaillement disponibles. La méthode de granulométrie parallèle a été retenue et l’influence de l’augmentation du pourcentage de fines dans le sol reconstitué a été investiguée. Deux sols de différents pourcentages de fines ont été étudiés : un granulat calcaire ayant 1,9 % de fines et une grave naturelle ayant 15 % de fines. Les résistances au cisaillement d’échantillons de granulométrie parallèle de ces sols à la même densité sèche en conditions saturée et non saturée ont été déterminées dans des dispositifs de différentes dimensions. Les résultats ont montré une estimation satisfaisante de la résistance au cisaillement du sol grossier initial lorsque le pourcentage de fines est inférieur à 4 % avec un faible taux de rupture des particules. Ce faible taux est garanti pour de faibles contraintes normales, inférieures à 100 kPa. Pour un pourcentage de fines plus élevé dans le sol, soit moins 30 % de fines, il a été montré que l’angle de frottement du sol initial est bien estimé lorsque le sol reconstitué a le même arrangement des grains que le sol initial. Cependant, la différence de pourcentage de fines entre le sol initial et le sol reconstitué a conduit à une surestimation de la cohésion du sol initial. Une relation cohésion – pourcentage de fines a été établie pour prédire la cohésion du sol grossier initial. Par ailleurs, lorsque le pourcentage de fines dans le sol reconstitué est supérieur à 30 %, il a été montré que la méthode d’écrêtement permet d’obtenir une estimation satisfaisante de la résistance au cisaillement du sol initial lorsque les critères de densité et de pourcentage de grains écrêtés sont respectés. Des recommandations ont été faites pour déterminer la résistance au cisaillement des sols grossiers à matrice en fonction de leurs caractéristiques et la taille du dispositif disponible.

Incorporation of heat exchangers in conventional geostructures like piles can extract the heat from the soil for heating purposes and inject it to the soil for cooling purposes. In recent years, research has been conducted at full and laboratory scale to investigate the effect of temperature on the geotechnical behavior of these energy geostructures as well as on the surrounding soil. Indeed, these energy geostructures can be subjected to cyclic mechanical loads and thermal variations throughout their lifetime. The aim of this study was to deepen the understanding regarding the behavior of sand/clay-structure contact under complex thermo-mechanical loads. A temperature-controlled direct shear device to perform monotonic and cyclic constant normal load or constant normal stiffness tests was developed. The response of the interface to the thermal effects on the mechanical behaviour of soils and soil-structure interface was investigated. Fontainebleau sand and kaolin clay were used as proxies for sandy and clayey soils. The results showed that the applied thermal variations have a negligible effect on the shear strength of the sand and sand-structure interface. In clay samples the temperature increase, increased the cohesion and consequently the shear strength, due to thermal contraction during heating. The adhesion of the clay-structure interface, was less than the cohesion of the clay samples. To investigate the mechanical cyclic load effects on the clay-structure interface at different temperatures, monotonic and cyclic constant-volume equivalent-undrained direct shear tests were performed on clay-clay and clay-structure interface at different temperatures. The results showed that, the number of cycles to failure for the clay-structure interface test was lower than that for the clay-clay case in the same range of cyclic and average shear stress ratios. Increasing the temperature, decreased the rate of strain accumulation and the number of cycles to failure increased by 2-3 times. The rate of degradation (degradation parameter, t) decreased by 16% with heating from 22 to 60oC for the different cyclic stress ratios tested. A non-isothermal soil-structure interface model based on critical state theory was then developed. The non-isothermal model takes into account the effect of temperature on the void ratio of interface prior to shearing. The model is capable to capture the effect of temperature on soil-structure interface under constant normal load and constant normal stiffness conditions for both sandy and clayey interfaces. The additional parameters have physical meanings and can be determined from classical laboratory tests. The formulation is in good agreement with the experimental results and the main trends are properly reproduced.; L'incorporation d'échangeurs de chaleur dans des géostructures conventionnelles comme les pieux peut extraire la chaleur du sol à des fins de chauffage et l'injecter dans le sol à des fins de refroidissement. Ces dernières années, des recherches ont été menées à l'échelle réelle et en laboratoire pour étudier l'effet de la température sur le comportement géotechnique de ces géostructures énergétiques ainsi que sur le sol environnant. En effet, ces géostructures énergétiques peuvent être soumises à des charges mécaniques cycliques et a des variations thermiques tout au long de leur durée de vie. L'objectif de cette étude était d'approfondir la compréhension du comportement du contact sable/argile-structure sous des charges thermomécaniques complexes. Un dispositif de cisaillement direct à température contrôlée permettant d'effectuer des essais monotones et cycliques à charge normale constante ou à rigidité normale constante a été mis au point. La réponse de l'interface aux effets thermiques sur le comportement mécanique des sols et l'interface sol-structure a été étudiée. Le sable de Fontainebleau et l'argile kaolin ont été utilisés comme substituts pour les sols sableux et argileux. Les résultats ont montré que les variations thermiques appliquées ont un effet négligeable sur la résistance au cisaillement de l'interface entre le sable et la structure du sol. Dans les échantillons d'argile, l'augmentation de la température a augmenté la cohésion et par conséquent la résistance au cisaillement, en raison de la contraction thermique pendant le chauffage. L'adhérence de l'interface argile-structure était inférieure à la cohésion des échantillons d'argile. Pour étudier les effets de la charge mécanique cyclique sur l'interface argile-structure à différentes températures, des essais de cisaillement direct monotone et cyclique à volume équivalent non drainé ont été réalisés sur l'interface argile-argile et argile-structure à différentes températures. Les résultats ont montré que le nombre de cycles jusqu'à la rupture pour l'essai d'interface argile-structure était inférieur à celui du cas argile-argile dans la même gamme de rapports de contraintes de cisaillement cycliques et moyennes. L'augmentation de la température a réduit le taux d'accumulation des contraintes et le nombre de cycles jusqu'à la rupture a été multiplié par 2 ou 3. Le taux de dégradation (paramètre de dégradation, t) a diminué de 16% avec un chauffage de 22 à 60 °C pour les différents rapports de contrainte cyclique testés. Un modèle d'interface sol-structure non isotherme basé sur la théorie de l'état critique a ensuite été développé. Le modèle non isotherme prend en compte l'effet de la température sur le taux de vide de l'interface avant le cisaillement. Le modèle est capable de saisir l'effet de la température sur l'interface sol-structure dans des conditions de charge normale constante et de rigidité normale constante pour les interfaces sableuses et argileuses. Les paramètres supplémentaires ont des significations physiques et peuvent être déterminés à partir d'essais classiques en laboratoire. La formulation est en bon accord avec les résultats expérimentaux et les principales tendances sont correctement reproduites.

Incorporation of heat exchangers in conventional geostructures like piles can extract the heat from the soil for heating purposes and inject it to the soil for cooling purposes. In recent years, research has been conducted at full and laboratory scale to investigate the effect of temperature on the geotechnical behavior of these energy geostructures as well as on the surrounding soil. Indeed, these energy geostructures can be subjected to cyclic mechanical loads and thermal variations throughout their lifetime. The aim of this study was to deepen the understanding regarding the behavior of sand/clay-structure contact under complex thermo-mechanical loads. A temperature-controlled direct shear device to perform monotonic and cyclic constant normal load or constant normal stiffness tests was developed. The response of the interface to the thermal effects on the mechanical behaviour of soils and soil-structure interface was investigated. Fontainebleau sand and kaolin clay were used as proxies for sandy and clayey soils. The results showed that the applied thermal variations have a negligible effect on the shear strength of the sand and sand-structure interface. In clay samples the temperature increase, increased the cohesion and consequently the shear strength, due to thermal contraction during heating. The adhesion of the clay-structure interface, was less than the cohesion of the clay samples. To investigate the mechanical cyclic load effects on the clay-structure interface at different temperatures, monotonic and cyclic constant-volume equivalent-undrained direct shear tests were performed on clay-clay and clay-structure interface at different temperatures. The results showed that, the number of cycles to failure for the clay-structure interface test was lower than that for the clay-clay case in the same range of cyclic and average shear stress ratios. Increasing the temperature, decreased the rate of strain accumulation and the number of cycles to failure increased by 2-3 times. The rate of degradation (degradation parameter, t) decreased by 16% with heating from 22 to 60oC for the different cyclic stress ratios tested. A non-isothermal soil-structure interface model based on critical state theory was then developed. The non-isothermal model takes into account the effect of temperature on the void ratio of interface prior to shearing. The model is capable to capture the effect of temperature on soil-structure interface under constant normal load and constant normal stiffness conditions for both sandy and clayey interfaces. The additional parameters have physical meanings and can be determined from classical laboratory tests. The formulation is in good agreement with the experimental results and the main trends are properly reproduced., L'incorporation d'échangeurs de chaleur dans des géostructures conventionnelles comme les pieux peut extraire la chaleur du sol à des fins de chauffage et l'injecter dans le sol à des fins de refroidissement. Ces dernières années, des recherches ont été menées à l'échelle réelle et en laboratoire pour étudier l'effet de la température sur le comportement géotechnique de ces géostructures énergétiques ainsi que sur le sol environnant. En effet, ces géostructures énergétiques peuvent être soumises à des charges mécaniques cycliques et a des variations thermiques tout au long de leur durée de vie. L'objectif de cette étude était d'approfondir la compréhension du comportement du contact sable/argile-structure sous des charges thermomécaniques complexes. Un dispositif de cisaillement direct à température contrôlée permettant d'effectuer des essais monotones et cycliques à charge normale constante ou à rigidité normale constante a été mis au point. La réponse de l'interface aux effets thermiques sur le comportement mécanique des sols et l'interface sol-structure a été étudiée. Le sable de Fontainebleau et l'argile kaolin ont été utilisés comme substituts pour les sols sableux et argileux. Les résultats ont montré que les variations thermiques appliquées ont un effet négligeable sur la résistance au cisaillement de l'interface entre le sable et la structure du sol. Dans les échantillons d'argile, l'augmentation de la température a augmenté la cohésion et par conséquent la résistance au cisaillement, en raison de la contraction thermique pendant le chauffage. L'adhérence de l'interface argile-structure était inférieure à la cohésion des échantillons d'argile. Pour étudier les effets de la charge mécanique cyclique sur l'interface argile-structure à différentes températures, des essais de cisaillement direct monotone et cyclique à volume équivalent non drainé ont été réalisés sur l'interface argile-argile et argile-structure à différentes températures. Les résultats ont montré que le nombre de cycles jusqu'à la rupture pour l'essai d'interface argile-structure était inférieur à celui du cas argile-argile dans la même gamme de rapports de contraintes de cisaillement cycliques et moyennes. L'augmentation de la température a réduit le taux d'accumulation des contraintes et le nombre de cycles jusqu'à la rupture a été multiplié par 2 ou 3. Le taux de dégradation (paramètre de dégradation, t) a diminué de 16% avec un chauffage de 22 à 60 °C pour les différents rapports de contrainte cyclique testés. Un modèle d'interface sol-structure non isotherme basé sur la théorie de l'état critique a ensuite été développé. Le modèle non isotherme prend en compte l'effet de la température sur le taux de vide de l'interface avant le cisaillement. Le modèle est capable de saisir l'effet de la température sur l'interface sol-structure dans des conditions de charge normale constante et de rigidité normale constante pour les interfaces sableuses et argileuses. Les paramètres supplémentaires ont des significations physiques et peuvent être déterminés à partir d'essais classiques en laboratoire. La formulation est en bon accord avec les résultats expérimentaux et les principales tendances sont correctement reproduites.

