In this dissertation, the framework is being developed for a new method to predict the settlements of shallow foundations on granular soil based on field seismic and laboratory dynamic tests. The new method combines small-strain seismic measurements in the field with nonlinear measurements in the field and/or in the laboratory. The small-strain shear modulus (Gmax ) of granular soil and the stress dependency of Gmax is determined from the shear wave velocity measurements in the field. Normalized shear modulus (G/Gmax ) versus log shear strain(log [gamma]) curves are determined from field or laboratory measurements or from empirical relationships. The G/Gmax -- log [gamma] curves and Gmax values are combined to determine the shear stress-shear strain response of granular soil starting from strains of 0.0001% up to 0.2-0.5%. The shear stress-shear strain responses at strains beyond 1.0-2.0 % are evaluated by adjusting the normalized shear modulus curves to larger-strain triaxial test data. A user defined soil model (MoDaMP) combines these relationships and incorporates the effect of increasing confining pressure during foundation loading. The MoDaMP is implemented in a finite element program, PLAXIS, via a subroutine. Measured settlements from load-settlement tests at three different sites where field seismic and laboratory dynamic measurements are available, are compared with the predicted settlements using MoDaMP. Predictions with MoDaMP are also compared with predictions with two commonly used methods based on Standard Penetration and Cone Penetration tests. The comparison of the predicted settlements with the measured settlements show that the new method developed in this research works well in working stress ranges. The capability of the new method has significant benefits in hard-to-sample soils such as in large-grained soils with cobbles and cemented soils where conventional penetration test methods fail to capture the behavior of the soil. The new method is an effective-stress analysis which has applicability to slower-draining soils such as plastic silts and clays. / text

The results from an experimental study on the dynamic properties of sand with nonplastic silt are presented. Combined resonant column and torsional shear equipment is used to evaluate the effects of confining pressure, shearing strain, frequency, and number of cycles of loading on the dynamic properties of silty sand. The goal of this study is to determine if relationships in the literature for sands and gravels are accurate for predicting the shear modulus and material damping characteristics of soil with nonplastic fines or if the incorporation of a fines content parameter improves predictions. This goal was primarily accomplished by reconstituting and testing samples of an alluvial deposit from Dillon Dam, Dillon, Colorado according to predetermined gradation curves with variable amounts of non-plastic fines. Among the findings of this investigation are: (1) soil parameters such as Cu and D50 can be related to dynamic properties of soils with up to 25% fines, (2) the effects of non-plastic fines on the small-strain dynamic properties of soils are not very pronounced for soils with less than 25% fines, and (3) an increase in the amount of non-plastic fines in uniform soils or soils with more than 25% fines generally results in lower values of small-strain shear modulus, higher values of small-strain material damping, and more linear G/Gmax - log([gamma]) and D - log([gamma]) curves. The effect of non-contacting, larger granular particles in a finer soil matrix is also investigated along with the impact of removing larger particles from laboratory samples. / text

La stabilité gravitaire des ouvrages hydrauliques (digues fluviales, barrage en remblai, ...) est un problème complexifié par la présence d'infiltration d'eau au sein même de l'ouvrage et de ses fondations. Le territoire national compte près de 10000 km de digues, d'où un enjeu important en terme de risque d'inondation. Les déstabilisations gravitaires observées sur les ouvrages hydrauliques se distinguent par leur brièveté et par leur faible emprise spatiale. L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier spécifiquement ces instabilités brèves et de faible déplacement cumulé le long de la pente dans le cas de matériaux granulaires saturés. Dans un premier temps, une campagne expérimentale a été effectuée sur la base d'un protocole de chargement progressif dans lequel un échantillon de sol est lentement incliné jusqu'à obtenir une déstabilisation massive. Il en ressort une phénoménologie complexe composée d'un nombre de précurseurs d'avalanche dépendant de la fraction volumique de l'échantillon. Une forte influence de la fraction volumique du sol sur le seuil de