Dans le contexte du développement durable, et dans un objectif de limitation de l’impact environnemental, le recours à des sols fins prend une place croissante dans la construction d’ouvrages en terre. Mais la maîtrise de ces matériaux amène au cours de l’exécution des difficultés lors du compactage, telles que le feuilletage et le matelassage. Au sein du projet ANR TerreDurable, cette thèse vise à l’étude du compactage, plus particulièrement pour les marnes proches de la saturation. Le programme d’essais se base principalement sur les observations apportées par les praticiens (Vinci Construction Terrassement, Valerian, Egis Géotechnique), pour parvenir à des essais mettant en évidence difficultés et mauvais usages rencontrés. Après une discussion sur l’effet des méthodes de contrôle de succion sur la nucléation dans les sols fins, l’étude porte sur une planche de compactage in situ. Elle s’articule autour de 4 paramètres : teneur en eau, mouture, type de compacteur et énergie de compactage. Ces variations mènent à la réalisation de 24 plots sortants parfois du cadre règlementaire, incarné en France par le Guide des Terrassements Routiers (GTR). Une fois terminés, et après des observations visuelles, les plots subissent carottages et pénétromètres dynamiques pour évaluer l’état et la réponse hydromécanique du matériau. Les mesures recueillies permettent de fournir des informations quant aux bonnes pratiques de compactage, mais aussi vis-à-vis des variables d’état du sol selon le jeu de paramètre. Dans un deuxième temps, l'effet de la préparation du matériau est étudié dans la cadre d'essais Proctor et IPI. Le matériau de chaque essai est alors exploité pour la réalisation de courbes de retentions dans le domaine quasi saturé. Toutes ces mesures sont alors comparées à la planche, de manière à cadrer les essais de cette dernière et confirmer les observations faites en première instance. Pour finir, une cellule triaxiale de révolution est développée dans l'objectif d’étudier l’évolution des variables d’état du sol au cours du compactage. Elle présente un tensiomètre à sa base, mais aussi des fenêtres planes en plexiglas pour permettre l’utilisation de la corrélation d’images pour l’estimation des changements de volume. Ces fenêtres ont pour objectif de limiter les déformations optiques et faciliter la mesure. La conception et la calibration de la cellule sont présentées, tout en mettant en avant sa précision. Sont alors réalisés les premiers essais de reproduction du compactage, basés sur des références in situ. Malgré les difficultés rencontrées pour simuler les passes d’un compacteur au sein de la cellule, les essais apportent des éléments de réflexion quant à l’effet de ce dernier sur le sol. / In the context of sustainable development, and to limit environmental impact, usage of fine-grained soils takes an expending place in earthworks. Sadly, the control of such materials through construction leads to difficulties during compaction, such as lamination and wave effect. As part of the French ANR project TerreDurable, this thesis aims to research compaction, mostly marls close to saturation. Observations carried out by practitioners serves as base for the experimental programme (Vinci Construction Terrassement, Valerian, Egis Géotechnique), to achieve surveys showing the main known difficulties and poor usages. After a discussion on the effect of measurement methods on nucleation in fine-grained soils, the study follows a full-scale in situ compaction test, articulated around four parameters: water content, grinding, compactor type and compaction energy. These variations lead 24 parcels sometimes out of the French legal frame (Guide des Terrassement Routiers). After realisation and visual observations, each of the parcels undergoes samplings and dynamic penetrometers to evaluate their state and hydro mechanical response. These analyses give data regarding good compaction practice, but also soil state variables after compaction. Then, proctor and CBR tests first show the effect of soil preparation on their outcomes. Afterwards, retention curves in the quasi-saturated domain are conducted from the Proctors. These measures compared to the full scale in situ compaction test, provide a frame to its results and confirm initial observations. Finally, aiming to study state variables evolution during compaction, a triaxial cell is developed. Equipped with a tensiometer at its base, flat Plexiglas windows are created enabling digital image correlation (DIC) for volume changes assessments. These windows allow for limited optical deformations and measurement facilitation. The conception and the calibration of the cell are presented to evaluate its precision. Then, the first tests to reproduce compaction, based on in-situ references, are carried out. Despite difficulties to simulate compactor passes in the cell, it provided elements of reflexion regarding the effect of compaction.