Compacted clays are used in many applications, including geotechnical and environmental geotechnical applications, due to their low permeability and retention properties. However, once in place, these materials could be exposed to thermal and/or water variations in the long and very long term. The main objective of this work is to experimentally quantify the impact of these variations on the compressibility of a compacted clay, and in particular its creep. With this objective, oedometric cells with controlled temperatures between 5 and 70°C were developed. Two types of oedometers with suction controlled by osmotic and saline methods were used in a suction range of 0 to 20.8 MPa, and at a constant temperature of 20°C. These devices were used to study creep up to a vertical stress of 3600 kPa. The study focused on the behavior of a moderately swelling compacted clay. The obtained results first showed that the yield stress σ’p decreases as the temperature increases. The creep coefficient Cαe increases with temperature, this effect being particularly marked at higher stresses. A linear relationship between the creep coefficient Cαe and the incremental compression index C*c was observed within the stress range considered and the ratio (Cαe /C*c) is temperature dependent. Then, two complementary experimental approaches (creep tests by steps or at controlled strain rate) highlighted the dependence of creep characteristics on soil suction. In addition, the yield stress σ’p increases with increasing strain rate έv and suction. In contrast, the compression index Cc and the creep coefficient Cαe vary in a non-monotonic manner with a maximum value under suction of 3.5 and 2 MPa, respectively. The evolution of these parameters appears to be strongly related to the internal structure of the soil. Analysis of the variation of σ’p with έv and Cαe with Cc showed that the relationship Δlog σ’p /Δlog έv =Cαe/Cc is also valid for the studied compacted clayey soil in saturated and unsaturated states. In conclusion, the results of this work allowed information to be gathered for better understanding the compressibility and creep behavior of compacted clayey soils as a function of temperature and suction; Les argiles compactées sont utilisées dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l’environnement, en raison de leur faible perméabilité, et de leurs propriétés de rétention notamment. Cependant, une fois en place, ces matériaux pourraient être exposés à des sollicitations thermiques et/ou hydriques, à long et très long terme. L’objectif principal de ce travail est de quantifier expérimentalement l’impact de ces sollicitations sur la compressibilité d’une argile compactée, et plus particulièrement son fluage. Avec cet objectif, des cellules œdométriques à température contrôlée entre 5 et 70°C ont été développées. Deux types d’œdomètre à succion contrôlée par les méthodes osmotique et solutions salines ont été employés dans une gamme de succion comprise entre 0 et 20,8 MPa, et à une température constante de 20°C. Ces dispositifs ont permis d’étudier le fluage jusqu’à une contrainte verticale de 3600 kPa. L’étude s’est concentrée sur le comportement d’une argile moyennement gonflante compactée. Les résultats obtenus ont tout d’abord montré que la contrainte de préconsolidation apparente σ’p diminue à mesure que la température augmente. Le coefficient de fluage Cαe augmente avec la température, cet effet étant plus particulièrement marqué à des contraintes plus élevées. Une relation linéaire entre le coefficient de fluage Cαe et l’indice de compression incrémental C*c a été observée dans la plage de contraintes considérée et le rapport (Cαe /C*c) dépend de la température. Ensuite, deux approches expérimentales complémentaires (essais de fluage par paliers ou à vitesse de déformation contrôlée) ont mis en évidence la dépendance des caractéristiques de fluage vis-à-vis de la succion du sol. Par ailleurs, la contrainte de préconsolidation apparente σ’p augmente avec l’augmentation de la vitesse de déformation έv et de la succion. En revanche, l’indice de compression Cc et le coefficient de fluage Cαe varient d’une manière non monotone avec une valeur maximale sous une succion de 3,5 et de 2 MPa, respectivement. L’évolution de ces paramètres apparaît fortement liée à la structure interne du sol. L’analyse de la variation de σ’p avec έv et de Cαe avec Cc a montré que la relation Δlog σ’p /Δlog έv = Cαe/Cc est également valable pour le sol argileux compacté étudié dans les cas saturés et non saturés

Compacted clays are used in many applications, including geotechnical and environmental geotechnical applications, due to their low permeability and retention properties. However, once in place, these materials could be exposed to thermal and/or water variations in the long and very long term. The main objective of this work is to experimentally quantify the impact of these variations on the compressibility of a compacted clay, and in particular its creep. With this objective, oedometric cells with controlled temperatures between 5 and 70°C were developed. Two types of oedometers with suction controlled by osmotic and saline methods were used in a suction range of 0 to 20.8 MPa, and at a constant temperature of 20°C. These devices were used to study creep up to a vertical stress of 3600 kPa. The study focused on the behavior of a moderately swelling compacted clay. The obtained results first showed that the yield stress σ’p decreases as the temperature increases. The creep coefficient Cαe increases with temperature, this effect being particularly marked at higher stresses. A linear relationship between the creep coefficient Cαe and the incremental compression index C*c was observed within the stress range considered and the ratio (Cαe /C*c) is temperature dependent. Then, two complementary experimental approaches (creep tests by steps or at controlled strain rate) highlighted the dependence of creep characteristics on soil suction. In addition, the yield stress σ’p increases with increasing strain rate έv and suction. In contrast, the compression index Cc and the creep coefficient Cαe vary in a non-monotonic manner with a maximum value under suction of 3.5 and 2 MPa, respectively. The evolution of these parameters appears to be strongly related to the internal structure of the soil. Analysis of the variation of σ’p with έv and Cαe with Cc showed that the relationship Δlog σ’p /Δlog έv =Cαe/Cc is also valid for the studied compacted clayey soil in saturated and unsaturated states. In conclusion, the results of this work allowed information to be gathered for better understanding the compressibility and creep behavior of compacted clayey soils as a function of temperature and suction, Les argiles compactées sont utilisées dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l’environnement, en raison de leur faible perméabilité, et de leurs propriétés de rétention notamment. Cependant, une fois en place, ces matériaux pourraient être exposés à des sollicitations thermiques et/ou hydriques, à long et très long terme. L’objectif principal de ce travail est de quantifier expérimentalement l’impact de ces sollicitations sur la compressibilité d’une argile compactée, et plus particulièrement son fluage. Avec cet objectif, des cellules œdométriques à température contrôlée entre 5 et 70°C ont été développées. Deux types d’œdomètre à succion contrôlée par les méthodes osmotique et solutions salines ont été employés dans une gamme de succion comprise entre 0 et 20,8 MPa, et à une température constante de 20°C. Ces dispositifs ont permis d’étudier le fluage jusqu’à une contrainte verticale de 3600 kPa. L’étude s’est concentrée sur le comportement d’une argile moyennement gonflante compactée. Les résultats obtenus ont tout d’abord montré que la contrainte de préconsolidation apparente σ’p diminue à mesure que la température augmente. Le coefficient de fluage Cαe augmente avec la température, cet effet étant plus particulièrement marqué à des contraintes plus élevées. Une relation linéaire entre le coefficient de fluage Cαe et l’indice de compression incrémental C*c a été observée dans la plage de contraintes considérée et le rapport (Cαe /C*c) dépend de la température. Ensuite, deux approches expérimentales complémentaires (essais de fluage par paliers ou à vitesse de déformation contrôlée) ont mis en évidence la dépendance des caractéristiques de fluage vis-à-vis de la succion du sol. Par ailleurs, la contrainte de préconsolidation apparente σ’p augmente avec l’augmentation de la vitesse de déformation έv et de la succion. En revanche, l’indice de compression Cc et le coefficient de fluage Cαe varient d’une manière non monotone avec une valeur maximale sous une succion de 3,5 et de 2 MPa, respectivement. L’évolution de ces paramètres apparaît fortement liée à la structure interne du sol. L’analyse de la variation de σ’p avec έv et de Cαe avec Cc a montré que la relation Δlog σ’p /Δlog έv = Cαe/Cc est également valable pour le sol argileux compacté étudié dans les cas saturés et non saturés

Consolidation of clay soils is one of the main challenges in engineering design and construction. Clayey soils could be exposed to thermal cycles in some engineering applications such as geothermal piles, nuclear waste storages, heat storage in embankments, etc. These temperature changes could affect the primary consolidation as well as the creep behaviour of the soils. In this context, this study investigated the impact of temperature on consolidation behaviour and creep behaviour of saturated compacted clays. In addition, the impact of stress history and clay nature on the temperature dependent mechanical and hydraulic behaviours was also considered. Temperature controlled oedometric cells were employed to perform constant rate of strain (CRS) consolidation tests for different strain rates (0.002%/min to 0.02%/min) within a temperature range of 5° C to 70o C. Two different compacted saturated clays with different stress histories were used in these CRS tests (clay A: PI=31%, clay B: PI=23.8%). The results showed that the compression and swelling indices for both materials changed slightly with temperature and strain rate alteration. The preconsolidation pressure of both clays decreased as the temperature increased, but less in the case of clay B, while it decreased as the strain rate decreased for both materials. The hydraulic conductivity increased with temperature while the intrinsic permeability remained unchanged in the investigated range of temperature. The creep index increased as the temperature increased for both clays. In addition, the stress history has an impact on the temperature dependent mechanical and hydraulic behaviour of clay soils. Results showed a thermal dilation for highly overconsolidated soils and a thermal contraction for low and normally consolidated samples. The relative impact of several parameters on the modification of the behaviour of compacted clays with temperature was also assessed., La consolidation des sols argileux est un enjeu majeur dans le domaine de la géotechnique pour la conception des ouvrages. Ceci est notamment le cas lorsque les sols argileux peuvent être exposés à des cycles thermiques, comme dans le cas des géostructures géothermiques, dépôts de stockage des déchets nucléaires, stockage de chaleur dans les remblais, etc. Ces changements de température pourraient avoir une incidence sur le comportement de consolidation des sols, tant du point de vue de la consolidation primaire que du fluage. Dans ce contexte, cette étude a examiné l'impact de la température sur le comportement de consolidation et du fluage d’argiles compactées saturées. L’impact de la nature du sol et de son histoire mécanique a été considéré. Une cellule œdométrique à température contrôlée a été utilisée pour effectuer des essais à vitesse de déformation constante (CRS) pour différentes vitesses de déformation (0,002% / min à 0,02% / min) dans une gamme de température comprise entre 5 ° C et 70 ° C. Deux argiles compactées, avec différentes histoires de chargement mécanique, ont été utilisés. Les résultats indiquent que les indices de compression et de gonflement pour les deux matériaux ne sont que légèrement modifiés par une augmentation de la température allant de 5 à 70°C. En revanche, la pression de préconsolidation des deux argiles diminue à mesure que la température augmente, cet effet étant cependant fonction de la nature du sol considéré. Le coefficient de consolidation augmente lorsque la température augmente pour les deux matériaux, ainsi que la conductivité hydraulique. La perméabilité intrinsèque reste stable en fonction de la température. L'indice de fluage augmente lorsque la température augmente pour les deux argiles. En outre, l'histoire des chargementsmodifie l’impact de la température sur le comportement mécanique. Ainsi, les résultats montrent une dilatation thermique pour les sols fortement surconsolidées et une contraction thermique des échantillons faibles et normalement consolidés. Cette étude a ainsi permis de mettre en évidence l’impact relatif d’un certain nombre de paramètres sur l’évolution du comportement des argiles compactées avec la température

