Effets des fines sur le comportement hydro-thermique des sols sableux lors de la congélation

Effects of fines on the hydro-thermal behavior of sandy soils in the context of artificial ground freezing

• Auteur / Autrice : Quoc Hung Vu
• Direction : Anh-Minh Tang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Farimah Masrouri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Rouabhi, Francesca Casini, Anh-Minh Tang, Jean-Michel Pereira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ahmed Rouabhi, Francesca Casini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conductivité thermique

Mesures physiques

Fines

Thermohydraulique

Sols -- Gel

Mots clés libres

Couplage hydro-Thermique

Technique de congélation des terrains

Succion cryogénique

Teneur en fines

Hydro-Thermal coupling

Artificial ground freezing

Cryosution

Fines content

Résumé

L'effet de la teneur en fines sur le comportement thermo-hydraulique des sols saturés dans le processus de gel-dégel est étudié par différentes approches : mesure au laboratoire sur des éprouvettes de sol à l'échelle du volume élémentaire représentatif, modélisation physique en modèle réduit et calculs numériques. Des sols avec cinq différentes teneurs en fines (0%, 5%, 10%, 15%, 20%) en masse sèche ont été utilisés pour l'étude avec toutes les approches mentionnées ci-dessus.Tout d'abord, les propriétés thermo-hydrauliques des sols avec différentes teneurs en fines, y compris la teneur en eau non gelée et la conductivité thermique à différentes températures négatives, sont mesurées pendant un cycle de gel/dégel. Les résultats montrent non seulement une boucle d'hystérésis claire dans les relations entre la température et les propriétés thermo-hydrauliques, mais aussi la dépendance des températures caractéristiques de congélation du sol par rapport à la teneur en fines. À une température donnée et une teneur en fines plus élevée, la teneur en eau non gelée du sol est plus élevée alors que la température de nucléation spontanée est plus basse. Autrement, à l’état congelé, avec une faible diminution de la teneur en eau non gelée, la conductivité thermique du sol augmente considérablement dans la petite gamme de température négative proche de 0°C. Pour comparer le comportement du sol saturé dans le processus de gel-dégel avec celui du sol non saturé dans le processus de séchage-mouillage, des expériences de séchage-mouillage et de porosimétrie par intrusion de mercure ont été menées afin d'étudier les relations entre la teneur en eau, la succion et la conductivité thermique. D'une part, les similitudes et les différences entre la teneur en eau (non gelée) des sols et la (cryo)succion dans ces deux processus sont observées sur la base de l'équation de Clausius-Clapeyron. D'autre part, la conductivité thermique des sols dans ces deux processus est comparée avec certains modèles existants appropriés. Des améliorations supplémentaires des modèles existants pour une meilleure prédiction de la conductivité thermique du sol doivent être menés à l’avenir.Deuxièmement, le comportement thermo-hydraulique des cinq sols a été étudié dans un modèle physique simulant la congélation artificielle du sol. Le processus de congélation des sols avec différentes vitesses d'écoulement de l'eau est étudié. L'effet de la teneur en fines dans le processus de congélation à l'échelle du modèle physique est analysé. La nature imperméable de la couche de sol gelé n’est pas influencée par la teneur en fines. Cependant, le retarde temporel de la formation de zone gelée est dominée par la teneur en fines en raison des conductivités hydrauliques différentes.Troisièmement, les travaux expérimentaux sur le modèle réduit sont complétés par les calculs numériques utilisant la méthode des éléments finis. Cette approche est d'abord validée par les résultats de la modélisation physique avant d'être utilisée pour prédire le comportement du sol dans des travaux de congélation artificielle du sol en vraie grandeur. En présence d’un écoulement d’eau, l’effet de la teneur en fines sur le processus de congélation est considérablement en raison de la diminution de l’épaisseur minimale de la couche congelée.

The effect of fines content on thermo-hydraulic behaviour of saturated soils in the freezing-thawing process is investigated by various approaches: laboratory measurement on soil specimens at the representative element volume scale, physical and numerical modelling of artificial ground freezing technique. Soils with five different fines contents (0%, 5%, 10%, 15%, 20%) in dry mass were used for the purpose of the study along with all aforementioned approaches.Firstly, thermo-hydraulic properties of soils with different fines contents, including unfrozen water content and thermal conductivity at various sub-zero temperatures, are measured during a freezing/drawing cycle. The results show not only a clear hysteresis loop in the relationships between temperature and these thermo-hydraulic properties but also the dependence of soil freezing characteristic temperatures on fines content. For a given soil temperature, at a higher fines content, unfrozen water content in soil is higher while spontaneous nucleation temperature is lower. Otherwise, at frozen state, with small decreasing unfrozen water content, thermal conductivity of soil increases considerably in the small negative temperature range close to 0°C. To compare the behaviour of saturated soil in the freezing-thawing process with that of unsaturated soil in the drying-wetting process, drying-wetting experiments and mercury intrusion porosimetry were conducted in order to investigate relationships between water content, suction and thermal conductivity. On the one hand, similarities and differences between the (unfrozen) water content of soils and (cryo)suction in these two processes are observed based on Clausius-Clapeyron equation. On the other hand, the thermal conductivity of soils in these two processes is compared with some appropriate existing models.Secondly, the thermo-hydraulic behaviour of the five soils was investigated in a physical model simulating artificial ground freezing using freezing pipes in tunnel construction. The process of freezing soils with different water flow velocities is investigated. The effect of fines content on the freezing process at the scale of the physical model is analysed. Impermeable nature of frozen soil layer is not influenced by fines content. However, the time delay of formation of the layer is dominated by fines content due to different hydraulic conductivities.Thirdly, experimental work of physical modelling is completed with numerical simulation by using the finite element method. This approach is first validated with the results of physical modelling prior to being used to predict the ground behaviour in full-scale artificial ground freezing works. In the presence of water seepage flow, the effect of fines content on freezing process is considerable high because of lowering minimum thickness of frozen layer.