Several hydraulic loadings impose earthen levees to time-dependent variably saturated seepage conditions. The main objective of this study is to improve the analysis of levees under transient seepage with the use of unsaturated soil mechanics. An extensive set of laboratory testing, field monitoring and numerical modeling are performed to analyze a silty sand setback levee located near Seattle, WA. In-situ data obtained from field monitoring are used to monitor suction and effective stress within the levee’s embankment and foundation over the past two years. Soil samples taken from the site are used to perform index, water retention, and unsaturated multi-stage triaxial tests in the laboratory. A finite element model of transient seepage under saturated-unsaturated conditions is then developed and calibrated to reasonably match the field data. The results highlight the need to consider unsaturated soil mechanics along with climatic variables and soil-atmosphere interaction when analyzing levees under transient seepage conditions.

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On s'intéresse dans le présent travail au comportement au gel des sols fins limono-argileux traités à la chaux seule, sols valorisables qui sont couramment rencontrés sur les chantiers de terrassement. Trois sols appartenant aux classifications A1, A2, A3 selon la norme NF P 11300, ont été choisis pour cette étude. Ces sols sont traités à 3 dosages en chaux correspondant à 3 objectifs : 1) amélioration (dosage en chaux minimal), 2) stabilisation et insensibilité à l'eau (dosage en chaux intermédiaire), 3) stabilisation et résistance au gel (dosage en chaux le plus élevé). Les sols traités sont ensuite conservés pendant quatre périodes de cure : 7 jours, 28 jours, 90 jours et 365 jours. Les deux processus de gel - le géligonflement et la gélifraction sont étudiés, parallèlement à l'évaluation des performances mécaniques, hydrauliques et microstructurales. Les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés hydrauliques (la succion au front de gel, sp et la conductivité hydraulique à l'état non-saturé, kunsat) sont les paramètres qui gouvernent le phénomène de géligonflement des sols, traités ou non. Les résultats ont également mis en évidence le lien direct existant entre la microstructure (la distribution porale) et les propriétés hydrauliques du sol, principalement en termes de capacité de rétention d'eau et conductivité hydraulique. Le traitement augmente les performances mécaniques des sols d'une part, et amène d'autre part à des modifications de leur microstructure ; ceci induit des changements vis-à-vis de leur sensibilité au gel. Les sols sont plus gélifs directement après le traitement, cette sensibilité au gel diminuant avec le temps de cure. Une modélisation simple permettant d'estimer le gonflement au gel à partir de la succion au front de gel et de la valeur de conductivité hydraulique à l'état non-saturé a été proposée et validée. Vu que la détermination de la conductivité hydraulique à l'état non-saturé n'est pas un essai couramment pratiqué au sein de la plupart des laboratoires, un critère basé sur la succion au front de gel, sp, et la conductivité hydraulique à l'état saturé, ksat a été proposé pour évaluer la sensibilité des sols au gel. L'essai de gélifraction consiste à évaluer un coefficient de résistance de l'éprouvette de sol après 10 cycles de gel/dégel, RFT (%) - « retained strength factor after freeze-thaw testing ». Les résultats expérimentaux montrent que la valeur RFT des sols traités varie de 0% (lorsque les éprouvettes de sol perdent totalement leur résistance à la compression simple et sont détruites après 10 cycles de gel/dégel) à 90%. Quand RFT ≥ 60%, aucune dégradation visuelle de la surface des éprouvettes des sols traités n'est constatée. Ainsi, cette valeur est proposée comme critère d'acceptation des matériaux constitutifs d'une couche de forme subissant le gel avant son recouvrement. L'étude de l'effet du nombre des cycles de gel/dégel montre une diminution importante de la performance mécanique (RFT) durant trois premiers cycles de gel/dégel, et ce paramètre se stabilisant après 10 cycles. A l'aide de la technique de µ Tomographie X, l'endommagement interne des éprouvettes de sol ayant subi des cycles de gel/dégel a été quantifié. Une corrélation directe entre la diminution de performance mécanique et l'augmentation de l'indice de l'endommagement de l'éprouvette a été mise en évidence. Enfin, un modèle d'endommagement permettant d'évaluer la dégradation de la performance mécanique avec l'augmentation de l'indice d'endommagement a été établi / The present work deals with the behaviour of fine-grained silty and clayey soils treated with lime under frost. Those soils are frequently encountered in earthworks. Three soils corresponding to A1, A2, A3 classes according French