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2017-12-15; A multi-scale investigation of the swelling behaviour of a purified bentonite under constrained conditions is carried out by a monitoring of the swelling pressure and the porosity evolution at various scales (inter-aggregate, inter-particle, interlayer). A specific oedometer, oedo-tomometer, has been designed to monitor both the swelling pressure and the inter-aggregate porosity evolution deduced from microfocus X-ray computed tomography measurements (size higher than 5 µm). Further investigations of the porosity at lower scale were conducted at various stages of the swelling process by gas adsorption mainly and transmission electron microscopy. Various fluids were used for specimen hydration to control either crystalline swelling or osmotic swelling (NaCl solutions at different ionic strengths and methyl methacrylate (MMA) solution). The results, which combined both swelling pressure measurements and quantification of microstructure evolution upon hydration for the two different solutions, give sound understanding on the development of osmotic and/or crystalline swelling and their relative impact both on the microstructure and on the magnitude of the macroscopic swelling pressure of compacted smectites. Furthermore, these results compared to calculated results (BExM for example) shows similar evolutions; Une étude multi-échelle du gonflement d’une smectite en milieu confiné est proposée par une analyse de la pression de gonflement et de la porosité à différentes échelles (inter-agrégat, inter-particulaire, interfoliaire). Un dispositif spécifique, œdo-tomomètre, est conçu pour assurer le suivi couplé de la pression de gonflement et de la porosité inter-agrégat identifiable par microtomographie de rayon X (taille > 5 µm). D’autres analyses par adsorption de gaz et en microscopie permettent de caractériser la porosité à plus petites échelles. Différents types de fluides sont utilisés pour hydrater les éprouvettes afin de contrôler les composantes cristalline et osmotique du gonflement (solutions de NaCl à différentes forces ioniques et solution de méthacrylate de méthyle (MMA)). Les résultats obtenus en comparant notamment les éprouvettes hydratées par des solutions ioniques de NaCl à celles hydratées par du MMA montrent que l’évolution de la pression de gonflement et la réorganisation de la microstructure (diminution en taille de la porosité inter-agrégat, fractionnement possible des particules) sont intimement liées. Par ailleurs, ces résultats comparés à ceux calculés par des modèles phénoménologiques (BExM par exemple, modèle de Barcelone pour les sols gonflants) sont assez bien corrélés

A multi-scale investigation of the swelling behaviour of a purified bentonite under constrained conditions is carried out by a monitoring of the swelling pressure and the porosity evolution at various scales (inter-aggregate, inter-particle, interlayer). A specific oedometer, oedo-tomometer, has been designed to monitor both the swelling pressure and the inter-aggregate porosity evolution deduced from microfocus X-ray computed tomography measurements (size higher than 5 µm). Further investigations of the porosity at lower scale were conducted at various stages of the swelling process by gas adsorption mainly and transmission electron microscopy. Various fluids were used for specimen hydration to control either crystalline swelling or osmotic swelling (NaCl solutions at different ionic strengths and methyl methacrylate (MMA) solution). The results, which combined both swelling pressure measurements and quantification of microstructure evolution upon hydration for the two different solutions, give sound understanding on the development of osmotic and/or crystalline swelling and their relative impact both on the microstructure and on the magnitude of the macroscopic swelling pressure of compacted smectites. Furthermore, these results compared to calculated results (BExM for example) shows similar evolutions, Une étude multi-échelle du gonflement d’une smectite en milieu confiné est proposée par une analyse de la pression de gonflement et de la porosité à différentes échelles (inter-agrégat, inter-particulaire, interfoliaire). Un dispositif spécifique, œdo-tomomètre, est conçu pour assurer le suivi couplé de la pression de gonflement et de la porosité inter-agrégat identifiable par microtomographie de rayon X (taille > 5 µm). D’autres analyses par adsorption de gaz et en microscopie permettent de caractériser la porosité à plus petites échelles. Différents types de fluides sont utilisés pour hydrater les éprouvettes afin de contrôler les composantes cristalline et osmotique du gonflement (solutions de NaCl à différentes forces ioniques et solution de méthacrylate de méthyle (MMA)). Les résultats obtenus en comparant notamment les éprouvettes hydratées par des solutions ioniques de NaCl à celles hydratées par du MMA montrent que l’évolution de la pression de gonflement et la réorganisation de la microstructure (diminution en taille de la porosité inter-agrégat, fractionnement possible des particules) sont intimement liées. Par ailleurs, ces résultats comparés à ceux calculés par des modèles phénoménologiques (BExM par exemple, modèle de Barcelone pour les sols gonflants) sont assez bien corrélés

Energy geostructures are civil engineering structures equipped with energy exchanger elements in order to store heat seasonally. The aim of this study is the use of compacted soil to store energy through installation of horizontal exchangers in an embankment. During the soil compaction, two parameters were controlled: the water content w and the dry density ρd. This parameters as well as the soil nature, the mechanical load path and the cyclic temperature variation may affect the storage capacity and the system stability. This work includes an experimental part and a modeling part. In the experimental part, the impact of the temperature variation is studied on the thermal and mechanical properties of the compacted soil. The Plaisir loam (PL) extracted from the Paris region was investigated through laboratory tests at a temperatures range of 20 to 50°C. The results showed that the thermal properties of the compacted soils increased on the dry side of the compaction curve. This evolution was clearly confirmed for higher temperatures. The application of cyclic temperature variations showed reversible evolutions in the thermal properties after one cycle. The results of unconfined compressive tests and pressuremeter tests showed that heating induces a softening of the material whereas several temperature cycles induce a stiffening of the material. Thereafter, a coupled thermo-hydraulic modeling of an embankment made of the compacted Plaisir loam is performed in order to optimize the storage system. The comparison of different modelling results, fixed the temperature sensors spacing that minimizes the interactions between them, and the optimal distance between the last sensors and the bottom of the slope. It is shown that if an appropriate thermal program is chosen, the heat storage in the embankment could be possible. A better efficiency of the storage capacity can be reached by introducing 3 temperature sensors rows in the storage and by covering the storage with a thermal insulation. The simulation of this scenario over 10 years including temperature cycles shows a heating of the embankment for several years, until to reach an equilibrium state after the 7th year, Les géostructures énergétiques sont des ouvrages de génie civil qui intègrent un circuit de fluide caloporteur. Dans cette étude l’installation de circuits géothermiques dans des remblais est envisagé afin d’injecter ou d’extraire de la chaleur. Lors de la construction de ces remblais, deux paramètres sont à contrôler : la teneur en eau w (%) et la masse volumique sèche rd (Mg/m3). Ces deux paramètres ainsi que la nature du sol, le chargement appliqué et la variation cyclique de la température pourraient influencer la capacité de stockage et la stabilité du système. Après une partie synthétisant l’état de l’art sur ces thématiques, cette thèse comprend une partie expérimentale puis une partie numérique appliquée à un cas test de stockage. Dans la partie expérimentale, l’influence de la variation de température induite par l’échange thermique sur les propriétés thermiques et mécaniques du sol est étudiée. Pour cela des essais sont réalisés en laboratoire sur un limon du bassin parisien compacté et soumis à une gamme de variation de température de 20° à 50°C. Les effets de ces variations sur les paramètres mécaniques et les paramètres thermiques sont mesurés. Les résultats obtenus montrent une évolution des paramètres thermiques du matériau du côté sec de la courbe de compactage, particulièrement visible pour les températures importantes. La réversibilité de l’effet du chauffage est obtenue après plusieurs cycles de chauffage-refroidissement. Les propriétés mécaniques mesurées sont la résistance à la compression simple et les paramètres pressiométriques. Pour cela, des essais en laboratoire, à l’échelle métrique, sont réalisés. Un ramollissement du sol sous l’effet du chauffage et une rigidification sous l’effet des cycles thermiques sont constatés. Pour optimiser le système du stockage, une modélisation thermo-hydrique d’un remblai modèle réalisé avec le limon de Plaisir compacté légèrement du côté humide de l’optimum Proctor est effectuée. La comparaison des cas tests a permis de déterminer l’entraxe qui minimise l’interaction entre les sondes thermiques, ainsi que la distance optimale entre les dernières sondes et le pied de remblai. Les scenarii d’injection/extraction étudiés ont montré que le stockage de chaleur dans le remblai est faisable en choisissant un programme thermique adéquat pour l’exploitation du stockage. La mise en place de plusieurs lits de sondes thermiques et d’une isolation thermique sur la partie supérieure du remblai de stockage permet d’augmenter la capacité du remblai à accumuler de la chaleur dans le noyau à la fin de la période de relaxation. La simulation de ce scénario sur 10 ans avec la prise en compte des cycles de température, montre un réchauffement du remblai sur plusieurs années jusqu’à atteindre une évolution équilibrée au bout de la 7 ème année. Arrivé à cet état d’équilibre, l’évolution des températures est reproductible d’une année sur l’autre

The current evolution of the social and economic context requires from the different actors of the public works sector to adapt their practices to the challenges of sustainable development. In the field of earthworks, companies must offer technical solutions to reuse the materials located in the vicinity of the projects in order to limit the borrowing materials and unused soils deposits. Soil treatment may allow the reuse of these materials. This study was focused on four treatment products (kaolinite, bentonite, lime and cement) as well as their effects on the hydro-mechanical behavior and internal erosion resistance of a fine silt. An enhanced HET device was designed in the framework of this study to determine the internal erosion characteristics of treated soils especially with lime and cement. Beyond the characterization of treatment effects on short-term hydro-mechanical behavior of soils, the work of this study extends to the durability of treatment and the evolution of long-term hydro-mechanical behavior of treated soils subjected to drying-wetting cycles. This study of sustainability was carried out through a multi-scale approach based on laboratory study data on soil samples and field investigations on hydraulic structures made of treated soil. The study showed that hydraulic conditions variations can decrease the performance of treated soils. These degradations result on an increase in hydraulic conductivity, a decrease of the mechanical strength and also a reduction in the critical shear stress which expresses a decrease of the internal erosion resistance. The kinetic of performance loss depends to the nature of the treatment product and percentage used as well as the exposure level, the number and amplitude of the hydraulic variations. However, the field study showed that it is possible to reduce the kinetic degradation of the soil performance through an appropriate construction design., L’évolution actuelle du contexte socio-économique oblige les différents acteurs du secteur des travaux publics à s’adapter aux problématiques du développement durable. Dans le domaine des ouvrages en terre, les entreprises doivent proposer des solutions techniques de valorisation des matériaux situés dans l’emprise des projets afin de limiter les emprunts extérieurs et la mise en dépôt des sols non utilisés. Les techniques de traitement des sols constituent une possibilité de valoriser ces matériaux. Cette étude se focalise sur quatre produits de traitement (kaolinite, bentonite, chaux et ciment) ainsi que sur leurs effets sur le comportement hydromécanique et la résistance à l’érosion interne d’un limon fin. Un dispositif d’érosion interne HET optimisé a été spécialement conçu dans le cadre de ce travail pour déterminer les caractéristiques d’érosion des sols traités notamment à la chaux et au ciment. Au-delà de la caractérisation des effets du traitement sur le comportement hydromécanique à court terme des sols, le travail de cette étude s’étend sur la durabilité des traitements et l’évolution du comportent hydromécanique à long terme des sols traités soumis à des sollicitations hydriques de séchage-humidification. Cette étude de la durabilité est effectuée à travers une approche multi-échelle fondée sur des données d’études en laboratoire sur des éprouvettes de sol traité et des investigations in situ sur des ouvrages hydrauliques en sol traité. L’étude montre que les sollicitations hydriques peuvent dégrader les performances du sol traité. Cette dégradation se traduit par une augmentation de la conductivité hydraulique, une diminution de la résistance mécanique et aussi une diminution de la contrainte critique qui exprime une diminution de la résistance à l’érosion interne. La cinétique de perte de performances est conditionnée par la nature du produit de traitement et son dosage utilisé, et aussi par le niveau d’exposition, le nombre et l’intensité des cycles hydriques. Cependant, l’étude in situ montre qu’il est possible de diminuer la cinétique de dégradation des performances de sols à travers des dispositions constructives adaptées.