Les sols non saturés jouent un rôle important dans de nombreux domaines. En Génie Civil (stabilité des talus, fondations superficielles), en Ingénierie de l'environnement (transport de polluants par les eaux souterraines, enfouissement de déchets radioactifs), en Ingénierie des Réservoirs (subsidence suite aux pompages dans les champs pétroliers ou dans les nappes aquifères), etc. L'objet de la thèse est l'étude du comportement hydromécanique des sols fin non saturés, tels les limons et les argiles. Les phénomènes typiques du comportement de ces sols sont d'abord présentés avant d'aborder l'étude de leurs lois constitutives. Divers modèles sont passés en revue et un modèle unifié original est développé. Ensuite, une vaste gamme d'essais de laboratoire est analysée. Ils portent sur des sols saturés, quasi saturés et non saturés et concernent quatre matériaux: l'argile de Kruibeke, le limon de Gembloux, l'argile de Boom et la bentonite d'Almeria. Cette partie de la recherche conduit à une critique détaillée des procédures classiques d'essais de laboratoires sur les sols supposés saturés. Elle fournit également une base de données importante pour la calibration de la loi constitutive unifiée développée plus haut. Enfin, des simulations numériques, réalisées en aveugle, d'expériences n'ayant pas servi à la calibration permettent de valider ce modèle.

Le présent travail étudie le comportement des barrières ouvragées d'argile gonflante compactée proposées pour le stockage des déchets radioactifs en grande profondeur sous des sollicitations thermo-hydro-mécaniques. La bentonite MX80 a été choisie pour cette étude. Premièrement, une étude expérimentale sur la conductivité thermique de la bentonite compactée a été réalisée. Cette étude a mis en évidence l'effet de la masse volumique sèche, de la teneur en eau, de la fraction volumique des composants du sol, de la microstructure et de la minéralogie. Cette étude expérimentale a donné lieu à la proposition d'un modèle théorique pour estimer la conductivité thermique des bentonites compactées. Deuxièmement, après une étude sur l'étalonnage de la succion générée par solution saline saturée en fonction de la température, on a réalisé les essais de détermination de la courbe de rétention d'eau à différentes températures. Les résultats expérimentaux ont montré une réduction de la capacité de rétention d'eau du sol due à l'échauffement. Cet effet a été ensuite simulé par une modélisation simple basée sur la tension surfacique eau-air. Troisièmement, une nouvelle cellule isotrope permettant un contrôle simultané de succion, de température, et de contrainte mécanique a été développée. Avec cette cellule, une étude expérimentale sur le comportement thermo-mécanique de la bentonite compactée non-saturée a été réalisée. Finalement, un modèle a été proposé pour simuler les comportements thermo-hydro-mécaniques observés expérimentalement.