stabilité est également mise en avant. Une deuxième campagne expérimentale basée sur un protocole d'effondrement contrôlé, à inclinaison imposée, a été menée dans le but d'amplifier la cinématique de déstabilisation observée en chargement progressif. Mis à part les échantillons les plus denses qui produisent de simples avalanches de surface, on observe dans les autres cas un ou plusieurs événements successifs, d'allure circulaire, mobilisant des profondeurs très importantes contrairement aux avalanches de surface.. Outre l'inclinaison, on voit bien que, là encore, la fraction volumique est un paramètre clé dans le contrôle de la cinématique de déstabilisation. Des essais préliminaires laissent cependant entendre que, au-delà de la fraction volumique, c'est la microstructure qui semble être le vrai paramètre de contrôle à travers notamment la forme des grains et leur enchevêtrement. / Gravitational stability of hydraulic structures (river dykes, embankment dam,...) is a problem complicated by the presence of water infiltration within the structure and its foundations. Our country has about 10,000 km of dikes and gravitational failure is a major challenge in terms of flood risk. In hydraulic structures, these destabilizations are characterized by their brevity and their small spatial extent. The objective of this thesis is to study specifically this type of brief instabilities in the case of a saturated granular material. A first series of experiments was carried out on the basis of a progressive loading protocol in which a soil sample is tilted slowly until a massive destabilization is triggered. It shows a phenomenology complex consisting of a number of precursory events prior final avalanching, dependent on the solid volume fraction of the sample. A strong impact of the solid volume fraction of the soil on the stability threshold is also highlighted. A second series of experiments based on a protocol of collapse controlled at imposed slope was conducted to amplify the kinematics of destabilization observed by progressive loading. Apart from the denser samples that produce simple surface avalanches, one or more successive events are observed in other cases. Unlike surface avalanches, these events mobilize grains much deeper, in an almost semi-circular area. In addition to slope angle, solid volume fraction is once again a key parameter in controlling the kinematics of destabilization. Preliminary tests suggest, however, that, beyond solid volume fraction, microstructure appears to be the true control parameter, particularly through grain shape and texture.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung von zeitabhängigen Verfestigungseffekten in Sandböden. Dies geschieht im Rahmen des Leitthemas „Modifizierung und Optimierung von Baugrund zur Ressourcenschonung“ bei der G²-Gruppe Geotechnik. Die bereits in Feld- und Laborversuchen beobachtete und untersuchte Zunahme von Festigkeits- und Steifigkeitsparametern in grobkörnigen Böden über Zeit, die nicht auf die Setzung zurückzuführen ist, wird anhand von zwei Versuchsmethoden unter Laborbedingungen untersucht. Die Versuche werden unter Betrachtung verschiedener Einflussfaktoren durchgeführt. Die verwendeten Methoden sind eine Labor-Drucksondierung und eine Ultraschalluntersuchung, deren Prüfgeräte für die Untersuchung der zeitabhängigen Verfestigungseffekte entwickelt wurden. Die Kontrolle der Geeignetheit für den Nachweis der zu untersuchenden Effekte und die damit verbundenen Anpassungen der Prüfgeräte sollen die Erstellung und Optimierung eines Versuchsprogramms ermöglichen.:Einleitung 1 Überblick 1.1 Hinweis zum Ultraschallversuch 2 Ziele 3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft 3.1 Beschreibung des Effekts 3.2 Abgrenzung zu zeitabhängigen Verfestigungseffekten in bindigen Böden 3.3 Sand in der Geotechnik 3.3.1 Makroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften 3.3.2 Mikroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften 3.4 Kenntnisstand der Wissenschaft zum Aging-Effekt in grobkörnigen Böden 3.5 Labor- und Feldversuche zur Untersuchung von Aging-Effekten in Sandböden 4 Versuchsmethodik 4.1 Einführung 4.2 Untersuchung des Versuchsmaterials 4.2.1 Bodenkenngrößen 4.2.2 Mikroskopische Bodenuntersuchung 4.3 Labor-Drucksondierung 4.3.1 Versuchsaufbau 4.3.2 Übersicht der Versuchsreihen 4.3.3 Versuchsauswertung 5 Ergebniszusammenstellung und Auswertung 6 Fazit und Ausblick 7 Literaturverzeichnis Erklärung / The subject is the investigation of time-dependent consolidation effects in sandy soils. This takes place within the framework of the main theme 'Modification and optimization of subsoil to conserve resources' at the G²-Gruppe Geotechnik. The increase in strength and stiffness parameters in granular soils over time, which