The current evolution of the social and economic context requires from the different actors of the public works sector to adapt their practices to the challenges of sustainable development. In the field of earthworks, companies must offer technical solutions to reuse the materials located in the vicinity of the projects in order to limit the borrowing materials and unused soils deposits. Soil treatment may allow the reuse of these materials. This study was focused on four treatment products (kaolinite, bentonite, lime and cement) as well as their effects on the hydro-mechanical behavior and internal erosion resistance of a fine silt. An enhanced HET device was designed in the framework of this study to determine the internal erosion characteristics of treated soils especially with lime and cement. Beyond the characterization of treatment effects on short-term hydro-mechanical behavior of soils, the work of this study extends to the durability of treatment and the evolution of long-term hydro-mechanical behavior of treated soils subjected to drying-wetting cycles. This study of sustainability was carried out through a multi-scale approach based on laboratory study data on soil samples and field investigations on hydraulic structures made of treated soil. The study showed that hydraulic conditions variations can decrease the performance of treated soils. These degradations result on an increase in hydraulic conductivity, a decrease of the mechanical strength and also a reduction in the critical shear stress which expresses a decrease of the internal erosion resistance. The kinetic of performance loss depends to the nature of the treatment product and percentage used as well as the exposure level, the number and amplitude of the hydraulic variations. However, the field study showed that it is possible to reduce the kinetic degradation of the soil performance through an appropriate construction design.; L’évolution actuelle du contexte socio-économique oblige les différents acteurs du secteur des travaux publics à s’adapter aux problématiques du développement durable. Dans le domaine des ouvrages en terre, les entreprises doivent proposer des solutions techniques de valorisation des matériaux situés dans l’emprise des projets afin de limiter les emprunts extérieurs et la mise en dépôt des sols non utilisés. Les techniques de traitement des sols constituent une possibilité de valoriser ces matériaux. Cette étude se focalise sur quatre produits de traitement (kaolinite, bentonite, chaux et ciment) ainsi que sur leurs effets sur le comportement hydromécanique et la résistance à l’érosion interne d’un limon fin. Un dispositif d’érosion interne HET optimisé a été spécialement conçu dans le cadre de ce travail pour déterminer les caractéristiques d’érosion des sols traités notamment à la chaux et au ciment. Au-delà de la caractérisation des effets du traitement sur le comportement hydromécanique à court terme des sols, le travail de cette étude s’étend sur la durabilité des traitements et l’évolution du comportent hydromécanique à long terme des sols traités soumis à des sollicitations hydriques de séchage-humidification. Cette étude de la durabilité est effectuée à travers une approche multi-échelle fondée sur des données d’études en laboratoire sur des éprouvettes de sol traité et des investigations in situ sur des ouvrages hydrauliques en sol traité. L’étude montre que les sollicitations hydriques peuvent dégrader les performances du sol traité. Cette dégradation se traduit par une augmentation de la conductivité hydraulique, une diminution de la résistance mécanique et aussi une diminution de la contrainte critique qui exprime une diminution de la résistance à l’érosion interne. La cinétique de perte de performances est conditionnée par la nature du produit de traitement et son dosage utilisé, et aussi par le niveau d’exposition, le nombre et l’intensité des cycles hydriques. Cependant, l’étude in situ montre qu’il est possible de diminuer la cinétique de dégradation des performances de sols à travers des dispositions constructives adaptées.

Energy geostructures involve providing a direct heat exchange with the ground through integrated systems in the foundations or geotechnical structures. The incorporation of heat exchangers in geostructures produces a cyclic variation of the temperature in the adjacent soil. Therefore, there are important scientific questions about the effect of temperature variations on hydro-mechanical soil parameters in general, and particularly for sensitive clay soils. The main objective of this thesis is to improve the understanding and the quantification of the impact of temperature variation on the bearing capacity of geothermal piles. Currently, the design of the bearing capacity of deep foundations is based on the results of in situ penetrometer and pressuremeter tests. Herein, experimental methods are developed to carry out these tests in laboratory conditions. Mini-penetrometer tests were carried out on samples compacted at different initial states and subjected to temperature variations ranging from 1 to 70 °C. The results showed a significant change in the studied parameters: the cone resistance (qc) and the friction sleeve resistance (fs) for an illitic material compacted on the dry side of the compaction curve. Mini-pressuremeter tests performed on the same illitic compacted soil in a thermo-regulated metric scale container, showed a decrease in creep pressure (pf) and limit pressure (pl) with increasing temperature, while the variation of pressuremeter modulus (EM) is less pronounced. The results showed a quasi-reversibility of the effect of a heating cycle through the temperature range tested, while the effect of a cooling cycle was only partially reversible. In the case of several thermal cycles, the first cycle induced more important parameter variations than the subsequent cycles, and at the end of the experimentation. Further analysis of the evolution of the thermal properties (thermal conductivity ([lambda]), heat capacity (Cv) and thermal diffusivity (D)) within heating and cooling process as a function of soil water content and dry density showed an increase of these parameters with the increase of initial values of w and [rho]d, and an increase of [lambda] in the dry side of the compaction curve with increasing temperature from 1 to 70 °C. In summary, for the energy piles driven in the clay soils, some modifications in the bearing capacity have to be taken into account due to the variation of the hydro-mechanical parameters of the soil induced by thermal cycles, Les géostructures énergétiques consistent à établir un échange thermique direct avec le sol grâce à des systèmes intégrés dans les fondations ou les structures géotechniques. L’incorporation des échangeurs de chaleur aux géostructures provoque une variation cyclique de la température du sol adjacent. Des questions se posent sur l'impact de ces variations thermiques sur les paramètres géotechniques des sols en général, et en particulier des sols sensibles argileux. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la quantification de l’impact de la variation de la température sur la capacité portante des pieux géothermiques. Actuellement, le dimensionnement des capacités portantes des fondations profondes est basé sur les résultats d’essais pénétrométriques ou pressiométriques. Des méthodes expérimentales ont été développées afin de permettre la réalisation de ces essais dans les conditions du laboratoire. Des essais mini-pénétrométriques sont réalisés sur des éprouvettes compactées à différents états initiaux et soumises à des températures variant de 1 à 70 °C. Les résultats montrent une évolution sensible des paramètres étudiés, la résistance en pointe (qc) et le frottement latéral (fs), pour un matériau illitique, lorsqu’il est compacté du côté sec de l’optimum. Les essais mini-pressiométriques, réalisés sur des massifs de sol illitique compactés en modèle réduit d’échelle métrique dans une cuve thermo-régulée, ont montré une diminution de la pression de fluage (pf) et de la pression limite (pl) avec l’augmentation de la température, tandis que la variation du module pressiométrique (EM) est moins marquée. Les résultats montrent une quasi-réversibilité des effets d’un cycle de chauffage dans la gamme de température testée alors que l’effet d’un cycle de refroidissement n’est que partiellement réversible. Pour les essais soumis à plusieurs cycles thermiques, le premier cycle induit des variations de paramètres toujours plus importantes que les cycles suivants. Une analyse approfondie de l’évolution des propriétés thermiques (la conductivité thermique ([lambda]), la capacité thermique volumique (Cv) et la diffusivité thermique (D)) des sols en fonction de la teneur en eau, de la masse volumique sèche et de la température montre une augmentation de ces paramètres avec l’augmentation de w et [rho]d et une augmentation de [lambda] des éprouvettes illitiques du côté sec de l’optimum avec l’augmentation de la température de 1 à 70 °C. En résumé, pour les pieux énergétiques, les résultats obtenus en laboratoire montrent une modification de la capacité portante due à la variation des paramètres du sol illitique sous l’effet des cycles thermiques

The effects of lime treatment on the mechanical properties of soils are usually not accounted for in the design of geotechnical structures. As a result the potential of lime treatment has not been fully exploited. In this thesis, a comprehensive experimental program has been carried out to identity the key features of the mechanical behaviour of structured materials. The chemical modifications arising from lime treatment were quantified using thermal analysis methods. From these results a non-linear chemo-mechanical coupling was established between the concentration of cementitious compounds and the yield stress. Using these results, a new formulation to model the degradation of the structure at yield has been developed and implemented in a constitutive model for structured materials. This new model, developed in the framework of the Modified Cam Clay model, requires a limited number of additional parameters that all have a physical meaning and can all be determined from a single isotropic compression test. The model has proven to be successful in reproducing the key features of structured materials and for the modelling of the mechanical behaviour of lime treated specimens under various stress paths. Due to similarities in behaviour, it is shown that the formulation is also suitable for naturally structured soils. To account for a structured material in the design of geotechnical structures, a fully functional finite element program for elasto-plastic problems was developed including the pre- and post-processing of the results. A thorough validation has confirmed the good implementation of the finite element method and its suitability for the modelling of complex geometries involving structured materials, Le traitement des sols à la chaux est une méthode couramment utilisée pour améliorer les propriétés mécaniques de sols aux performances insuffisantes. Cependant, ces améliorations mécaniques ne sont pas prises en compte dans les calculs de dimensionnement. Cette thèse propose une méthodologie pour pallier à ce problème. Un programme expérimental approfondi est réalisé afin de décrire avec précision le comportement mécanique d’un sol traité et les processus associés à la structuration introduite par le traitement. La composition chimique, et notamment la quantité de composés cimentaires hydratés, est déterminée par analyses thermogravimétriques et thermodifférentielles. Un couplage non-linéaire entre la quantité d’hydrates et la limite élastique se basant sur ces résultats expérimentaux est proposé. À partir de ces résultats, une nouvelle formulation a été développée afin de modéliser la dégradation de la structure en plasticité, et a servi au développement d’une nouvelle loi de comportement élasto-plastique basée sur le modèle de Cam Clay Modifié. Cette dernière a montré reproduire correctement les principaux traits de comportement spécifiques aux sols traités. Il est démontré que ce modèle est également adapté aux sols naturellement structurés. Afin de prendre en compte les effets du traitement et la présence de structure dans le dimensionnement, un programme basé sur la méthode des éléments finis, comprenant le pré- et le post-processing de la géométrie et des résultats du problème, a été développé. Une validation rigoureuse a confirmé l'implémentation correcte de la méthode et son potentiel pour l’optimisation du dimensionnement des ouvrages