NF P 11-300 standard were chosen for this study. These soils were treated with 3 lime dosages corresponding to three objectives: 1) improvement (minimum dosage), 2) stabilization and insensitivity to water (intermediate dosage), 3) stabilization and frost resistance (highest dosage). Lime-treated soils were subsequently cured for different times: 7, 28, 90, 365 days. Two frost processes, frost heave and freeze-thaw cycles, were applied in parallel with the assessment of mechanical, hydraulic and microstructural properties. Experimental results evidenced that it is the hydraulic properties (suction at frost front, sp and unsaturated hydraulic conductivity, kunsat) that govern the frost heave phenomenon of soils, treated or not. In addition, this study demonstrates the direct link between the microstructure (the pore size distribution) and the hydraulic properties (water retention curve and hydraulic conductivity). The treatment on one hand improves the mechanical performances of soils, and on the other hand modify their microstructure, and thus changes their frost sensitivity. The frost susceptibility increases directly after treatment, and then decreases with curing time. Based on the suction at frost front and the unsaturated hydraulic conductivity, a simple model was proposed and validated allowing to estimate the frost heave. Considering that the determination of unsaturated hydraulic conductivity is not a test commonly performed by most laboratories, a criterion based on the suction at frost front and the saturated hydraulic conductivity was proposed to estimate the frost sensibility of soils. The second frost resistance test consists of measuring the retained strength factor after 10 freeze-thaw cycles, RFT (%). The results obtained show that RFT of lime treated soil varies from 0% (when soil specimen completely loses its resistance and collapses after 10 freezethaw cycles) to 90%. When RFT is higher than 60%, no visual damage was observed on the specimen surface; consequently, this value is proposed as a criterion for acceptance of lime treated soil in capping layer before covering. In addition, the study of effect of freeze-thaw cycles showed a significant decrease of mechanical performance (RFT) during the first three cycles, and a stabilization after 10 cycles. Using X-ray Tomography, the intern damage of specimens due to freeze-thaw cycles was quantified. A correlation between the decrease of mechanical performance and the increase of damage index was evidenced. A model was then developed to evaluate the degradation of mechanical performance with the increase of damage index

On s'intéresse dans le présent travail au comportement au gel des sols fins limono-argileux traités à la chaux seule, sols valorisables qui sont couramment rencontrés sur les chantiers de terrassement. Trois sols appartenant aux classifications A1, A2, A3 selon la norme NF P 11300, ont été choisis pour cette étude. Ces sols sont traités à 3 dosages en chaux correspondant à 3 objectifs : 1) amélioration (dosage en chaux minimal), 2) stabilisation et insensibilité à l'eau (dosage en chaux intermédiaire), 3) stabilisation et résistance au gel (dosage en chaux le plus élevé). Les sols traités sont ensuite conservés pendant quatre périodes de cure : 7 jours, 28 jours, 90 jours et 365 jours. Les deux processus de gel - le géligonflement et la gélifraction sont étudiés, parallèlement à l'évaluation des performances mécaniques, hydrauliques et microstructurales. Les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés hydrauliques (la succion au front de gel, sp et la conductivité hydraulique à l'état non-saturé, kunsat) sont les paramètres qui gouvernent le phénomène de géligonflement des sols, traités ou non. Les résultats ont également mis en évidence le lien direct existant entre la microstructure (la distribution porale) et les propriétés hydrauliques du sol, principalement en termes de capacité de rétention d'eau et conductivité hydraulique. Le traitement augmente les performances mécaniques des sols d'une part, et amène d'autre part à des modifications de leur microstructure ; ceci induit des changements vis-à-vis de leur sensibilité au gel. Les sols sont plus gélifs directement après le traitement, cette sensibilité au gel diminuant avec le temps de cure. Une modélisation simple permettant d'estimer le gonflement au gel à partir de la succion au front de gel et de la valeur de conductivité hydraulique à l'état non-saturé a été proposée et validée. Vu que la détermination de la conductivité hydraulique à l'état non-saturé n'est pas un essai couramment pratiqué au sein de la plupart des laboratoires, un critère basé sur la succion au front de gel, sp, et la conductivité hydraulique à l'état saturé, ksat a été proposé pour évaluer la sensibilité des sols au gel. L'essai de gélifraction consiste à évaluer un coefficient