Thèse de doctorat : Génie civil. Hydrosystèmes. Géotechnique : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2005. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Th. doct.-ing.--Géol. de l'ingénieur--Nancy--I.N.P.L., 1984.

Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2001. / N° d'ordre (Lille) : 3082. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. f. 124-128.

Les minéraux argileux gonflants sont omniprésents dans tous les compartiments de la surface de la Terre et notamment dans les sols. La structure lamellaire de ces minéraux et leur faible taille leur confèrent une forte réactivité notamment vis à vis des polluants et nutriments qui sont présents dans les eaux porales des sols. Dans ce cadre, cette thèse vise à contribuer à une meilleure compréhension des interactions entre des minéraux argileux gonflants et des cations nutritifs (calcium, strontium) et/ou d'intérêt environnemental (césium). Dans les sols, ces minéraux possèdent de larges distributions de taille et de cristallochimie (charge des feuillets). Par conséquent, pour mieux comprendre le rôle de chacun de ces paramètres sur la réactivité de ces particules naturelles, nous avons travaillé avec des « systèmes modèles », représentatifs des particules argileuses des sols : des particules de vermiculite triées en taille et des saponites synthétiques avec des charges de feuillets contrôlées. Les résultats d'adsorption des cations étudiés (Cs, Sr) en compétition avec les cations majeurs des eaux naturelles (Na, Ca) ont été obtenus en couplant l'analyse chimique des solutions et la modélisation des réflexions 00ℓ des diffractogrammes de rayons X afin d'obtenir la distribution de cations entre les différents sites d'adsorption (interfoliaire vs externes). Une telle approche et l'utilisation des « systèmes modèles » nous ont permis d'obtenir des paramètres quantitatifs décrivant la réactivité des minéraux argileux gonflants des sols. Ces paramètres pourront être pris en compte dans les codes de transport prédisant la migration des cations dans les sols. / The swelling clay minerals are ubiquitous in all areas of the surface of the Earth, particularly in soils. The lamellar structure of these minerals and their small size are at the origin of their high reactivity in particular with respect to pollutants and nutrients that are present in soil pore water. In this context, our work aims to contribute to a better understanding of the interactions between swelling clay minerals and cations of nutritive (calcium) and/or environmental interest (cesium, strontium). In soils, swelling clay minerals have broad size distribution and can have a varied crystal chemistry. Therefore, to better understand the role of each of these parameters on the reactivity of the natural particles, we worked with "model systems", which are yet representative of the swelling clay particles encountered in soil environment. Different particle size fractions of vermiculite and different synthetic saponites characterised by well-controlled layer charge were used as "model systems". Results concerning ion-exchange isotherms for Cs and Sr, in competition with major cations of natural waters (Na, Ca), were obtained by combining chemical analyses and 00ℓ reflection modelling of X-ray diffractograms in order to assess the cation distribution between the different adsorption sites (interlayer vs external) located on swelling clay minerals. Such approach and the use of ‘model systems’ have allowed us to obtain quantitative parameters describing the reactivity of soil swelling clay mineral particles, and should be considered in reactive transport codes devoted to predict the migration of nutritive and polluted cations in soil environments.

Les matériaux argileux sont soumis aux chemins complexes de succion/contrainte qui se manifestent par des désordres affectant principalement les structures construites en surface et les ouvrages enterrés. Dans ce contexte, il est important d’appréhender le comportement hydromécanique de ces matériaux afin de mieux maîtriser leur utilisation. Le comportement hydromécanique complexe des matériaux argileux est directement relié à leur structure interne qui a été le principal sujet de plusieurs études sur la micro- et macrostructure des sols. Ces études ont conduit aux développements des modèles élastoplastiques pour sols gonflants. Les modèles existants sont capables de simuler le comportement principal de sol gonflant non saturé, mais ils présentent un grand nombre de paramètres, ce qui prend du temps pour le calcul. Par conséquence, on propose une méthode simplifiée pour modéliser le comportement hydromécanique des sols gonflants basée sur la théorie de l’état limite. Ce modèle est tout d’abord validé par les résultats de l’essai oedométrique. Ensuite, il est implanté dans un code aux éléments finis (CAST3M) pour simuler le comportement in situ des sols gonflants. Enfin, l’application de la théorie de l’état limite au sol gonflant avec une grande densité est effectuée par la combinaison de l’écrouissage cinématique et l’écrouissage isotrope. / Clayey materials are often subjected to the complex suction/stress paths, causing many problems in both surface structures and buried structures built on them. In this context, it is important to study the hydromechanical behavior of these materials in order to better control their use in civil engineering. The complex hydromechanical behavior of clay materials is basically connected to their fabric which has been the main subject of several studies on the micro- and macrostructure of soils. These studies have led to the development of elastoplastic models for expansive soils. The existed models are able to simulate the basic behavior of unsaturated expansive soil, but present a large number of model parameters, leading to a time-consuming calculation. Therefore, we propose a simplified method to model the hydromechanical behavior of expansive soils based on shakedown concept. This model is first validated by the experimental results of cyclic suction-controlled oedometer tests. Then, it is implemented in a finite element code (CAST3M) to simulate the in-situ behavior of expansive soils. Finally, the application of shakedown theory to heavily dense expansive soils is carried out by considering a combined hardening plasticity.

