Interaction sol-racines : effets sur la micro-structure du sol

Root-soil interaction : effects on soil micro-structure

• Auteur / Autrice : Floriana Anselmucci
• Direction : Luc Sibille, Chloé Arson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 17/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures, risques (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Oxarango
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Glyn Bengough, Barbara Mazzolai, Edward Andò
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Delenne, Alessandro Tarantino

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Mécanique des sols

Tomographie

Mots clés libres

Interaction sol-Racines

Tomographie rayons X

Mécanique des sols

Imagerie 3D

Déformation

Root-Soil interaction

X-Ray Computed Tomography

Soil mechanics

3D imaging

Deformation

Résumé

Cette thèse de doctorat présente une recherche expérimentale innovante sur la réponse mécanique du sable à la croissance des racines des plantes. L'interaction entre les racines et le sol est étudiée pour deux systèmes racinaires différents -- correspondant au maïs et au pois chiche -- et deux granulométries différentes du sable d’Hostun, dans deux états de porosité initiale.Un protocole est mis au point afin de créer des échantillons présentant une bonne répétabilité de leurs propriétés initiales, et représentatifs des interactions naturelles entre racines et sol. Deux campagnes expérimentales ont été conduites sur la base de séries d’échantillons comportant différentes plantes et différents états initiaux de sable. Une analyse 4D (3D + temps) de l'interaction est effectuée grâce à la tomographie à rayons X.Chaque échantillon est scanné en moyenne 7 fois, depuis le jour du semis jusqu'au 7e jour de développement du système racinaire. Un traitement d’image spécifique a été développé et appliqué aux images 3D reconstruites à partir des radiographies à rayons x. Ce traitement d’image permet entre autres d’identifier le système racinaire ainsi que les grains de sable, mais aussi de déterminer la teneur en eau locale du sol. Ainsi, un volume comportant quatre phases, représentatif du système sol-racines, est défini pour chaque état auquel un échantillon est imagé. Par ailleurs, en s’appuyant sur les images 3D en niveaux de gris, la cinématique du système est mesurée par application de corrélations d’images dites locales et discrètes.Les mesures de porosité locale (déduites des volumes à 4 phases) et les champs de déformation du sable (déduits des corrélations d’images) sont détaillés pour chaque configuration initiale du système sable-plante.Concernant l’impact de l’état initial du sable sur le développement des systèmes racinaires : la comparaison des différentes configurations montre, entre autres, que la densité du sable joue un rôle clef sur l’expansion du système racinaire, ceci pour les deux plantes considérées.Concernant la réponse du sable à la croissance des racines : le tenseur des déformations montre un cisaillement du sol lors de la croissance d’une racine. La zone cisaillée autour de la racine est plus large pour une plus faible densité initiale du sable. La détermination de la réponse volumique du sable à la croissance d’une racine, et sa dépendance à la densité du sol a aussi fait l’objet d’une attention particulière. Ainsi, dans la zone cisaillée, la sable présente une réponse purement dilatante pour les états initiaux les plus denses, alors que les états les plus lâches montrent un comportement contractant, particulièrement à distance de la racine. De telles réponses sont observées à la fois pour le maïs et le pois chiche. De plus, le comportement contractant, induit par le cisaillement à distance de la racine, est aussi confirmé pour les deux granulométries du sable pris dans l’état le plus lâche.

This PhD thesis presents an innovative experimental investigation on the mechanical response of sand to plant root growth.Root-soil interaction is investigated for two different root systems -- Maize and Chickpea -- and two different gradings of Hostun sand with two initial porosities.An original protocol is developed aiming to create samples with repetitive initial nominal properties and representative of the natural interaction.Two experimental campaigns were run on a series of samples with different sands and plants.A 4D (3D+time) analysis of the interaction is carried out by using x-ray Computed Tomography.For each sample, an average of 7 x-rays scans is performed, from the day of the seed sowing up to 7-days-old root system.An image processing technique has been developed and it is applied to the 3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scans. Through this image processing, the root system is identified, together with the sand grains and the water present in the system. Finally, a four-phased volume representative of the soil-root system can be defined for each state of the observed samples.Besides, from the 3D greyscale images of the samples, measurements of the kinematics of the system are obtained through local and discrete approaches of image correlation.Local sand porosity and deformations resulting from the four-phased volumes and the image correlations are detailed for one sample of each root-sand configuration.Regarding the impact of the initial sand state on the root system development, the comparison of the different configurations shows, among other things, that the sand density plays a key role on the expansion of the root system, for both plant species.Concerning the sand response to the root growth, the strain tensor computed with image correlation shows that a root shears the soil while growing and the sheared zone is wider when the initial bulk density is lower.This work focuses also on the determination of the sand volumetric response to root growth in the sheared zone and its dependency on the soil density.Sand response is purely dilatant for denser initial states, while the looser sand exhibits a contractant behaviour far from the root surface. Such a response is obtained in the case of both maize and chickpea. Moreover, the contractant behaviour induced by the shearing away from the root is confirmed also for both sand granulometries in a looser state.