Sustainable development principles lead earthworks companies to use all natural materials and to reduce the environmental impact of their activities. In this context, the use of industrial organic products derived from the processing of renewable matter has been proposed. In this study, three non traditional products have been selected: an enzymatic solution, a lignosulfonate and an acid solution. In a first approach, hydromechanical properties of four treated soils (a silt, a clayey soil and two sands) were investigated. The experimental results showed interesting applications for the silt when its natural water content is low. Indeed, the compaction ability of the soil was increased after enzymatic and lignosulfonate treatments. Thus, savings of water and energy could be expected during the construction stage. To gain a better understanding of the mechanisms of the treatment products, the microstructure of treated soil were investigated with scanning electron microscopy, mercury injection porosity and was completed by the study of a surfactant addition in soils. The global aim of the study was beyond the characterization of mechanical behavior of treated soils, therefore, environmental balance was also estimated for the different applications defined in accordance to the experimental results. For enzymatic and lignosulfonate treatments, a comparison of the global environmental impact was done thanks to a life cycle assessment methodology. This approach showed that technical and environmental interest are associated for the compaction of dry soils when the production and transport steps have limited environmental impact as demonstrated in the sensitivity analysis, Répondre aux défis du développement durable exige la prise en considération des aspects économiques, sociétaux et environnementaux des projets. Dans le domaine des terrassements, les actions portent notamment sur l'optimisation de la valorisation des matériaux extraits grâce aux techniques de traitement des sols. Le projet s'est principalement porté sur les produits de traitement dérivant de la transformation de matières premières renouvelables : solutions « enzymatiques », lignosulfonates et solutions acides. Des données factuelles concernant les effets des traitements sur les caractéristiques hydromécaniques de quatre sols (un limon, un sol argileux et deux sables) ont été acquises mettant en évidence une augmentation de l'efficacité du compactage après traitement du limon au produit enzymatique et au lignosulfonate. La recherche des mécanismes d'action s'est fondée sur une étude de la microstructure par microscopie électronique à balayage et porosimétrie au mercure complétée par l'évaluation des effets d'un ajout de produits tensioactifs sur les propriétés des sols. L'objectif de l'étude dépasse cependant l'évaluation des modalités d'action des produits et vise également à prendre en compte les préoccupations environnementales. Ainsi, une étude d'analyse du cycle de vie a été menée pour chaque application ce qui a permis d'identifier les conditions optimales pour lesquelles les traitements combinent intérêts techniques et environnementaux. Ces conditions sont réunies lors du compactage des sols secs sous réserve que l'étape de production et de transport des produits ne soit pas excessivement pénalisante comme mis en évidence lors de l'étude de sensibilité

Sustainable development principles lead earthworks companies to use all natural materials and to reduce the environmental impact of their activities. In this context, the use of industrial organic products derived from the processing of renewable matter has been proposed. In this study, three non traditional products have been selected: an enzymatic solution, a lignosulfonate and an acid solution. In a first approach, hydromechanical properties of four treated soils (a silt, a clayey soil and two sands) were investigated. The experimental results showed interesting applications for the silt when its natural water content is low. Indeed, the compaction ability of the soil was increased after enzymatic and lignosulfonate treatments. Thus, savings of water and energy could be expected during the construction stage. To gain a better understanding of the mechanisms of the treatment products, the microstructure of treated soil were investigated with scanning electron microscopy, mercury injection porosity and was completed by the study of a surfactant addition in soils. The global aim of the study was beyond the characterization of mechanical behavior of treated soils, therefore, environmental balance was also estimated for the different applications defined in accordance to the experimental results. For enzymatic and lignosulfonate treatments, a comparison of the global environmental impact was done thanks to a life cycle assessment methodology. This approach showed that technical and environmental interest are associated for the compaction of dry soils when the production and transport steps have limited environmental impact as demonstrated in the sensitivity analysis, Répondre aux défis du développement durable exige la prise en considération des aspects économiques, sociétaux et environnementaux des projets. Dans le domaine des terrassements, les actions portent notamment sur l'optimisation de la valorisation des matériaux extraits grâce aux techniques de traitement des sols. Le projet s'est principalement porté sur les produits de traitement dérivant de la transformation de matières premières renouvelables : solutions « enzymatiques », lignosulfonates et solutions acides. Des données factuelles concernant les effets des traitements sur les caractéristiques hydromécaniques de quatre sols (un limon, un sol argileux et deux sables) ont été acquises mettant en évidence une augmentation de l'efficacité du compactage après traitement du limon au produit enzymatique et au lignosulfonate. La recherche des mécanismes d'action s'est fondée sur une étude de la microstructure par microscopie électronique à balayage et porosimétrie au mercure complétée par l'évaluation des effets d'un ajout de produits tensioactifs sur les propriétés des sols. L'objectif de l'étude dépasse cependant l'évaluation des modalités d'action des produits et vise également à prendre en compte les préoccupations environnementales. Ainsi, une étude d'analyse du cycle de vie a été menée pour chaque application ce qui a permis d'identifier les conditions optimales pour lesquelles les traitements combinent intérêts techniques et environnementaux. Ces conditions sont réunies lors du compactage des sols secs sous réserve que l'étape de production et de transport des produits ne soit pas excessivement pénalisante comme mis en évidence lors de l'étude de sensibilité

Clayey soils can present large volumetric deformations in response of water content change. This phenomenon of shrinkage and swelling of clayey soils is recognized as a costly natural hazard throughout the world. In France, this cost is reported between 1988 and 2007 to 5 million Euros, ranking in second class of the French natural hazards in terms of cost of damage after the floods. The individual masonry buildings with shallow foundations are the most affected by this phenomenon that causes a differential settlement of the building leading to cracks in facades and structural elements, especially in unreinforced masonry elements. The objective of this thesis was to study the vulnerability of the building, against the shrink-swell hazard through an analysis of soil-structure interaction. This work was focused on three major points: hydro-mechanical behavior of clay soils, soil-structure interaction and evaluation of structural damage. The hydro-mechanical behavior of clay soils was considered by the concept of state surface and integrated into a soil-structure interaction model, based on the Winkler model, with increasingly complex approaches: 1D, 2D and 3D by modeling the building behavior respectively by a spring system, the beam element and the plate element. These models of soil-structure interaction are able to calculate the relative deflection of the building, according to the values of imposed suction, mechanical properties of the structure and hydro-mechanical properties of the soil. The relative deflection of the building is then compared to threshold values of the classical damage categories to assess the building damage. Finally a feasibility study was conducted on the development of vulnerability curves adapted to the problem of shrinkage - swelling of clayey soils. These curves represent the average of structural damage versus suction, for each type of building. These curves were developed based on a classification of expansive soils and a building typology outcome from databases of affected buildings. The average damage is calculated by the Monte-Carlo method, taking into account the variability of the building parameters., Les sols argileux peuvent présenter des variations importantes de volume lors d'un changement hydrique, tel une période de sécheresse. Ce phénomène de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine de nombreux préjudices aux bâtis ce qui le situe, après les inondations, au second rang des aléas naturels français en matière de coût des dommages : 5 milliard d'euros entre 1988 et 2007. Les maisons individuelles sont les plus touchées par ce phénomène qui provoque un tassement différentiel du bâti à l'origine de sa dégradation (fissures dans les éléments de maçonnerie non armée en particulier). L'objectif de cette thèse est d'étudier la vulnérabilité des bâtis vis-à-vis de l'aléa retrait-gonflement à travers une analyse de l'interaction sol-structure. Ce travail s'est porté sur les trois grands volets suivants : le comportement hydromécanique des sols argileux, l'interaction sol-structure et l'évaluation des dommages structuraux. Le comportement hydromécanique des sols argileux a été modélisé par le concept de surface d'état et intégré dans un modèle d'interaction sol-structure inspiré du modèle de Winkler, avec des approches de plus en plus complexes : cas unidimensionnel tout d'abord, 2D ensuite en assimilant la structure à une poutre, puis en 3D en représentant la structure par une plaque. Ces modèles d'interaction sol-structure permettent de calculer la déflexion relative d'un bâti, en fonction d'une valeur de succion imposée et des propriétés mécaniques ou hydromécaniques de la structure et du sol d'assise. La déflexion relative du bâti est alors comparée à des valeurs seuils afin d'évaluer le dommage. La dernière partie de cette thèse consiste en une étude de faisabilité pour le développement de courbes de vulnérabilités adaptées à la problématique du retrait gonflement. Ces courbes représentent la moyenne des dommages d'un type de bâti conçu sur un type de sol gonflant pour une valeur de succion imposée. Ces courbes ont été développées à partir d'une typologie des sols gonflants et d'une typologie des bâtis issue des bases de données des maisons sinistrées. La moyenne des dommages est calculée par la méthode de Monte-Carlo, en prenant en compte la variabilité des paramètres du bâti.

To improve soils with poor mechanical properties, it is possible to use a treatment with lime and/or hydraulic binder. But, in some cases, this type of treatment can be totally ineffective. For example, deleterious chemical compounds in the ground can alter the hardening reactions of the binder. However, except in the case of sulphate, there are few studies dealing with the potential influence of other chemical compounds like, for example, agricultural fertilizers. In this context, the aim of this paper is to characterise the effects of chloride, phosphate, nitrate, and sulphate on soil treatment. A suitable soil for stabilisation was mixed with one deleterious compound at a given concentration, similar to its concentration in a soil. The geotechnical and physicochemical parameters were determined, both for the disturbed and the undisturbed soils, allowing the quantification of the influence of each compound taken separately. The action of each supposed deleterious compound was evaluated by determining the swelling, the diametral compression strength, and the unconfined compression strength. These experiments were supplemented by microstructural, mineralogical, and chemical observations. Such evaluation was performed with two soils, a silt and a sand, and two different hydraulic binders. The results showed that fertilizers tend to lower the mechanical characteristics of the silt, but, the soils are still suitable for soil stabilisation. The study do not evidenced any impact of chloride on the mechanical behaviour of the tested soils. The presence of a given chemical compound at a given concentration in the soil is not sufficient enough to determine the suitability of the soil for a treatment., Pour améliorer les sols possédant des caractéristiques mécaniques faibles, il est possible d'utiliser un traitement à la chaux et/ou au liant hydraulique. Dans certains cas, ce type de traitement est inefficace en raison de la présence dans le sol de perturbateurs. Cependant, sauf dans le cas des composés soufrés, il existe très peu de données sur la perturbation due à d'autres composés chimique, comme par exemple les fertilisants utilisés en agriculture. Dans ce contexte, une étude a été entreprise pour identifier clairement l'influence de composés chimiques réellement perturbateurs de la prise (performance à court terme), à la fois géotechniquement et physico-chimiquement. Des éléments chimiques ont été ajoutés aux sols étudiés, à différentes concentrations, puis les variations de paramètres géotechniques et physico-chimiques ont été mesurées pour les sols perturbés ou non. Nous avons ainsi étudié les effets de quatre composés chimiques : le sulfate, le chlorure, le phosphate, et le nitrate, sur deux sols différents, un limon et un sable, traités par deux liants hydrauliques différents. Le gonflement volumique, la résistance à la compression simple, et à la traction indirecte ont été mesurés pour évaluer les effets de chacun des composés considérés sur les propriétés mécaniques des sols traités. Ces mesures seront complétées par des observations microtexturales (MEB), minéralogiques (DRX) et chimiques. Cette étude permet de mettre en évidence les difficultés de déterminer si un élément est perturbateurs ou non du traitement des sols, sans considérer un système intégrant la nature du sol, la nature des liants, l'élément chimique et sa concentration, et enfin les conditions d'essai.

