Multi-scale charaterisation of the hydro-mechecanical behaviour of unsaturated sand : water retention and triaxial responses

par Ghonwa Khaddour

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Jacques Desrues et de Simon Salager.

Le président du jury était Félix Darve.

Le jury était composé de Jacques Desrues, Simon Salager, Jean-Michel Pereira, Bertrand François.

Les rapporteurs étaient Antonio Gens, Fabien Cherblanc.

  • Titre traduit

    La caractérisation multi-échelle du comportements hydro-mécanique d'un sable non saturé : la réponse de rétention d'eau et triaxial


  • Résumé

    Avec les récents développements des mesures de champs, il est devenu possible deréaliser des expériences sur un échantillon de sol en effectuant des mesures simultanémentaux différentes échelles pertinentes : celle de l'échantillon, et celle des grains, et ceci en3D volumique. Ces progrès ont permis une meilleure compréhension des processus qui seproduisent dans le sol, en les observant au cœur même des échantillons.Cette thèse vise à caractériser les comportements de rétention d'eau et hydro-mécaniquedu sable d'Hostun non saturé à l'échelle du grain. Pour ce faire, des essais de rétentiond'eau et des essais triaxiaux ont été effectués, qui ont nécessité le développement d'outils detraitement d'image et des montages expérimentaux spécifiques. L'installation de tomographie à rayons X du Laboratoire 3SR de l'Université des Grenoble a été utilisée pour générer des images en 3D de la microstructure du sol non saturé. Une technique de trinarization a été mise en œuvre pour permettre la séparation des phases (les grains, l'eau et l'air) dans les images 3D, et d'effectuer différentes mesures à l'échelle du grain. La porosité et le degré de saturation ont été mesurées macroscopiquement en utilisant les images segmentées, et microscopiquement en utilisant un code de cartographie spécialement développé. Les mesures microscopiques ont été réalisées sur un volume élémentaire représentatif (VER), dont la taille a été déterminée en utilisant une analyse développée sur la base d'outils statistiques. Plusieurs analyses discrets ont été développées pour étudier l'évolution de la phase fluide (l'eau et l'air) avec le chargement (succion, et chargement mécanique). La corrélation d'images numérique 3D volumique a été mise en œuvre systématiquement pour ces deux types d'essais.Pour analyser le comportement de rétention d'eau du sable d'Hostun pendant les processus de séchage et de mouillage, une cellule spécifique a été développée. La succion a été appliquée en utilisant la technique de tensiomètre. L'échantillon (cylindrique 1x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau et scanné avec une résolution de 7,5micron. La courbe de rétention d'eau, surface et les domaines hydriques ont été obtenus et le phénomène d'hystérésis et la cohésion du sol ont été analysés à l'échelle du grain.Pour le comportement hydro-mécanique des sols non saturés, des essais triaxiaux ontété effectué sous trois conditions: saturé drainé, non saturé drainé et non saturé non drainé. Un appareil triaxial que l'on peut placer à l'intérieur de la cabine du tomographe à rayons X a été développé afin de permettre le suivi des changements dans la microstructure du sable et la distribution de l'eau lorsque l'on soumet l'échantillon à chargement mécanique. L'échantillon (cylindre de dimensions hxd=2x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau (complétement saturé au début des trois tests), amené ensuite au niveau de saturation désiré (dans le cas des essais non saturés), puis chargé par étapes successives avec scan à chaque étape avec une résolution de 13micron, jusqu'à arriver à 21% de déformation axiale pour les trois types d'essai. Les courbes contrainte-déformation, la réponse volumétrique et les déformations ont été obtenus et le profil de déformation, l'hétérogénéité de l'échantillon, la cohésion et la distribution de l'eau ont été analysés.


  • Résumé

    With the recent developments of full field measurements, it has become possible to do experiments on a soil specimen, and perform measurements at different scales. This progress has allowed greater understanding for all the processes that occur within the soil, and also created better environment to observe these mechanisms in 3D. This PhD work aims to characterize water retention and hydro-mechanical behaviours of unsaturated Hostun sand at the grain scale. To achieve this goal, water retention and triaxial tests were performed and a set of experimental and image processing tools was developed and used for the two series of tests. X-ray computed tomography set up available at 3SR Laboratory in Grenoble University was used to generate 3D images of the unsaturated soil microstructure non-destructively. A developed region growing systematic technique (trinarization technique) was used to allow the separation of the phases (i.e., grains, water and air) in the 3D images, and performing different measurements at the grain scale. Porosity and degree of saturationwere measured macroscopically using the trinarized images and microscopically using a developed mapping code. The microscopic measurements were performed over an REV, whose size was determined using a developed analysis based on statistical tools. Several microscopic-discrete analyses were developed to investigate the evolution of fluid phase (water and air) with loading (suction and mechanical loading). Digital Image Correlation was performed for the two tests.To analyze water retention behaviour of Hostun sand during drying and wetting processes, a pressure plate apparatus was developed. Suction was applied using tensiometry technique. The specimen (cylindrical 1x1cm) was prepared using water pluviation technique and scanned with a resolution 7.5micron. As a result, water retention curve, surface and domains were obtained and hysteresis phenomenon and soil cohesion were analyzed at the grain scale.For the mechanical behaviour of unsaturated soils, triaxial test were performed at three conditions: saturated drained, unsaturated drained and unsaturated undrained. A triaxial apparatus that can be placed inside the x-ray cabinet was developed in order to facilitate monitoring the changes in sand microstructure and water distribution when subjecting the soil specimen to loading. The specimen (cylinder of hxd=2x1cm) was prepared using water pluviation technique (completely saturated at the beginning of the three tests), loaded then scanned with a resolution 13micron, repeatedly till reaching 21% axial strain forthe three tests.Consequently, stress-strain curves, volumetric response and deformations measurements were obtained and deformation pattern, specimen heterogeneity, cohesion and water distribution were analyzed.


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