Étude expérimentale de la fissuration hydrique d’un sol argileux

Experimental study of the desiccation cracking in a clay soil

• Auteur / Autrice : Zhengtian Yang
• Direction : Mahdia Hattab, Hanbing Bian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 21/04/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Fleureau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mahdia Hattab, Hanbing Bian, Saïd Taïbi, Moulay Saïd El Youssoufi, Stéphen Hedan, Xin Wei, Mohamad Jrad
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Saïd Taïbi, Moulay Saïd El Youssoufi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Corrélation d'images numériques

Fissuration

Dilatation et retrait

Séchage

Argile

Mots clés libres

Argile

Retrait

Fissuration

Corrélation d’images numérique

Courbe de rétention d’eau

Succion

Flexion à trois points

Clay

Shrinkage

Cracking

Digital image correlation

Water retention curve

Suction

Three-point bending

Résumé

L'objectif principal de cette étude expérimentale est de mieux comprendre et de caractériser le phénomène de retrait et le comportement de fissuration de l'argile pendant le séchage, et de mieux appréhender le mécanisme d'initiation et de propagation des fissures dans l'argile sous sollicitation hydrique. Le kaolin K13, qui est une argile kaolinite pure, a été considéré dans notre étude. La recherche est consacrée à deux parties principales, l'une concernant le retrait dû au séchage et l'autre la fissuration hydrique. Des études expérimentales sur le retrait dû au séchage sont menées pour déterminer les propriétés hydriques et le comportement mécanique du matériau étudié pendant le processus de dessiccation. Pour cela, les paramètres hydriques d'argile non saturée ayant différents niveaux de succion ont été mesurés par les essais au kerdane. L'essai est basé sur la mesure du volume solide d'un échantillon par déplacement liquide. La courbe de retrait et la courbe de rétention d’eau du matériau étudié ont été établies après ajustement des formules de Fredlund et de Van Genuchten à partir des résultats expérimentaux. Les déformations globales et locales de sont obtenues par le CIN-2D et CIN-3D. En fin, la teneur en eau locale et la succion locale de l'échantillon sont estimées à partir de la déformation volumique locale couplée à la courbe rétention eau et à la courbe de retrait du notre matériau. La deuxième partie de l'étude est consacrée à l'initiation et à la propagation des fissures sous dessiccation contrôlée d’une argile initialement saturé. Afin d’étudier les principaux facteurs influençant la fissuration et de comparer avec le retrait libre, le support semi-rugueux a été utilisé dans des essais de dessiccation contrôlé, de sorte que les fissures produites dans les différents échantillons ont été capturées par la CIN. Le développement des fissures a d'abord été quantifié par des études morphologiques et statistiques des fissures via logiciel Image-J. L’influence du chemin de séchage et du support de l’échantillon sur le comportement de la fissuration hydrique ont également été étudiés à échelle globale d’échantillon par la CIN. L'augmentation de la déformation mécanique au sein de l'échantillon, produite par l'effet de limitation du support sur la déformation de retrait, est l'une des principales causes de fissuration. La distribution des déformations locales, le phénomène de concentration des contraintes (à travers le développement des déformation locales), sont étudiées et analysées. Les fissures sont amorcées dans des zones de tension locales où la limite de traction du sol est dépassée. Le comportement de propagation de la fissuration est dû à la zone de contrainte en traction à la pointe de la fissure. Le mécanisme de fissuration est défini par l'étude de la direction principale de déformation. Les fissures observées se sont développées dans la direction horizontale des échantillons, avec peu d'effet de la déformation verticale sur leur apparition. Le mode de rupture est principalement du mode I. Des modes de rupture plus complexes, mixtes avec le mode I, existent également. L'étude du mécanisme de fissuration, notamment des fissures provoquées par la traction (mode I) a été approfondie par des essais de traction indirecte sur les poutrelles d'argile. Des poutres ayant différents niveaux de succion ont été soumises à une flexion à trois points, ce qui a provoqué des fissures de traction dans leur partie inférieure tendu. La résistance maximale et la flexion maximale à la fissuration et la déformation locale en traction liée à la fissuration sont étudiées, ainsi que l'effet de la succion sur la résistance des argiles non saturés.

The main objective of this experimental study is to better understand and characterize the shrinkage phenomenon and the cracking behavior of clay during drying, and to better understand the mechanism of crack initiation and propagation in clay under hydric loading. Kaolin K13, which is a pure kaolinite clay, was considered in our study. The research is devoted to two main parts, one related to drying shrinkage and the other to desiccation cracking.Experimental studies on drying shrinkage are conducted to determine the hydraulic properties and mechanical behavior of the studied material during the drying process. For this purpose, the hydric parameters including water content, void index and degree of saturation of small unsaturated clay samples with different suction levels were measured by the Kerdane tests. The test is based on measuring the solid volume by liquid displacement. The shrinkage curve and the water retention curve of the studied material were established after fitting the Fredlund and Van Genuchten formulas from the experimental results. The shrinkage deformation of the soil was studied by controlled desiccation tests using smooth supports. Controlled desiccation, using the salt solution method, allows samples to be subjected to the same desiccation path. Global and local deformations of are obtained by 2D-DIC and 3D-DIC. Finally, the local water content and the local suction of the sample are estimated from the local volume deformation coupled with the water retention curve and the shrinkage curve of our material.The second part of the study is devoted to the initiation and propagation of cracks under controlled desiccation of an initially saturated clay. In order to study the main factors influencing cracking and to compare with free shrinkage, the semi-rough substrate was used in controlled desiccation tests, so that the cracks produced in the different samples were captured by the DIC. The evolution of the cracks was first quantified by morphological and statistical studies of the cracks via Image-J software. The influence of the drying path and sample support on the water cracking behavior were also studied at the global sample scale by the DIC. The increase in mechanical strain within the sample, produced by the limiting effect of the support on shrinkage deformation, is one of the main causes of cracking. The distribution of local strains, the phenomenon of stress concentration (through the development of local strains), are studied and analyzed. Crack initiation occurs in local stress zones where the tensile limit of the soil is exceeded. The crack propagation behavior is due to the tensile stress zone at the crack tip. The cracking mechanism is defined by studying the principal direction of deformation. The observed cracks developed in the horizontal direction of the samples, with little effect of vertical deformation on their occurrence. The mode of failure is mainly mode I. More complex failure modes, mixed with mode I, also exist. The study of the cracking mechanism, especially the cracks caused by traction (mode I) was further investigated by indirect traction tests on clay beams. Beams with different levels of suction were subjected to three-point bending, which caused tensile cracks in their tensioned lower part. The maximum strength and maximum bending at cracking and the local tensile deformation related to cracking are studied, as well as the effect of suction on the strength of unsaturated clays.