Le changement climatique et les événements climatiques sévères tels que les périodes de sécheresse/humidification prolongées sont à l'origine du phénomène de retrait-gonflement dans les sols argileux. Ce phénomène est affecté par les interactions sol-végétation-atmosphère (SVA) et peut causer d’importants dommages structurels aux constructions légères telles que les bâtiments résidentiels. L’objectif de ce travail de recherche est de modéliser le comportement in situ du retrait-gonflement des sols gonflants dans un contexte SVA en se basent sur des outils numériques. Une méthode d'interaction sol-atmosphère est initialement présentée accompagnée d’un modèle couplé hydro-thermique du sol. Cette approche a été principalement mise en place afin de déterminer les conditions aux limites temporelles à la surface du sol en se basent sur la notion du bilan de masse et d'énergie pour déterminer a posteriori, les modifications spatio-temporelles de la succion du sol, de la teneur en eau et de la température. Cette approche a été validée à l'aide des observations in situ des sites instrumentés. Par la suite, l’influence de l’absorption d’eau par les végétations a été intégrée dans le terme source de l’écoulement de l’eau dans un milieu non saturé, à l’aide d’un modèle d’absorption d’eau de racine existant.Les variations temporelles de succion ont été postérieurement reliées au comportement volumique du sol en appliquant une approche simple développée à partir des résultats expérimentaux des essais de séchage/humidification réalisés dans la littérature. Les indices associés dans le plan indice des vides-log succion, ainsi que les paramètres complémentaires du modèle linéaire ont été corrélés aux paramètres géotechniques de base. L'approche proposée a été ultérieurement validée avec des données in situ fournies par la surveillance d’un site expérimental. Le site expérimental de Roaillan a été instrumenté afin de surveiller les modifications physiques du sol ainsi que le comportement structurel du bâtiment. Les comparaisons entre les résultats de la modélisation et les observations in situ de la succion du sol, la teneur en eau, la température et les mouvements du sol dans le temps ont montré une performance acceptable du modèle. L’approche a ensuite été appliquée pour étudier l’influence des projections climatiques futures (2050) sur les variables physiques et les mouvements du sol sur ce site. Trois scénarios RCP relatifs aux changements climatiques ont été examinés dans cette étude, qui ont révélé des différents comportements possibles à court terme et à long terme. Finalement, l'approche développée a été appliquée au territoire français en le divisant en six régions climatiques. Différents paramètres de sol ont été attribués à chacune de ces régions climatiques afin de définir les conditions de référence. En conséquence, l’influence de différents facteurs externes sur les mouvements du sol a été analysée sur une période donnée. Enfin, l’étude suggère les mesures adéquates à prendre pour minimiser l’amplitude du phénomène de retrait et de gonflement dans un contexte SVA. / Climate change and severe climatic events such as long drought/rehydration periods are at the origin of the shrinkage and swelling phenomenon in expansive soils. This phenomenon is affected by Soil-Vegetation-Atmosphere (SVA) interactions and can cause severe structural damage to lightly loaded constructions such as residential buildings. The objective of this re-search work is to simulate the in-situ behavior of the shrinkage-swelling in expansive soils in a SVA context using numerical tools. A soil-atmosphere interaction method is primarily presented along with a coupled hydro-thermal soil model. This approach was established in order to determine primarily, the natural time variable boundary conditions at the considered soil surface based on the mass and energy balance concept, and secondly to determine the spatial-temporal changes of the soil suction, water content and temperature. This approach was validated using in situ observations of monitored sites. Thereafter, the influence of the water uptake by vegetation was incorporated in the source term of the unsaturated water flow theory, using an existing root water uptake model. Subsequently, the temporal variations of the soil suction were related to the volume change behavior using a simple approach developed based on the experimental results of drying/wetting tests performed in the literature. The associated volumetric indices in the void ratio-log suction plan, along with the complementary parameters of the linear model were correlated with basic geotechnical parameters. The proposed approach was validated with in situ data provided from an experimental site. The Roaillan experimental site was instrumented in order to monitor the soil’s physical changes along with the structural behavior of the building. Comparisons between the simulated and observed soil suction, soil water content, temperature and soil movements in time and depth showed an acceptable performance of the predictions. The approach was then extended to study the influence of future climate projections (2050) on the soil’s physical variables and movements. Three RCP climate change scenarios were considered in this analysis which revealed different possible behavior in both short term and long term. Finally, the developed approach was applied to the French territory by dividing it to six different climatic regions. Different soil parameters were attributed to each of these climatic regions in order to set the reference condition. Thereafter, the influence of different external factors was analyzed on the soil movements over a chosen period. The study finally suggests the adequate actions to take for minimizing the amplitude of the shrinkage and swelling phenome-non in a SVA context.