has already been observed and investigated in field and laboratory tests, and which is not due to settlement, is investigated using two testing methods under laboratory conditions. The tests are carried out considering various parameters. The methods used are a Mini-CPT and an ultrasonic examination, the test equipment of which was developed for the examination of the Aging-effect of soils. The control of the suitability for the verification of the effects to be examined and the related adaptations of the test devices should enable the designing of a test routine.:Einleitung 1 Überblick 1.1 Hinweis zum Ultraschallversuch 2 Ziele 3 Grundlagen und Stand der Wissenschaft 3.1 Beschreibung des Effekts 3.2 Abgrenzung zu zeitabhängigen Verfestigungseffekten in bindigen Böden 3.3 Sand in der Geotechnik 3.3.1 Makroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften 3.3.2 Mikroskopische Betrachtung geotechnischer Eigenschaften 3.4 Kenntnisstand der Wissenschaft zum Aging-Effekt in grobkörnigen Böden 3.5 Labor- und Feldversuche zur Untersuchung von Aging-Effekten in Sandböden 4 Versuchsmethodik 4.1 Einführung 4.2 Untersuchung des Versuchsmaterials 4.2.1 Bodenkenngrößen 4.2.2 Mikroskopische Bodenuntersuchung 4.3 Labor-Drucksondierung 4.3.1 Versuchsaufbau 4.3.2 Übersicht der Versuchsreihen 4.3.3 Versuchsauswertung 5 Ergebniszusammenstellung und Auswertung 6 Fazit und Ausblick 7 Literaturverzeichnis Erklärung

La presente investigación tiene como objetivo el análisis del comportamiento de la geomalla biaxial extruida incorporada en un suelo granular a nivel de la sub-base para el pavimento que está ubicado en la av. Defensores de Morro en el distrito de Chorrillos, en el Departamento de Lima. Por ello, el procedimiento de esta investigación es realizar un programa experimental para el suelo en estudio e incluyendo la geomalla biaxial a nivel de la sub-base en dos diferentes posiciones una colocada en el medio y las dos capas en los extremos de la misma para encontrar la mejor alternativa que aumentara el valor del CBR del suelo para este tipo de suelo granular. La avenida en estudio presenta un tipo de suelo según clasificación SUCS de arena pobremente gradada con limo y grava. De acuerdo a los resultados obtenidos se observa que la geomalla incorporada en el medio mejora el CBR del suelo en un 6,5% y las colocadas en los extremos mejora el CBR del suelo en un 3,2%. La metodología utilizada para la investigación es del tipo de diseño experimental ya que se realizó un ensayo completo del suelo para determinar las características físicas y mecánicas necesarias, y conocer el valor del CBR de este suelo, cuyo valor fue muy importante para esta investigación, ya que con este se pudo saber si valor aumentaba favorablemente para una suelo granular. Teniendo como resultado que el valor de CBR ubicado en el medio de la capa sub-base mejora el valor del CBR en mayor porcentaje. / The present research aims to analyze the behavior of the extruded biaxial geogrid incorporated in a granular soil at the sub-base level for the pavement located in av. Defensores de Morro in the district of Chorrillos, in the Department of Lima. Therefore, the procedure of this research is to carry out an experimental program for the soil under study and including the biaxial geogrid at the sub-base level in two different positions, one placed in the middle and the two layers at the ends of it to find the best alternative that will increase the value of the soil CBR for this type of granular soil. The avenue under study presents a type of soil according to the SUCS classification of poorly graded sand with silt and gravel. According to the results obtained, it is observed that the geogrid incorporated in the middle improves the CBR of the soil by 6.5% and those placed at the ends improve the CBR of the soil by 3.2%. The methodology used for the research is of the type of experimental design since a complete test of the soil was carried out to determine the necessary physical and mechanical characteristics, and to know the value of the CBR of this soil, whose value was very important for this investigation, since that with this it was possible to know if the value increased favorably for a granular soil. As a result, the CBR value located in the middle of the sub-base layer improves the CBR value by a greater percentage. / Trabajo de investigación