Flexible inclusions, such as stone columns, are made up of purely frictional granular material and are constructed using a variety of methods, in order to improve the soil (settlement reduction, increase in bearing capacity). At their beginning, end of the 1950's, stone columns were placed in a regular mesh under great structures (embankments, tanks, slabs) bringing uniformly distributed loads. Since several years, these columns are often constructed as isolated elements or in groups of a certain number (generally 2 to 6) on top of which is placed a rigid footing. It is thus important to predict the stone column's mechanical behavior under rigid footings knowing that they can be used under a broad variety of structures (accomodation, industrial buildings). The main purpose of the work presented in this thesis is to: (1) analyse and quantify the soil's improvement thanks to the construction of stone columns, in a clayey soil, under rigid footings and (2) to develop a numerical methodology allowing us to validate full scale experimental results. In order to achieve this, an important full scale load test campaign was first conceived and then set up. Cone penetration tests were carried out before and after stone column construction (in isolated elements or in groups of three columns located at the corners of a 1,8 m faced triangle). Another part of this campaign deals with comparative full scale load tests carried out during 77 days: two rigid footings of 1.2 x 1.2 x 0.5 m, one on the natural soil and one placed on top of a stone column, and two rigid footings of 2.3 x 2.5 x 0.5 m, one on the natural soil and the other one placed on three stone columns. An important soil and column monitoring (inclinometers, pore pressure cells, total vertical load pressure cells) was set up before column construction in order to measure the soil's improvement and the column's failure behavior. The experimental results (lateral and vertical displacements, and total vertical pressures) were compared to numerical ones in 2 (PLAXIS 2D V8) and 3D (FLAC 3D). In 2D, part of the work was focused on simulating the installation process of a stone column by lateral displacement of the soil, Les inclusions souples, telles que les colonnes ballastées, sont constituées de matériaux granulaires purement frottants et réalisées à partir de différentes méthodes, afin d'entraîner des améliorations des performances du sol (réduction des tassements, augmentation de la capacité portante, etc.). Dès leur origine, fin des années 1950, ces colonnes ont été employées en maillages réguliers sous des ouvrages de grandes dimensions (remblais, réservoirs, dallages) apportant des surcharges uniformément réparties. Depuis plusieurs années, les colonnes sont souvent mises en oeuvre de manière isolée ou en groupe d'éléments limités (2 à 6 unités) et coiffées par une semelle rigide. Il est donc important de prévoir le comportement mécanique de ces inclusions sous des semelles rigides compte tenu de leur application à de nombreuses structures (logements, bâtiments industriels). L'objectif principal du travail présenté ici est : (1) d'analyser et de quantifier l'amélioration du sol obtenue par la mise en place des colonnes ballastées, dans un sol argileux, sous semelles rigides et (2) de développer une méthodologie numérique permettant de valider les résultats d'essais en grandeur réelle. Pour atteindre ces objectifs, une importante campagne d'essais en grandeur réelle a été élaborée puis mise en oeuvre. Il s'agit d'une campagne de sondages de pénétration statique réalisés avant et après la mise en place des colonnes (isolées ou en groupe de 3 de 1,8 m d'entre-axe), ainsi que d'essais de chargement comparatifs en grandeur réelle pendant 77 jours, de semelles (1,2 x 1,2 x 0,5 m) sur une colonne ballastée et sur le sol naturel, et de semelles (2,3 x 2,5 x 0,5 m) sur trois colonnes et sur le sol naturel. Une importante instrumentation du sol et des colonnes (inclinomètres, sondes de pression interstitielle, capteurs de pression totale verticale) a été mise en place avant la réalisation des colonnes afin de déterminer l'amélioration du sol et le comportement à la rupture de ces inclusions. Puis, les résultats expérimentaux (déplacements horizontaux et verticaux, et contraintes totales verticales) ont été confrontés aux résultats de modélisations numériques en 2 (PLAXIS 2D V8) et 3D (FLAC 3D). Ont notamment été étudiés en 2D les outils numériques permettant de simuler le processus de mise en oeuvre d'une colonne par refoulement latéral du sol

Flexible inclusions, such as stone columns, are made up of purely frictional granular material and are constructed using a variety of methods, in order to improve the soil (settlement reduction, increase in bearing capacity). At their beginning, end of the 1950's, stone columns were placed in a regular mesh under great structures (embankments, tanks, slabs) bringing uniformly distributed loads. Since several years, these columns are often constructed as isolated elements or in groups of a certain number (generally 2 to 6) on top of which is placed a rigid footing. It is thus important to predict the stone column's mechanical behavior under rigid footings knowing that they can be used under a broad variety of structures (accomodation, industrial buildings). The main purpose of the work presented in this thesis is to: (1) analyse and quantify the soil's improvement thanks to the construction of stone columns, in a clayey soil, under rigid footings and (2) to develop a numerical methodology allowing us to validate full scale experimental results. In order to achieve this, an important full scale load test campaign was first conceived and then set up. Cone penetration tests were carried out before and after stone column construction (in isolated elements or in groups of three columns located at the corners of a 1,8 m faced triangle). Another part of this campaign deals with comparative full scale load tests carried out during 77 days: two rigid footings of 1.2 x 1.2 x 0.5 m, one on the natural soil and one placed on top of a stone column, and two rigid footings of 2.3 x 2.5 x 0.5 m, one on the natural soil and the other one placed on three stone columns. An important soil and column monitoring (inclinometers, pore pressure cells, total vertical load pressure cells) was set up before column construction in order to measure the soil's improvement and the column's failure behavior. The experimental results (lateral and vertical displacements, and total vertical pressures) were compared to numerical ones in 2 (PLAXIS 2D V8) and 3D (FLAC 3D). In 2D, part of the work was focused on simulating the installation process of a stone column by lateral displacement of the soil, Les inclusions souples, telles que les colonnes ballastées, sont constituées de matériaux granulaires purement frottants et réalisées à partir de différentes méthodes, afin d'entraîner des améliorations des performances du sol (réduction des tassements, augmentation de la capacité portante, etc.). Dès leur origine, fin des années 1950, ces colonnes ont été employées en maillages réguliers sous des ouvrages de grandes dimensions (remblais, réservoirs, dallages) apportant des surcharges uniformément réparties. Depuis plusieurs années, les colonnes sont souvent mises en oeuvre de manière isolée ou en groupe d'éléments limités (2 à 6 unités) et coiffées par une semelle rigide. Il est donc important de prévoir le comportement mécanique de ces inclusions sous des semelles rigides compte tenu de leur application à de nombreuses structures (logements, bâtiments industriels). L'objectif principal du travail présenté ici est : (1) d'analyser et de quantifier l'amélioration du sol obtenue par la mise en place des colonnes ballastées, dans un sol argileux, sous semelles rigides et (2) de développer une méthodologie numérique permettant de valider les résultats d'essais en grandeur réelle. Pour atteindre ces objectifs, une importante campagne d'essais en grandeur réelle a été élaborée puis mise en oeuvre. Il s'agit d'une campagne de sondages de pénétration statique réalisés avant et après la mise en place des colonnes (isolées ou en groupe de 3 de 1,8 m d'entre-axe), ainsi que d'essais de chargement comparatifs en grandeur réelle pendant 77 jours, de semelles (1,2 x 1,2 x 0,5 m) sur une colonne ballastée et sur le sol naturel, et de semelles (2,3 x 2,5 x 0,5 m) sur trois colonnes et sur le sol naturel. Une importante instrumentation du sol et des colonnes (inclinomètres, sondes de pression interstitielle, capteurs de pression totale verticale) a été mise en place avant la réalisation des colonnes afin de déterminer l'amélioration du sol et le comportement à la rupture de ces inclusions. Puis, les résultats expérimentaux (déplacements horizontaux et verticaux, et contraintes totales verticales) ont été confrontés aux résultats de modélisations numériques en 2 (PLAXIS 2D V8) et 3D (FLAC 3D). Ont notamment été étudiés en 2D les outils numériques permettant de simuler le processus de mise en oeuvre d'une colonne par refoulement latéral du sol

This thesis presents an experimental study performed on compacted loose and natural dense expansive soils using osmotic oedometers. Several successive cycles were applied under three different low constant vertical net stresses. The loose soil presents a significant shrinkage accumulation while the dense one produces the swelling accumulation during the suction cycles. The suction cycles induced an equilibrium stage which indicates an elastic behaviour of the samples. At the end of suction cycles, a loading/unloading test was performed at the constant suctions for both materials. The mechanical parameters, i.e. the virgin compression index lambda(s), the apparent preconsolidation stress p0(s) and the elastic compression index values lambda are completely dependent on the followed stress paths. The whole experimental results made it possible to define the yielding surfaces: suction limit between micro and macrostructure (Lm/M), loading collapse (LC) and saturation curve (SCS). The suction limit (Lm/M) depends completely to the soil fabrics and to the diameter separating the micro- and macrostructure. The preconsolidation stress variation with suction is represented by the LC surface. The compression curves at different imposed suctions converge towards the saturated state for the high applied vertical stresses. We consider the saturation pressure (Psat) as the necessary pressure to reach the saturated state for an imposed suction. The higher the suction, the higher the saturation pressure. The yielding surface representing this pressure as a function of suction is called the saturation curve (SCS). Generally we can state that the suction cycles unified the LC and SC surfaces and increased the (Lm/M) up to a higher value., Cette thèse rapporte les résultats d'études expérimentales effectuées à l'?domètre avec imposition de succion par la méthode osmotique sur des matériaux gonflants compactés lâches et naturels denses. Plusieurs cycles de séchage/humidification ont été appliqués sur ces matériaux sous trois faibles charges mécaniques constantes. Pendant ces cycles, les éprouvettes manifestent un retrait cumulé pour le sol lâche et un gonflement cumulé pour le sol dense. Les résultats montrent que dans les deux cas, les déformations volumiques convergent vers un état d'équilibre où le sol présente un comportement réversible. A la fin des cycles de succion, un cycle de chargement/déchargement a été effectué sous les succions constantes. Les valeurs de la pression de préconsolidation p0(s), de l'indice de compression vierge lambda(s) et de l'indice de compression élastique lambda dépendent directement des chemins de contrainte suivis.L'ensemble des résultats expérimentaux permet de déterminer les surfaces de charge : la limite de séparation de micro/macro (Lm/M) ; la surface de chargement-effondrement (LC) et la surface de comportement saturé (SCS). La succion limite entre la micro- et la macrostructure (Lm/M) dépend parfaitement de la structure interne et du diamètre qui délimite les deux familles de pores. L'évolution de la pression de préconsolidation en fonction de la succion imposée est présentée par la surface LC. Les courbes de compressibilité sous différentes succions convergent vers la courbe correspondant à l'état saturé sous de fortes contraintes appliquées. La pression à partir de laquelle, le sol continue son chemin sur la courbe du comportement normalement consolidé est appelée la pression de saturation (Psat). Plus la succion imposée est élevée, plus la charge nécessaire pour atteindre cette pression de saturation est importante. La surface SCS présente la variation de la pression de saturation en fonction de la succion imposée. Nous pouvons considérer que les surfaces de charge SCS et LC sont uniques pour les sols denses cependant elles se superposent à la fin des cycles de succion pour les sols lâches. Les cycles hydriques augmentent aussi la limite (Lm/M) entre la micro- et la macrostructure pour les deux sols.

