Mechanical behaviour of compacted earth with respect to relative humidity and clay content : experimental study and constitutive modelling

par Longfei Xu

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Henry Kwai-Kwan Wong et de Antonin Fabbri.

Le président du jury était Philippe Cosenza.

Le jury était composé de Mathilde Morvan, Annan Zhou.

Les rapporteurs étaient Philippe Cosenza, Jean-Michel Pereira.

  • Titre traduit

    Comportement mécanique de la terre compactée par rapport à l'humidité relative et à la teneur en argile : étude expérimentale et modélisation constitutive


  • Résumé

    La terre compactée est considérée comme un mélange granulaire dans lequel l'argile joue un rôle de liant mais cette dernière exhibe une forte interaction avec l'eau. Pendant la durée de vie en service, la terre compactée est soumise aux changements de l’humidité relative. En raison de ces changements des conditions ambiantes perpétuels, la teneur en eau dans la terre varie, impactant leur performance mécanique. Le présent travail a ainsi pour but d’étudier l’impact de l’humidité relative et de la teneur d'argile sur le comportement mécanique de la terre compactée. Il se réalisera au travers d’études expérimentales et d'une modélisation constitutive. Dans la première partie de cette thèse, quatre terres régionales de provenances et de teneurs d'argile différentes sont identifiées. Une étude comparative a été réalisée entre le double compactage statique et le compactage dynamique. En parallèle, trois types d'essais spécifiques : essais de succion par la méthode de papier-filtre, essais de retrait et essais d'absorption d'eau, ont été menés pour donner des indications préliminaires quant aux effets d'interaction entre l'eau et l'argile. Dans la deuxième partie, l’impact de l’humidité relative et de la teneur d'argile sur le comportement de cisaillement a été étudié, prenant en compte des cycles de chargement-déchargement. En adoptant une définition particulière de la contrainte effective de Bishop, il a également été observé que les états de rupture dans le plan (p'-q) pour tous les échantillons sont alignés approximativement à une ligne droite unique passant par l'origine, quelque soit la succion et la pression de confinement. Sur la base des résultats expérimentaux, un nouveau modèle constitutif a été développé pour la simulation du comportement mécanique de la terre compactée. Ce nouveau modèle a ainsi été formulé dans la cadre de la mécanique de l'endommagement des milieux continus et de la théorie de Bounding Surface Plasticity.


  • Résumé

    Compacted earth is regarded as a granular mixture in which clay plays a role of binder but it also exhibits an important interaction with water. During their service life, compacted earth can be subject to large changes in relative humidity. Those perpetual changes of environmental conditions induce continuous changes of water content of the earth that impact significantly its mechanical performances. The present work aimes at studying the mechanical behavior of compacted earth with respect to relative humidity and clay content. It involves an extensive experimental study and a constitutive modelling. In the first part of this thesis, four kinds of local earth are identified with different clay contents. A comparison of compaction method was then conducted between a double static compaction and dynamic compaction. Three types of specific tests: suction test by filter paper method, shrinkage test and sorption-desorption test were carried out, thereby providing a preliminary insight on the interaction effects between clay and water. In the second part, the impact of clay and moisture contents on the shear behavior of compacted earth was investigated taking into account loading-unloading cycles. Adopting a particular definition of Bishop's effective stress, failure states of all samples were observed to lie approximately on a unique failure line crossing the origin in the (p'-q) plane regardless of matric suction and confining pressure. Finally, based on the above experimental results, a new constitutive model was proposed, based on the theories of Bounding Surface Plasticity and continuum damage mechanics, aiming to simulate mechanical behaviour of compacted earth.


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