La suffusion est un cas particulier d'érosion interne qui apparait dans les ouvrages hydrauliques. Elle se caractérise par le détachement et le transport des particules fines à travers les gros grains sous l'action d'un écoulement hydraulique en laissant derrière un squelette granulaire dont les caractéristiques en termes de densité et d'arrangement géométrique granulaire ont été changées. De telles modifications dans la micro-structure du sol peuvent conduire à des déformations à l'échelle macroscopique et peuvent influencer le comportement mécanique du sol. Ce travail a été consacré à l'étude du mécanisme de suffusion et à son impact sur les propriétés mécaniques des sols non-cohésifs. Pour atteindre cet objectif, deux approches ont été suivies dans ce travail: l'une numérique et l'autre expérimentale. Un modèle numérique discret a été défini pour décrire quantitativement le comportement macroscopique du sol et analyser la micro-structure des assemblages granulaires. Il est basé sur l'utilisation de particules sphériques et la résistance au roulement aux contacts, ainsi que sur une nouvelle méthode de compactage des échantillons pour simuler celle utilisée au laboratoire, et atteindre une large gamme de densités initiales. Le modèle a été validé par comparaison de résultats numériques et de données expérimentales. Ce modèle a d'abord été appliqué sur des assemblages granulaires avec des teneur en fines différentes afin d'étudier le rôle des particules fines pour une micro-structure de sol donnée, sans tenir compte d'un processus d'érosion. Il a été montré qu'il existe un pourcentage de fines, en dessous de la teneur seuil, où des particules fines peuvent commencer à participer au transfert de force, et que, si la suffusion s'initie et mobilise ces particules, ceci pourra affecter le comportement macroscopique du sol. Par la suite, une cinétique simplifiée d'extraction du grain a été proposée pour décrire le processus de suffusion. Elle est basée sur une approche de couplage fluide-solide partielle. L'intérêt de cette procédure d'extraction est que, d'une part, elle tient en compte des critères géométriques et hydrauliques complexes; d'autre part, le modèle induit un coût de calcul raisonnable. Cette procédure a été validée sur la base d'essais expérimentaux de suffusion effectués avec un dispositif nouvellement développé. Les conséquences de cette érosion sur les propriétés mécaniques des sols ont été caractérisées par la réalisation en laboratoire et la simulation d'essais de compression triaxiale. Le développement de la suffusion et ses conséquences sur le comportement macroscopique sont discutés en terme de densité et granulométrie initiale du sol, de chargement hydraulique et du type de particules érodées (actives ou inactive vis-à-vis du transfert de force). / Suffusion is a particular case of internal erosion taking place in hydraulic earth structures. It is characterized by the detachment and migration of fine particles by interstitial flow leaving behind the granular skeleton. Such modifications in the soil microstructure may lead to deformations at the macroscopic scale and may influence the mechanical behavior of the soil. This research was devoted to investigate the suffusion mechanism and its impact on the mechanical properties of cohesionless soils. To achieve this objective, two approaches were followed in this work: numerical and experimental approaches. A discrete numerical model was defined to describe quantitatively the soil macroscopic behavior and to analyze the microstructure of granular assemblies. It is based on the use of spherical particles and contact rolling resistance, as well as a new method of compaction to mimic the one used in laboratory and to reach a wide range of initial densities. The model was validated through comparison of numerical results with experimental data. This model was first applied on granular assemblies with different fines contents to study the role of fine particles with respect to a given soil microstructure, without taking into account an erosion process. It was shown that there exists a fines content, below the threshold, where fine particles may start to participate in the force transfer that if suffusion initiates and mobilizes these particles, it may affect the macroscopic behavior of the soil. Thereafter, a simplified kinetics of grain extraction was proposed to describe the suffusion process. It was based on a one-way fluid-solid coupling approach. The importance of this extraction procedure is that, on one hand, it takes into account complex geometric and hydraulic criteria; on the other hand, the model involves an affordable computational cost. This procedure was validated based on experimental tests carried out using a newly developed suffusion apparatus. Consequences of this erosion on the mechanical properties of soils were characterized from experimental and simulated triaxial compression tests. Suffusion development and its consequences on the macroscopic behavior are discussed from the results obtained in terms of the initial soil density and gradation, the hydraulic loading and the type of eroded particles (active or inactive in the force transfer).