The use of compacted soils in engineering practice is very wide spread, especially in geotechnical and environmental engineering. These soils can be submitted to moisture variations, i.e. suction changes, that induce volumetric deformations. The main objective of this thesis is to study the suction influence on the hydromechanical behaviour of a compacted swelling soil in the range of suction comprised between 0 and 300 MPa.For this purpose, two kinds of suction controlled oedometers, using the osmotic method or the salt solutions technique, were employed. The salt solutions oedometer were especially developed for this study. The samples were made with a compacted swelling material. The experimental study has shown that the apparent preconsolidation stress reaches a constant value above a suction of 38.9 MPa. The slope of the plastic compression curve had a maximum value under a suction of 4 MPa. These results seem to be related to the initial internal structure of the samples. Then the influence of complex hydromechanical stress paths was also investigated. It appeared that the results of the tests conducted on a swelling soil depended on the followed stress path even if a wetting is performed during a test. In the last part of this work, the test results were interpreted with the Barcelona Basic Model and Barcelona Expansive Model (BExM). The possibilities of both models were compared. To interpret the test results with the BExM, it is necessary to conduct some additional tests that include a suction cycle and also a constant volume test with a suction controlled wetting. As a conclusion, two suction controlled experimental devices were developed and validated in this study. With these devices, the influence of structure and suction on the hydromechanical behaviour of a compacted swelling soils was characterised., Les sols gonflants compactés sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Ces matériaux subissent d'importantes variations de volume en fonction de leur état hydrique, i.e. de leur succion. L'objectif principal du travail présenté ici est d'étudier l'influence de ce paramètre sur le comportement mécanique d'un matériau gonflant compacté dans la gamme des succions comprises entre 0 et 300 MPa. Pour atteindre cet objectif, deux types d'œdomètre à succion contrôlée, soit par la méthode osmotique, soit par la technique des solutions salines saturées, ont été utilisés, les œdomètres à solutions salines ayant entièrement été développés pour ce travail.Le support de l'étude est un matériau gonflant compacté. Les essais réalisés montrent en premier lieu que la pression de préconsolidation apparente atteint une valeur constante à partir de 38,5 MPa, dans le domaine des fortes succions. Par contre, la pente de compression plastique varie de manière non monotone en fonction de la succion appliquée. La variation de ces deux paramètres apparaît fortement liée à la structure initiale des éprouvettes. Par la suite, l'influence des sollicitations hydriques complexes a été étudiée, ce qui a permis de montrer que les résultats d'un essai sur un sol gonflant dépendent du chemin de contrainte hydrique même lorsqu'une humidification est réalisée en cours d'essai. L'interprétation de ces résultats dans le cadre des modèles de Barcelone a ensuite été proposée afin d'évaluer les possibilités de chacun des deux modèles existants. Le modèle de Barcelone pour sols gonflants nécessite, en outre, la réalisation d'essais comportant des cycles hydriques et au moins un essai à volume constant et à succion contrôlée.En conclusion, ce travail a permis la mise en œuvre, le développement et la validation de deux dispositifs expérimentaux à succion contrôlée. Ceci a rendu possible la caractérisation du comportement hydromécanique d'un sol gonflant compacté en fonction de différentes sollicitations hydriques.

In order to investigate the integration of preferential flow through macropores observed in compacted fine-textured soils, 3 different modeling approaches are developed. The first considers a homogeneous medium whose hydraulic properties are described by the Van Genuchten & Mualem' s formulation. The second is based on the double-porosity concept where the soil matrix and the macropores are treated as two different flow-domains presenting different hydraulic parameters and an exchange equation takes into account the interaction mechanism. The third assumes that the pore-size distribution and consequently, the water retention and hydraulic conductivity curves follow bimodal laws also described by Van Genuchten & Mualem's formulation. For each one of these approaches, a direct model simulating the vertical infiltration and an inverse procedure for parameter estimation are presented. The simulations of laboratory infiltration tests are confronted with the experimental data. This reveals that the double-porosity concept, while providing a more realistic description of the infiltration process in macroporous soils, is limited in practice, since the two-domain parameters estimation is shown to be complex. The more pragmatic approaches based on the integration of macropores effect in the soil hydraulic properties through unimodal and bimodal functions are shown to be more interesting. The parameter estimates obtained for these 2 approaches suggest that the pore-size distribution of compacted fine-textured soils varies between unimodal and bimodal laws depending on initial water-content and compaction procedure., Afin d'étudier l'intégration des écoulements préférentiels à travers les macropores observés dans les sols fins compactés, 3 approches de modélisation différentes sont développées. La première est celle d'un milieu homogène dont les propriétés hydrodynamiques sont décrites par la formulation de Van Genuchten & Mualem. La deuxième est basée sur le concept de la double porosité où la matrice du sol et les macropores sont traités comme deux domaines d'écoulement présentant des propriétés hydrauliques différentes, et un terme d'échange décrit leur interaction. La troisième suppose que la distribution dimensionnelle de la porosité du sol et par conséquent, les courbes de rétention et de conductivité hydraulique suivent des lois bimodales également décrites par la formulation de Van Genuchten & Mualem. Pour chacune de ces approches, un modèle direct simulant l'infiltration verticale et une procédure d'identification des paramètres par la méthode inverse sont présentés. Les résultats des simulations d'essais d'infiltration au laboratoire sont confrontés aux données expérimentales. Il en ressort que le concept de la double porosité, bien qu'il fournisse une description plus réaliste du processus d'infiltration dans les sols macroporeux, montre ses limites d'applicabilité étant donné que l'estimation de ses paramètres s'avère complexe. Les approches plus pragmatiques, basées sur l'intégration de l'effet hydraulique des macropores dans les propriétés hydrodynamiques du sol à travers les lois unimodale et bimodale, se sont montrées plus intéressantes. Les résultats de l'estimation des paramètres pour ces 2 approches, suggèrent que la distribution dimensionnelle des pores dans les sols fins compactés, varie entre les lois unimodale et bimodale et ce, en fonction de la teneur en eau et du mode de compactage.

Non disponible / Not available, Les argiles et les sols fins naturels ou compactés, grâce à leurs propriétés hydriques sont utilisés dans les sites de stockage souterrain, les centres d'enfouissement de déchets industriels et urbains. Ces milieux sont plus particulièrement exposés aux changements de volume (tassement ou gonflement) dus à des variations de la teneur en eau et/ou du chargement. La connaissance des caractéristiques hydriques des sols déformables partiellement saturés constitue un préalable pour pouvoir prévoir leur comportement hydromécanique. Cependant, les expériences de mesure de perméabilité et de diffusivité de ces milieux sont récentes et encore peu nombreuses tant pour les études in situ qu'en laboratoire. Dans ce travail, nous présentons des résultats pour deux types d'essais de laboratoire réalisés sur un mélange de bentonite et de limon de Xeuilley préparé par compactage semistatique. Nous avons conçu un nouveau perméamètre à paroi flexible pour évaluer la perméabilité des sols déformables. Ce perméamètre est constitué de deux cellules de diamètres différents qui s'emboîtent l'une dans l'autre ; ceci permet d'imposer la même pression dans les deux cellules simultanément et d'éliminer les variations de volume de la cellule lors des essais de mesure de perméabilité sous différents chemins de contrainte mécanique. Par ailleurs, un piston équipé à son extrémité d'un capteur de déplacement magnétique permet de suivre l'évolution du gonflement longitudinal. Comme il est préférable que les mesures des propriétés hydriques et mécaniques d'un milieu poreux soient réalisées avec des méthodes non destructives, la spectrométrie gamma double-source a été utilisée parallèlement. Cette technique permet d'évaluer simultanément la teneur en eau et la masse volumique sèche du milieu à tout instant, à différentes hauteurs de l'éprouvette de sol. L'identification des paramètres du modèle de diffusivité préalablement choisi s'effectue alors, par méthode inverse.

Not available, Prédire la vitesse d'écoulement des eaux polluées provenant des déchets stockés dans les décharges est nécessaire pour évaluer les risques de contamination de la nappe phréatique. Par ailleurs, l'étude des risques d'inondation après une période pluviale nécessite la quantification des flux d'eau infiltrés dans les sols naturels. Ceci exige la connaissance des propriétés hydrodynamiques du sol à l'état partiellement saturé. Ce travail s'intéresse à l'infiltration dans les sols fins non saturés, intacts et compactés, au laboratoire et in situ. Un dispositif de mesure en régime transitoire de la conductivité hydraulique est mis au point et développé au laboratoire. Il permet d'utiliser la méthode des profils instantanés par des mini-tensiomètres. Les résultats ont montré que sur les échantillons compactés, l'augmentation de la teneur en eau initiale du sol n'influence pas de façon significative la relation entre sa conductivité hydraulique et sa succion. Toutefois, elle réduit la vitesse d'infiltration ainsi que l'avancement du front d'humidification. Par ailleurs, l'augmentation de la densité du sol réduit sa conductivité hydraulique pour des faibles valeurs de succion. Les chemins d'écoulement préférentiels, crées dans les éprouvettes compactées dynamiquement, ont été analysés à l'aide d'un traceur. Un système de traitement d'images a permis de quantifier les paramètres influençant ce type d'écoulement. Le perméamètre de Guelph a été utilisé dans des campagnes d'étude in situ et au laboratoire. Il a été modifié et adapté aux sols fins très peu perméables. Les valeurs de coefficient de conductivité hydraulique sont plus petites au laboratoire que in situ. En parallèle, les résultats obtenus expérimentalement ont été comparés à ceux prédits par différents modèles analytiques ; la courbe de rétention est très bien ajustée par le modèle de Fredlund et Xing, par contre la conductivité obtenue par ce modèle sous-estime les valeurs expérimentales

Not available, Prédire la vitesse d'écoulement des eaux polluées provenant des déchets stockés dans les décharges est nécessaire pour évaluer les risques de contamination de la nappe phréatique. Par ailleurs, l'étude des risques d'inondation après une période pluviale nécessite la quantification des flux d'eau infiltrés dans les sols naturels. Ceci exige la connaissance des propriétés hydrodynamiques du sol à l'état partiellement saturé. Ce travail s'intéresse à l'infiltration dans les sols fins non saturés, intacts et compactés, au laboratoire et in situ. Un dispositif de mesure en régime transitoire de la conductivité hydraulique est mis au point et développé au laboratoire. Il permet d'utiliser la méthode des profils instantanés par des mini-tensiomètres. Les résultats ont montré que sur les échantillons compactés, l'augmentation de la teneur en eau initiale du sol n'influence pas de façon significative la relation entre sa conductivité hydraulique et sa succion. Toutefois, elle réduit la vitesse d'infiltration ainsi que l'avancement du front d'humidification. Par ailleurs, l'augmentation de la densité du sol réduit sa conductivité hydraulique pour des faibles valeurs de succion. Les chemins d'écoulement préférentiels, crées dans les éprouvettes compactées dynamiquement, ont été analysés à l'aide d'un traceur. Un système de traitement d'images a permis de quantifier les paramètres influençant ce type d'écoulement. Le perméamètre de Guelph a été utilisé dans des campagnes d'étude in situ et au laboratoire. Il a été modifié et adapté aux sols fins très peu perméables. Les valeurs de coefficient de conductivité hydraulique sont plus petites au laboratoire que in situ. En parallèle, les résultats obtenus expérimentalement ont été comparés à ceux prédits par différents modèles analytiques ; la courbe de rétention est très bien ajustée par le modèle de Fredlund et Xing, par contre la conductivité obtenue par ce modèle sous-estime les valeurs expérimentales

Not available, Les caractéristiques hydriques des sols fins compactés conduisent à les utiliser comme barrière hydraulique afin de limiter les échanges avec le milieu naturel. La mise au point d'un dispositif expérimental a permis de montrer l'action combinée des différents paramètres hydriques et mécaniques sur le comportement hydrodynamique des sols fins compactés. Les résultats portent sur la mise en évidence de l'influence des conditions d'exécution des essais (gradient hydraulique, confinement, chargement axial, dimensions des éprouvettes, type de perméamètre et durée de l'essai), et des paramètres liés à la nature et à la préparation du sol (teneur en eau, énergie et mode de compactage, dimensions des mottes, lien entre les couches). Parmi les trois méthodes de compactage utilisées dans cette étude, le compactage par pétrissage est celui qui a donné les plus faibles valeurs de perméabilité. Ces travaux ont montré que la taille des mottes à un effet considérable sur la perméabilité des sols fins compactés du coté sec. Par ailleurs, l'existence des écoulements préférentiels le long de l'interface sol-membrane flexible a pu être démontrée à l'aide d'un traceur, une pression de confinement importante est nécessaire pour les éliminer. L’effet d'échelle a été interprété par un modèle probabiliste montrant la variation de la perméabilité moyenne d'un ensemble de couches en fonction de la probabilité d'existence d'une couche peu perméable. Ce travail nous a conduit de proposer d'une part, des améliorations de la procédure d'essai permettant la détermination de la perméabilité à saturation au laboratoire et d'autre part, des recommandations pratiques pour la conception et la réalisation des systèmes étanches

