Étude expérimentale et modélisation numérique des interactions hydro-mécaniques entre sol et racines

Experimental Study and Numerical Modelling of Soil-Roots Hydro-Mechanical Interactions

• Auteur / Autrice : Alessandro Fraccica
• Direction : Thierry Fourcaud, Enrique Romero
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ecologie fonctionnelle
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Universitat politècnica de Catalunya - BarcelonaTech
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMAP - Laboratoire de modélisation mathématique et d'architecture des plantes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Alberto Ledesma
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Fourcaud, Enrique Romero, Alberto Ledesma, Cristina Jommi, Slobodan Mickovski, Evelyne Kolb, Loïc Brancheriau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cristina Jommi, Slobodan Mickovski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Racines (botanique)

Biotechnologie

Relations plante-sol

Cynodon dactylon

Mots clés libres

Sol et racines

Multi-échelle

Bio-ingénierie

Résistance au cisaillement

Déformations

Distribution de taille de pores

Soil and roots

Multi-Scale

Bio-Engineering

Shear strength

Deformations

Pore size distribution

Résumé

La thèse vise à caractériser le comportement multi-échelles et hydromécanique du sable silteux pénétré par des racines de Cynodon Dactilon. L'étude permettra d’évaluer l'impact de la végétation sur ce sol compacté utilisé dans un remblai expérimental en extérieur. La littérature s'accorde à dire que les racines améliorent les propriétés de résistance au cisaillement du sol, tandis que des résultats contrastés ont été obtenus en ce qui concerne leur effet sur le comportement hydraulique. De plus il existe peu d'information sur la façon dont les racines affectent la microstructure du sol et leurs conséquences à l'échelle macroscopique. Un protocole de compactage du sol et de croissance de racines a été suivi pour la préparation de tous les échantillons testés. Le sol a été légèrement compacté, mouillé pour favoriser la croissance des plantes, puis séché jusqu'à différents états hydrauliques. Les plantes et la densité d'ensemencement ont été les mêmes que ceux utilisés dans le remblai. Plusieurs techniques ont été exploitées pour évaluer les caractéristiques géométriques et mécaniques des racines.Des essais de cisaillement tri-axial et direct ont été effectués avec des équipements de grande dimension dans des conditions saturées et partiellement saturées. Différentes réponses de contrainte-déformation ont été observées pour le sol végétalisé à différents états hydrauliques, en raison de différents mécanismes de rupture des racines. Les résultats ont été interprétés à l'aide de plusieurs lois de comportement pour les sols partiellement saturés afin de tenir compte des variables d'état et de stress. Des déformations de compression plus importantes lors du cisaillement ont été observées sur des échantillons avec racines. Les racines ont généré une augmentation de la cohésion du sol. Ces observations ont été confirmées par des essais de traction directe effectués à différents stades de croissance des racines. Une loi de comportement a été proposée pour prédire l'augmentation de la cohésion en connaissant les propriétés des racines et l'état hydraulique du sol. En ce qui concerne le comportement hydraulique, les racines ont induit une augmentation de la perméabilité saturée en eau du sol et une diminution de la capacité de rétention à mesure que le volume des racines augmentait. La tomographie microCT et la porosimétrie par intrusion de mercure ont été effectuées à différents états hydrauliques du sol sur des échantillons avec racines pour obtenir des informations sur les changements de la microstructure du sol. L'information reconstruite à partir des deux techniques a montré que les racines augmentaient généralement les macropores (plus de 100 micromètres) en raison de phénomènes de fissuration et des interfaces sol-racine tout en réduisant les pores plus petits (moins de 5 micromètres) en raison du colmatage dû au mucilage. L'ouverture des fissures a été augmentée par le retrait simultané du sol et des racines lors du séchage. Les altérations générées par la croissance des racines sur la structure du sol ont permis d'expliquer les différentes réponses hydrauliques du sol et aussi son changement de volume. Un bon accord entre le volume des fissures et le volume des racines a été trouvé et a permis de calibrer et de valider un modèle capable de prédire les propriétés de rétention d'eau et les valeurs de perméabilité du sol à partir des changements micro-structurels observés.Les résultats ont été utilisés pour simuler l'effet de différentes périodes de croissance des plantes sur le comportement hydromécanique du remblai lors d'une chute de pluie. Les pentes végétalisées sont restées stables tout au long de la simulation, même complètement saturées, grâce au renforcement mécanique des racines. Néanmoins, la perméabilité plus élevée dans le sol végétalisé a eu une conséquence négative, qui a été mise en évidence par une baisse drastique du facteur de sécurité de stabilité de la pente aux premiers stades de l'événement hydraulique.

The thesis is aimed at characterising the multi-scale and hydro-mechanical behaviour of lightly compacted silty sand penetrated by a turf-grass (Cynodon Dactilon). The study will allow better assessing the impact of vegetation on this compacted soil that has been used in an experimental and fully-instrumented embankment.The literature agrees that roots are enhancing soil shear strength properties while contrasting results have been found in terms of soil hydraulic behaviour. Moreover, there is a lack of information on how roots affect soil microstructure and its consequences at the macroscopic scale (soil hydraulic behaviour, volume change and shear strength properties).A protocol for soil compaction and roots growth was followed for preparing all the tested samples. The soil was lightly compacted, wetted under unconfined conditions to favour plant growth, and then dried up to different hydraulic states. The same soil, plant and seeding density used in the monitored embankment were adopted. Several techniques were exploited to characterise roots geometrical and mechanical features.Large cell triaxial and direct shear tests were performed under saturated and partially saturated conditions. Different stress-strain responses were observed in the vegetated soil at different hydraulic states, due to different roots failure mechanisms and to the combination of water availability and the suction within the soil. Results were interpreted with several constitutive stress expressions for partially saturated soils to consider these state and stress variables. Larger compression deformations on shearing were systematically observed on rooted samples. Roots slightly affected the friction angle but generated an increase in soil cohesion. These observations were confirmed by direct tensile tests performed at different roots growth stages and hydraulic states. A constitutive expression was proposed to predict the increase in cohesion knowing the properties of roots and the soil hydraulic state.Concerning the hydraulic behaviour, roots induced a systematic increase in soil water-saturated permeability. Water retention properties were also affected, with a decrease in the retention capacity as roots volume increased. Micro-CT tomography and mercury intrusion porosimetry were carried out at different soil hydraulic states on samples including plant individuals; to obtain information about changes in soil microstructure. Reconstructed information from the two techniques showed that roots were generally increasing macropores (larger than 100 micrometres) due to fissuring and soil-root interface phenomena while reducing smaller pores (below 5 micrometres) due to mucilage clogging. The opening of fissures was enhanced on concurrent soil and roots shrinkage upon drying. The alterations generated by roots growth on the soil structure allowed explaining not only the different soil hydraulic responses but also the soil volume change behaviour. A good agreement between the volume of fissures and the volume of roots was found and allowed calibrating and validating a model able to predict the soil water retention properties and permeability values based on the microstructural changes observed.Results were used to simulate the effect of different periods of plants growth on the hydro-mechanical behaviour of the monitored embankment during a rainfall event. The vegetated slopes remained stable throughout the simulation, even when completely saturated, thanks to the mechanical reinforcement of the roots. Nevertheless, the higher permeability within the vegetated soil had a negative consequence, which was evidenced by a drastic drop in the slope stability safety factor at the early stages of the hydraulic event.