de résistance de l'éprouvette de sol après 10 cycles de gel/dégel, RFT (%) - « retained strength factor after freeze-thaw testing ». Les résultats expérimentaux montrent que la valeur RFT des sols traités varie de 0% (lorsque les éprouvettes de sol perdent totalement leur résistance à la compression simple et sont détruites après 10 cycles de gel/dégel) à 90%. Quand RFT ≥ 60%, aucune dégradation visuelle de la surface des éprouvettes des sols traités n'est constatée. Ainsi, cette valeur est proposée comme critère d'acceptation des matériaux constitutifs d'une couche de forme subissant le gel avant son recouvrement. L'étude de l'effet du nombre des cycles de gel/dégel montre une diminution importante de la performance mécanique (RFT) durant trois premiers cycles de gel/dégel, et ce paramètre se stabilisant après 10 cycles. A l'aide de la technique de µ Tomographie X, l'endommagement interne des éprouvettes de sol ayant subi des cycles de gel/dégel a été quantifié. Une corrélation directe entre la diminution de performance mécanique et l'augmentation de l'indice de l'endommagement de l'éprouvette a été mise en évidence. Enfin, un modèle d'endommagement permettant d'évaluer la dégradation de la performance mécanique avec l'augmentation de l'indice d'endommagement a été établi / The present work deals with the behaviour of fine-grained silty and clayey soils treated with lime under frost. Those soils are frequently encountered in earthworks. Three soils corresponding to A1, A2, A3 classes according French NF P 11-300 standard were chosen for this study. These soils were treated with 3 lime dosages corresponding to three objectives: 1) improvement (minimum dosage), 2) stabilization and insensitivity to water (intermediate dosage), 3) stabilization and frost resistance (highest dosage). Lime-treated soils were subsequently cured for different times: 7, 28, 90, 365 days. Two frost processes, frost heave and freeze-thaw cycles, were applied in parallel with the assessment of mechanical, hydraulic and microstructural properties. Experimental results evidenced that it is the hydraulic properties (suction at frost front, sp and unsaturated hydraulic conductivity, kunsat) that govern the frost heave phenomenon of soils, treated or not. In addition, this study demonstrates the direct link between the microstructure (the pore size distribution) and the hydraulic properties (water retention curve and hydraulic conductivity). The treatment on one hand improves the mechanical performances of soils, and on the other hand modify their microstructure, and thus changes their frost sensitivity. The frost susceptibility increases directly after treatment, and then decreases with curing time. Based on the suction at frost front and the unsaturated hydraulic conductivity, a simple model was proposed and validated allowing to estimate the frost heave. Considering that the determination of unsaturated hydraulic conductivity is not a test commonly performed by most laboratories, a criterion based on the suction at frost front and the saturated hydraulic conductivity was proposed to estimate the frost sensibility of soils. The second frost resistance test consists of measuring the retained strength factor after 10 freeze-thaw cycles, RFT (%). The results obtained show that RFT of lime treated soil varies from 0% (when soil specimen completely loses its resistance and collapses after 10 freezethaw cycles) to 90%. When RFT is higher than 60%, no visual damage was observed on the specimen surface; consequently, this value is proposed as a criterion for acceptance of lime treated soil in capping layer before covering. In addition, the study of effect of freeze-thaw cycles showed a significant decrease of mechanical performance (RFT) during the first three cycles, and a stabilization after 10 cycles. Using X-ray Tomography, the intern damage of specimens due to freeze-thaw cycles was quantified. A correlation between the decrease of mechanical performance and the increase of damage index was evidenced. A model was then developed to evaluate the degradation of mechanical performance with the increase of damage index

