Etude des effets du séchage-humidification sur des sols argileux

Abstract

The drought of clayey soils, a complex and insidious phenomenon, poses a significant challenge for civil engineers, geologists, and urban planners worldwide. This phenomenon, often underestimated but with potentially devastating consequences, is characterized by a significant decrease in the water content of clayey soils, leading to dramatic impacts on the stability of built structures' foundations.

Clayey soils, due to their fine composition and unique properties, are widespread in many regions of the globe. However, when these soils are exposed to dry conditions, their mechanical behavior can undergo significant alterations. Clay, which forms the primary matrix of these soils, has the capacity to adsorb and retain water, rendering it sensitive to fluctuations in moisture levels. Consequently, suction, resulting from capillary tension induced by drought, becomes a crucial factor in this behavior-changing process.

This master thesis aims to explore the mechanisms of clayey soil drought, with a particular focus on the concept of suction and its significant influence on the bearing capacity of soils and foundation settlement. To achieve this objective, this work is structured into three main parts.

The first part of this master thesis involves a review of existing literature, aiming to establish context and present a state of the art. The contextualization explores the characteristics of clays as well as the phenomena of shrinkage and swelling associated with them. The state of the art studies the mechanical and hydraulic behavior of unsaturated soils, including the concept of suction and various techniques used to control it.

The second part of this master thesis focuses on the experimental study conducted on three types of clayey soils. The initial goal is to induce varying levels of suction within soil samples and study their hydraulic behavior. Subsequently, simple compression tests are carried out to investigate the strength and stiffness of soils subjected to different suction levels. Finally, direct shear tests are conducted on saturated soil samples to determine the failure criterion independently of the suction level. All of this is undertaken with the aim of calibrating the effective stress, which depends on suction and is a key element in the mechanics of unsaturated soils. This section includes the presentation of soil types, the testing methodology, as well as the presentation and analysis of the results.

The final part, which concludes this work, is devoted to the study of practical cases where effective stress is theoretically applied to assess the role of soil desaturation, and consequently, suction, on the behavior of a foundation in terms of bearing capacity and settlement.

La sécheresse des sols argileux, un phénomène complexe et insidieux, représente un défi considérable pour les ingénieurs civils, les géologues et les urbanistes du monde entier. Ce phénomène, souvent sous-estimé mais aux conséquences potentiellement dévastatrices, se manifeste par une diminution significative du contenu en eau des sols argileux, entraînant des répercussions dramatiques sur la stabilité des fondations des structures construites.

Les sols argileux, en raison de leur composition fine et de leurs propriétés particulières, sont répandus dans de nombreuses régions du globe. Cependant, lorsque ces sols sont exposés à des conditions de sécheresse, leur comportement mécanique peut être radicalement altéré. L'argile, qui constitue la matrice principale de ces sols, a la capacité d'adsorber et de retenir l'eau, ce qui la rend sensible aux fluctuations du taux d'humidité. La succion, résultant de la tension capillaire générée par la sécheresse, devient alors un facteur essentiel dans ce processus de changement de comportement.

Ce mémoire s'attache à explorer les mécanismes de la sécheresse des sols argileux, en mettant particulièrement l'accent sur le concept de succion et son influence significative sur la capacité portante des sols et le tassement des fondations. Pour atteindre cet objectif, ce travail est structuré en trois grandes parties.

La première partie de ce mémoire consiste en une étude de la littérature existante, visant à établir une mise en contexte et à présenter un état de l'art. La mise en contexte explore les caractéristiques des argiles ainsi que les phénomènes de retrait et de gonflement qui leur sont associés. L'état de l'art se penche quant à lui sur le comportement mécanique et hydrique des sols non saturés, en abordant notamment le concept de succion et les différentes techniques permettant de l'imposer.

La deuxième partie de ce mémoire se focalise sur l'étude expérimentale menée sur trois types de sols argileux. Le premier objectif est d'induire différents niveaux de succion au sein des échantillons de sol et d'étudier leur comportement hydrique. Ensuite, des essais de compression simple sont réalisés dans le but d'étudier la résistance et la rigidité des sols soumis à diverses valeurs de succion. Enfin, des essais de cisaillement direct sont effectués sur des échantillons de sol saturé, dans l'objectif de déterminer le critère de rupture, indépendamment du niveau de succion. Tout cela est entrepris dans le but de calibrer la contrainte effective, qui dépend de la succion et qui constitue un élément clé de la mécanique des sols non saturés. Cette partie inclut la présentation des types de sols, la méthodologie des essais, ainsi que la présentation et l'analyse des résultats.

La dernière partie, qui clôture ce travail, est dédiée à l'étude de cas pratiques où la contrainte effective est appliquée de manière théorique pour évaluer le rôle de la désaturation d'un sol, et par conséquent de la succion, sur le comportement d'une fondation en termes de capacité portante et de tassement.