On présente tout d’abord une série d’essais de cisaillement direct 2D monotones et cycliques sur l’interface sable de Fontainebleau-plaque rugueuse et lisse, `a contrainte normale constante (CNL) et à rigidité normale imposée (CNS). Le but de ces essais est de simuler la situation mécanique le long de pieux soumis à un grand nombre de cycles d’origine environnementale ou anthropique. Ces cycles (typiquement 10000) de faible amplitude (10`a 40 kPa en terme de contrainte de cisaillement) ne sont pas cens´es produire de rupture prématurée. Ces tests incluent une série de cycles d’amplitudes (successives) variées. Le problème de la perte de sable entre la boite et la plaque est trait´e avec attention. Nous avons interprété l’effet de la position du ”centre des cycles” dans le plan de contraintes (variables cycliques moyennes) et de la densité initiale. Plusieurs facteurs tels que l’indice initial de densité (ID0), la contrainte normale cyclique moyenne (_n cm0), le niveau initial moyen de contrainte de cisaillement (_cm0), l’amplitude cyclique réduite (__) et la rigidité normale imposée (k qui dans cette thèse, va de 1000 `a 5000 kPa/mm), influencent les déplacements relatifs cycliques moyens normal ([u]cm) et tangentiel [w]cm) et sont pris en considération.On observe soit de la dilatance, soit de la contractance en accord avec l’état caractéristique développé par Luong. L’influence du chemin de contrainte (CNL ou CNS) est également analysée. Un modèle phénoménologique et analytique de comportement d’interface sur chemins cycliques CNL est propos´e. C’est également le cas pour le comportement monotone sur chemins oedométrique et CNL, la variable de mémoire unique étant la densité d’interface (sous contrainte) ou le déplacement relatif normal. Cette formulation permet de traiter, par incréments analytiques finis, les chemins comportant une variation d’amplitude cyclique, et les chemins CNS, ce qui introduit la notion de nombre de cycles équivalent. On notera que les chemins CNS sont toujours contractants. Ces essais sont utilisés pour aborder la simulation par éléments finis, avec le logiciel Plaxis, selon une approche de pseudo-viscoplasticité, le nombre de cycles tenant lieu de temps fictif. L’essai de cisaillement monotone`a la boite est modélisé en densités faible et forte, ainsi que deux essais de pieux modèles centrifugés, l’un en traction, l’autre en compression. Des recommandations sont proposées pour le calcul courant des pieux sous sollicitations cycliques. Cette thèse a été soutenue par l’ANR SOLCYP et le programme national ” recherches sur le comportement des pieux soumis à des sollicitations cycliques”. / A series of monotonic and cyclic 2D direct shear tests on sand (Fontainebleau)-rough/smoothmaterial interfaces under constant normal load (CNL) and constant normal stiffness (CNS)conditions are presented. The aim of these tests is to simulate the situation along the shaftof piles subjected to a large number of cycles due to environmental or anthropic loadings.These cycles (typically 104) are of small amplitude (10, 20 and 40 kPa in terms of shearstress) as the service loads are not supposed to produce an early failure. These tests in-clude the series of changing the cyclic amplitude in succession. The problem of loss of sandbetween the box and the rough plate, typical phenomenon in this type of test, receives aspecial attention. It is interesting to observe, according to the initial density, the positionof the ”center of cycles” in the stress plane (mean cyclic variables). Several factors such asinitial density (ID0), initial normal stress (_n cm0), level of initial mean cyclic stress ratio(_cm0), reduced cyclic amplitude (__) and imposed normal stiffness (in this thesis, k =1000, 2000 and 5000 kPa/mm) that influence the intensity of mean cyclic normal ([u]cm)and shear ([w]cm) displacements are considered. Along CNL paths either dilation or con-traction is exhibited, in agreement with the characteristic state developed by Luong. Theinfluence of the stress path (under constant normal stress or prescribed normal stiffness)is also highlighted. It should be highlighted that CNS paths are ever contractive. Themodel of monotonic interface behaviour under CNL and oedometer paths is fully analyt-ical and based on the rate-type framework with the normal relative displacement or theinterface density as unique memory parameter. While the analytical formulations for iden-tification are first proposed to describe the interface behaviour under cyclic CNL condition,the variation of cyclic amplitude and CNS condition are modeled by applying the analyticalformulations for validation using finite analytical increments and introducing the notion ofequivalent number of cycles. For numerical simulations by the FEM (Plaxis) these tests areinterpreted and formulated according to a pseudo visco-plastic framework, the number ofcycles being a fictitious time. The direct shear tests and two centrifuge pile tests (pull-outand compression) are also modeled. Recommendations are proposed for the calculation ofreal usual piles under cyclic loading. This thesis is one part of the national French project”ANR and National Program SOLCYP” (Research on behaviour of piles subjected to cyclicloading).