Les matériaux constitutifs des digues sont souvent des sables silteux dont le comportement mécanique peut manifester une « instabilité » à des états de contraintes situés bien avant la limite de plasticité de Mohr-Coulomb. Ce mécanisme de rupture pourrait expliquer plusieurs brèches dont l'occurrence n'a pas été attribuée aux mécanismes classiques de rupture de digues telle que l'érosion interne. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre, au regard de ce phénomène d'instabilité, le comportement mécanique d'un sable silteux provenant de la zone adjacente à une brèche de digue du Rhône lors de la crue de 2003, à l'aide d'essais triaxiaux.Les résultats sur le sable propre montrent que le matériau étudié est très sensible au phénomène d'instabilité. Ce dernier peut être prédit par une courbe d'instabilité reliant, au déclenchement de l'instabilité, le rapport des contraintes au paramètre d'état. L'analyse de ces résultats suggère qu'une forte contractance du matériau est la condition nécessaire pour que l'instabilité du sable lâche ait lieu et qu'une direction appropriée du vecteur d'incrément de contraintes est la condition suffisante.Les résultats sur les mélanges constitués du sable avec des fines montrent qu'un départ de fines, causé par exemple une érosion de type suffusion, favorise l'occurrence de l'instabilité dans les digues. Par ailleurs, ces résultats révèlent que l'indice des vides équivalent est un paramètre pertinent dans l'analyse du comportement du sable silteux. Le calcul de l'indice des vides équivalent nécessite la détermination du paramètre b pour lequel une nouvelle formule a été proposée. / The constitutive materials of dikes are often silty sands whose mechanical behavior can become unstable at stress states located well under the Mohr-Coulomb plasticity limit criterion. This failure mechanism could explain several dike breaches whose occurrence has not been assigned to conventional mechanisms of dike failure such as internal erosion. The objective of this thesis is to better understand, with respect to the instability phenomenon, the mechanical behavior of a silty sand which is collected in the area adjacent of a breach of the Rhone embankment dike during the flood of 2003, by means of triaxial tests.The test results obtained on clean sand show that this material is very sensitive to the instability phenomenon. The occurrence of the latter can be predicted by an instability curve relating, at the onset of instability, the stress ratio to the state parameter. The analysis of these results suggests that a strong contractiveness of the material is the necessary condition for instability of loose sand and an appropriate direction of stress increment vector is the sufficient condition.The test results obtained on mixtures of sand with fines show that a removal of fine particles caused by an erosion, such as suffusion for example, favors the occurrence of instability in the dikes. Moreover, these results indicate that the equivalent void ratio is a relevant parameter in analyzing the behavior of silty sand. The calculation of the equivalent void ratio requires the determination of the parameter b for which a new formula has been proposed.

Cette thèse concerne la caractérisation expérimentale d’un sable limoneux provenant du barrage de Livet – Gavet (38) dans le cadre du projet ANR TerreDurable avec plusieurs objectifs : 1- Caractériser au travers d’essais de laboratoire le comportement hydromécanique d’un sable fin limoneux (sol A1 dans la classification GTR) en fonction de son état de saturation. Lors de cette étude, un accent particulier est porté sur la caractérisation de ce comportement dans le domaine proche de la saturation. 2- Interpréter le comportement hydrique du matériau sur chemin de drainage – imbibition en relation avec l’analyse de sa microstructure. 3- Fournir d’un point de vue général une base de données et d’analyses exhaustive permettant le développement et la calibration de modèles de comportement des sols fins proches de la saturation, en particulier en considérant des chemins de chargement hydromécanique complexes. Pour l’ensemble de cette étude, le matériau est considéré sous deux états : soit à l’état de pâte (matériau normalement consolidé) préparée à une teneur en eau proche de la limite de liquidité, soit sous forme compactée (matériau sur-consolidé) à différentes énergies de compactage et différentes teneurs en eau initiales. / This thesis concerns the experimental characterization of a silty sand from the Livet - Gavet dam (38) as part of the ANR TerreDurable project, for following objectives: 1- Through laboratory tests, characterize the hydro-mechanical behaviour of a fine silty sand (Type A1 in the GTR classification) according to its saturation state. In this study, particular emphasis is placed on the characterization of this behaviour in the near-saturated domain. 2- Interpret the water behaviour of material on the drainage - imbibition cycles, in relation to the analysis of its microstructure. 3- From a general point of view, provide a comprehensive database and analysis allowing the development and calibration of models of near-saturated fine soil's behaviour, in particular, by considering complex hydro-mechanical loading paths. For all tests in this study, the material is considered in two states: either in the state of paste (normally consolidated material) prepared at water content close to the limit of liquidity, or in compacted state (over consolidated material) at different compaction energies and different initial water contents.