Not available, Les caractéristiques hydriques des sols fins compactés conduisent à les utiliser comme barrière hydraulique afin de limiter les échanges avec le milieu naturel. La mise au point d'un dispositif expérimental a permis de montrer l'action combinée des différents paramètres hydriques et mécaniques sur le comportement hydrodynamique des sols fins compactés. Les résultats portent sur la mise en évidence de l'influence des conditions d'exécution des essais (gradient hydraulique, confinement, chargement axial, dimensions des éprouvettes, type de perméamètre et durée de l'essai), et des paramètres liés à la nature et à la préparation du sol (teneur en eau, énergie et mode de compactage, dimensions des mottes, lien entre les couches). Parmi les trois méthodes de compactage utilisées dans cette étude, le compactage par pétrissage est celui qui a donné les plus faibles valeurs de perméabilité. Ces travaux ont montré que la taille des mottes à un effet considérable sur la perméabilité des sols fins compactés du coté sec. Par ailleurs, l'existence des écoulements préférentiels le long de l'interface sol-membrane flexible a pu être démontrée à l'aide d'un traceur, une pression de confinement importante est nécessaire pour les éliminer. L’effet d'échelle a été interprété par un modèle probabiliste montrant la variation de la perméabilité moyenne d'un ensemble de couches en fonction de la probabilité d'existence d'une couche peu perméable. Ce travail nous a conduit de proposer d'une part, des améliorations de la procédure d'essai permettant la détermination de la perméabilité à saturation au laboratoire et d'autre part, des recommandations pratiques pour la conception et la réalisation des systèmes étanches

Not available, Ce mémoire présente une étude expérimentale effectuée au laboratoire permettant de caractériser le gonflement des sols fins par deux approches distinctes. La première approche consiste à étudier les paramètres de gonflement (taux et pression de gonflement) d'une manière classique. La seconde réside en l'étude du gonflement du sol à l'état non saturé sous des conditions de succion contrôlée. Une étude comparative des différentes méthodes de mesure du taux et de la pression de gonflement à l'appareil dométrique et à l'appareil triaxial par approche classique est réalisée sur une bentonite compactée. L’influence du mode et de la durée de chargement dométrique est également évaluée. La déformabilité de deux types de sol gonflant et non gonflant, sous des conditions hydriques contrôlées sans chargement est étudiée. La pression négative dans le sol (succion) est imposée soit directement soit par paliers dans les dessiccateurs sous vide. L’influence de la teneur en eau initiale sur les déformations volumiques est également examinée. Un domètre osmotique pouvant appliquer une succion maximale de l'ordre de 1500 kPa et une contrainte mécanique de l'ordre de 2000 kPa est utilisé afin d'évaluer la pression de gonflement et le taux de gonflement sous des chemins de contraintes différentes. Les résultats de ces essais ont été traités afin de déterminer les paramètres du modèle proposé par Alonso et al. Dans le cadre des sols gonflants non saturé pour décrire et simuler leur comportement volumique à différents niveaux de contraintes hydriques et mécaniques

Not available, La présente étude à pour but de faire globalement le point sur le problème du comportement mécanique des conduites enterrées. On s'attache à établir les liens entre les désordres constatés sur les conduites d'assainissement et les facteurs d'environnement, et à déterminer, au moyen d'une étude fiabiliste, les paramètres de dimensionnement du système sol-conduite qui peuvent contribuer le mieux et au moindre coût à l'amélioration de la robustesse de ces ouvrages. Nous procédons d'abord à un examen de la pathologie des conduites d'assainissement. Nous recensons les dégradations couramment observées et, grâce a une étude statistique sur un linéaire du réseau d'assainissement nancéien, nous établissons des relations entre des désordres constatés et certains facteurs d'environnement et paramètres de dimensionnement. Nous nous intéressons ensuite à la modélisation du comportement mécanique des conduites enterrées. Une étude paramétrique nous permet de faire ressortir les facteurs d'environnement et les paramètres de dimensionnement qui ont l'influence la plus marquée sur le comportement mécanique du système sol-conduite. L’influence des paramètres de dimensionnement est à nouveau examinée dans la troisième étape de l'étude. On estime l'indice de fiabilité des conduites enterrées, dans des conditions de pose et de chargement aléatoires. Parmi ces paramètres, on recherche ceux qui ont l'influence la plus significative sur cet indice. Ce sont les facteurs de robustesse. On met ainsi notamment en évidence l'importance, du point de vue de la sécurité, de facteurs comme la profondeur de pose, les dimensions de la conduite ou le degré de flexibilité des joints. Dans la dernière partie, nous proposons les grandes lignes d'une méthodologie basée sur la théorie de la décision, et orientée à améliorer la fiabilité des conduites d'assainissement. Les facteurs de robustesse mis en évidence déterminent les actions possibles. Le facteur économique est pris en compte pour définir, avec le facteur technique, la meilleure action à entreprendre

Not available, Ce mémoire présente une étude expérimentale effectuée au laboratoire permettant de caractériser le gonflement des sols fins par deux approches distinctes. La première approche consiste à étudier les paramètres de gonflement (taux et pression de gonflement) d'une manière classique. La seconde réside en l'étude du gonflement du sol à l'état non saturé sous des conditions de succion contrôlée. Une étude comparative des différentes méthodes de mesure du taux et de la pression de gonflement à l'appareil dométrique et à l'appareil triaxial par approche classique est réalisée sur une bentonite compactée. L’influence du mode et de la durée de chargement dométrique est également évaluée. La déformabilité de deux types de sol gonflant et non gonflant, sous des conditions hydriques contrôlées sans chargement est étudiée. La pression négative dans le sol (succion) est imposée soit directement soit par paliers dans les dessiccateurs sous vide. L’influence de la teneur en eau initiale sur les déformations volumiques est également examinée. Un domètre osmotique pouvant appliquer une succion maximale de l'ordre de 1500 kPa et une contrainte mécanique de l'ordre de 2000 kPa est utilisé afin d'évaluer la pression de gonflement et le taux de gonflement sous des chemins de contraintes différentes. Les résultats de ces essais ont été traités afin de déterminer les paramètres du modèle proposé par Alonso et al. Dans le cadre des sols gonflants non saturé pour décrire et simuler leur comportement volumique à différents niveaux de contraintes hydriques et mécaniques

Not available, Les schistes carton sont constitués par des marnes feuilletées d'apparence schisteuse et fortement surconsolidées. À l'état sain ils sont très compacts. À l'état altéré, ils deviennent très friables et se transforment en argile très plastique. Cette altération provoque deux types de problèmes en géotechnique: la stabilité des pentes et les désordres causés par le gonflement. L’altération et le gonflement des schistes carton s'effectuent en deux phases: la première phase d'altération par fissurations, provoque des gonflements indépendants de la présence des minéraux argileux et des déchargements. Les fissurations par rupture de liens interparticules sont dues aux pressions capillaires et se produisent lorsque la valeur de succion appliquée dépasse celle de la pression d'entrée d'air du matériau. Ce phénomène, mis en évidence lors de la dessiccation du matériau, prend toute son ampleur lors des restaurations ultérieures. Des essais cycliques d'humidification-dessiccation nous ont permis de reproduire les phénomènes observes in-situ. L’étude de gonflement aboutit à la proposition d'un modèle restreint pour le gonflement du matériau. Une caractérisation de ses propriétés hydrauliques lors du séchage a été également mise en œuvre dans le but de connaitre l'évolution d'un front de dessiccation lors de travaux de déblayage. La deuxième phase d'altération est due à des transformations minéralogiques. L’oxydation de la pyrite en est la principale ; elle peut s'effectuer chimiquement en présence d'oxygène. Cependant, la présence des bactéries Thiobacilles ferrooxydans augmente considérablement la vitesse d'oxydation. Cette oxydation produit de l'acide sulfurique et des sulfates de fer ferriques qui attaquent d'autres minéraux pour former du gypse, de la jarosite et de la goethite. Ceci provoque à nouveau un gonflement et une dégradation du matériau

Not available, Les schistes carton sont constitués par des marnes feuilletées d'apparence schisteuse et fortement surconsolidées. À l'état sain ils sont très compacts. À l'état altéré, ils deviennent très friables et se transforment en argile très plastique. Cette altération provoque deux types de problèmes en géotechnique: la stabilité des pentes et les désordres causés par le gonflement. L’altération et le gonflement des schistes carton s'effectuent en deux phases: la première phase d'altération par fissurations, provoque des gonflements indépendants de la présence des minéraux argileux et des déchargements. Les fissurations par rupture de liens interparticules sont dues aux pressions capillaires et se produisent lorsque la valeur de succion appliquée dépasse celle de la pression d'entrée d'air du matériau. Ce phénomène, mis en évidence lors de la dessiccation du matériau, prend toute son ampleur lors des restaurations ultérieures. Des essais cycliques d'humidification-dessiccation nous ont permis de reproduire les phénomènes observes in-situ. L’étude de gonflement aboutit à la proposition d'un modèle restreint pour le gonflement du matériau. Une caractérisation de ses propriétés hydrauliques lors du séchage a été également mise en œuvre dans le but de connaitre l'évolution d'un front de dessiccation lors de travaux de déblayage. La deuxième phase d'altération est due à des transformations minéralogiques. L’oxydation de la pyrite en est la principale ; elle peut s'effectuer chimiquement en présence d'oxygène. Cependant, la présence des bactéries Thiobacilles ferrooxydans augmente considérablement la vitesse d'oxydation. Cette oxydation produit de l'acide sulfurique et des sulfates de fer ferriques qui attaquent d'autres minéraux pour former du gypse, de la jarosite et de la goethite. Ceci provoque à nouveau un gonflement et une dégradation du matériau

Not available, Devant la diminution des ressources en matériaux d'origine alluvionnaire qui constituent l'essentiel des matériaux exploités en génie civil, il convient de mettre en place des solutions de remplacement. Les roches carbonatées pourraient certainement fournir les quantités nécessaires si nous avions une meilleure connaissance du comportement de ces matériaux. Dans ce sens le présent travail constitue une contribution à l'étude du comportement mécanique de trois types de granulats calcaires de la région lorraine. Nous avons commence par une étude bibliographique dans laquelle nous évoquons les approches utilisées en mécanique des sols pour étudier les milieux pulvérulents d'une façon générale. Quelques aspects fondamentaux du comportement rhéologique de ces matériaux sont analyses ainsi que les principales théories utilisées pour modéliser le comportement de ces milieux. Ensuite, dans une partie expérimentale, après avoir décrit et caractérisé nos granulats calcaires, de dureté et de granulométrie différentes, nous avons étudié leur comportement à partir d'essais en compression unidimensionnelle frette, d'essais en compression triaxiale et d'essais à la boite de cisaillement en condition consolidée et surconsolidée. Enfin, dans une troisième partie, partant d'un modèle basé sur l'elastoplasticité non standard, et valide jusqu'a présent uniquement sur du sable, nous avons pu reproduire de façon satisfaisante les principaux résultats des essais triaxiaux réalisés sur ces matériaux, en faisant preuve toutefois d'une certaine prudence vis-à-vis de quelques hypothèses du modèle