Les systèmes de culture en Protection Intégrée de Cultures contre les adventices (systèmes PIC-adventices) sont d’un grand intérêt pour réduire significativement l’utilisation des herbicides en les substituant par une combinaison complexe de différentes techniques culturales. L’objectif principal de notre travail a été de contribuer au volet environnemental de l’évaluation multicritère des systèmes PIC-adventices mis en place depuis 2000 sur le domaine expérimental de l’INRA à Bretenière (21). La variabilité des propriétés physiques et hydrodynamiques qui interviennent dans le transfert de l’eau dans le sol a été étudiée dans les 5 systèmes de culture présents sur le site (1 système de référence et 4 systèmes PIC-adventices). Le premier volet du travail a consisté à étudier la rétention de l’eau dans la couche du sol travaillée dans les 5 systèmes de culture. La rétention de l’eau a été comparée dans des échantillons de sol dont la structure a été soit « conservée », soit « remaniée » afin d’identifier la part de la variabilité liée aux caractéristiques physiques intrinsèques du sol de celle induite par les pratiques culturales. Les résultats ont montré que le sol du système de culture avec suppression totale des herbicides, associant une teneur élevée en argile, une teneur moyenne en C organique et un travail superficiel intensif, présentait les valeurs les plus élevées de rétention de l’eau dans la couche de sol travaillée. Le second volet a porté sur l’étude de la variabilité de la conductivité hydraulique proche de la saturation, K(h), aux échelles de l’année culturale et du profil du sol. Pour cette étude, 3 systèmes PIC-adventices (système de culture en semis direct et systèmes de culture avec travail du sol modéré à intensif) ont été caractérisés pendant 2 ou 3 années culturales consécutives, en considérant 3 profondeurs de sol incluant la couche du sol travaillée et l’horizon sous-jacent. Les résultats n’ont montré aucune variabilité de K(h) à l’échelle verticale. Par contre, ils ont mis en évidence les effets à long terme des systèmes PIC-adventices sur les valeurs de K(h). Enfin, le dernier volet a étudié la dynamique de l’eau dans le sol de 2 systèmes PIC-adventices contrastés (système avec conduite du sol en semis direct et système sans herbicide avec travail du sol intensif) en suivant une approche d’hydraulique agricole et par le biais de la caractérisation in situ du potentiel matriciel de l’eau dans le sol et de la mesure des quantités d’eau collectée au moyen de lysimètres à mèche. L’approche utilisée a permis la description de la dynamique de l’eau du sol pendant la période de drainage, la validation du fonctionnement des lysimètres à mèche et le calcul de la surface de sol équivalente qui contribuait au transfert de l’eau dans ces dispositifs. Ces premiers résultats prometteurs nécessiteront néanmoins d’être validés au cours de prochaines campagnes de mesure. L’ensemble des résultats recueillis constituent une première évaluation du fonctionnement physique et hydrodynamique du sol des systèmes PIC-adventices présents sur le dispositif expérimental. La base de données constituée permettra ultérieurement la poursuite du travail engagé en modélisant le transfert de l’eau, de solutés, de pesticides ou d’autres polluants dans le sol de ces systèmes PIC-adventices. / Integrated weed management (IWM)-based cropping systems are of great interest due to their significant reduction of herbicide inputs by using a complex combination of agricultural techniques. The main objective of our work was to contribute to the environmental dimension of the multi-criteria evaluation of IWM-based cropping systems which were set up since 2000 on the experimental domain of the National Institute for Agronomical Research (INRA) to Bretenière (France). The variability of physical and hydrodynamic soil properties involved in the transfer of water through the vadose zone was studied for the 5 cropping systems present on the experimental site (1 reference cropping system and 4 IWM-based cropping systems). The first section of our study consisted in studying the water retention of the tilled soil layers for the 5 cropping systems. Water retention values were compared between undisturbed and repacked soil samples in order to distinguish the part of the variability due to the intrinsic soil properties from the one induced by the agricultural practices. Our results show that the soil from cropping system without any herbicides, associating high clay content, average organic C content and intensive superficial tillage, may increase soil water retention in the tilled soil layer. The second section carried on the study of the annual and vertical variability of the near-saturated hydraulic conductivity, K(h). For this study, 3 IWM-based cropping systems (no-tilled cropping system and moderate to intensive tilled cropping systems) were characterized during 2 or 3 consecutive years and considering 3 depths including the soil tilled layer and the underlying no-tilled layer. The results showed no vertical variability of K(h). However, they highlighted the long-term effect of IWM-based cropping systems on K(h). Finally, the third section studied the soil water dynamics of 2 contrasted IWM-based cropping systems (no-tilled and zero herbicide cropping systems with intensive tillage) by using ,a hydraulic agricultural approach and by the means of the in situ characterization of soil matric potential and the measure of the amounts of water collected with wick lysimeters. This approach allowed the description of the water dynamics during the drainage season, the validation of the wick lysimeters functioning and the calculation of the surface contributing to water flows collected by the wick lysimeters. These promising results will need to be validated during forthcoming campaigns of measurement. All data collected provided constitute a first evaluation of the soil physical and hydraulic functioning of IWM-based cropping systems present on the experimental site. The established database will allow later the pursuit of work by modeling the water transfer and the transport of solutes, pesticides or other pollutants through the vadose zone of these IWM-based cropping systems.