Les argiles compactées sont utilisées dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l’environnement, en raison de leur faible perméabilité, et de leurs propriétés de rétention notamment. Cependant, une fois en place, ces matériaux pourraient être exposés à des sollicitations thermiques et/ou hydriques, à long et très long terme. L’objectif principal de ce travail est de quantifier expérimentalement l’impact de ces sollicitations sur la compressibilité d’une argile compactée, et plus particulièrement son fluage. Avec cet objectif, des cellules œdométriques à température contrôlée entre 5 et 70°C ont été développées. Deux types d’œdomètre à succion contrôlée par les méthodes osmotique et solutions salines ont été employés dans une gamme de succion comprise entre 0 et 20,8 MPa, et à une température constante de 20°C. Ces dispositifs ont permis d’étudier le fluage jusqu’à une contrainte verticale de 3600 kPa. L’étude s’est concentrée sur le comportement d’une argile moyennement gonflante compactée. Les résultats obtenus ont tout d’abord montré que la contrainte de préconsolidation apparente σ’p diminue à mesure que la température augmente. Le coefficient de fluage Cαe augmente avec la température, cet effet étant plus particulièrement marqué à des contraintes plus élevées. Une relation linéaire entre le coefficient de fluage Cαe et l’indice de compression incrémental C*c a été observée dans la plage de contraintes considérée et le rapport (Cαe /C*c) dépend de la température. Ensuite, deux approches expérimentales complémentaires (essais de fluage par paliers ou à vitesse de déformation contrôlée) ont mis en évidence la dépendance des caractéristiques de fluage vis-à-vis de la succion du sol. Par ailleurs, la contrainte de préconsolidation apparente σ’p augmente avec l’augmentation de la vitesse de déformation έv et de la succion. En revanche, l’indice de compression Cc et le coefficient de fluage Cαe varient d’une manière non monotone avec une valeur maximale sous une succion de 3,5 et de 2 MPa, respectivement. L’évolution de ces paramètres apparaît fortement liée à la structure interne du sol. L’analyse de la variation de σ’p avec έv et de Cαe avec Cc a montré que la relation Δlog σ’p /Δlog έv = Cαe/Cc est également valable pour le sol argileux compacté étudié dans les cas saturés et non saturés / Compacted clays are used in many applications, including geotechnical and environmental geotechnical applications, due to their low permeability and retention properties. However, once in place, these materials could be exposed to thermal and/or water variations in the long and very long term. The main objective of this work is to experimentally quantify the impact of these variations on the compressibility of a compacted clay, and in particular its creep. With this objective, oedometric cells with controlled temperatures between 5 and 70°C were developed. Two types of oedometers with suction controlled by osmotic and saline methods were used in a suction range of 0 to 20.8 MPa, and at a constant temperature of 20°C. These devices were used to study creep up to a vertical stress of 3600 kPa. The study focused on the behavior of a moderately swelling compacted clay. The obtained results first showed that the yield stress σ’p decreases as the temperature increases. The creep coefficient Cαe increases with temperature, this effect being particularly marked at higher stresses. A linear relationship between the creep coefficient Cαe and the incremental compression index C*c was observed within the stress range considered and the ratio (Cαe /C*c) is temperature dependent. Then, two complementary experimental approaches (creep tests by steps or at controlled strain rate) highlighted the dependence of creep characteristics on soil suction. In addition, the yield stress σ’p increases with increasing strain rate έv and suction. In contrast, the compression index Cc and the creep coefficient Cαe vary in a non-monotonic manner with a maximum value under suction of 3.5 and 2 MPa, respectively. The evolution of these parameters appears to be strongly related to the internal structure of the soil. Analysis of the variation of σ’p with έv and Cαe with Cc showed that the relationship Δlog σ’p /Δlog έv =Cαe/Cc is also valid for the studied compacted clayey soil in saturated and unsaturated states. In conclusion, the results of this work allowed information to be gathered for better understanding the compressibility and creep behavior of compacted clayey soils as a function of temperature and suction

La thèse présente un ensemble de résultats expérimentaux sur des sols fins très plastiques compactés au voisinage de l’optimum Proctor normal (OPN). Elle est réalisée dans le cadre du projet ANR TerreDurable qui traite de la conception des ouvrages en terre en sols fins. Après l’étude de l’effet de compactage sur des chemins de drainage-humidification, la fissuration induite par la dessiccation est mise en évidence et analysée. Par ailleurs, des relations entre différents paramètres mécaniques (module, IPI, Résistance à la compression) et hydriques (succion, perméabilité, ..) en fonction de l’énergie de compactage et du mode de préparation sont présentées. Le comportement mécanique des sols fins compactés est étudié sur des chemins œdométriques et triaxiaux saturés et non saturés, drainés et non drainés. Dans ce dernier cas, l’évolution des paramètres de pression interstitielle de Skempton est analysée sur des chemins isotropes et déviatoires. Ceci a nécessité la mise au point d’une cellule triaxiale équipée de psychromètres à effet Peltier, de tensiomètre et de jauges de déformations. / The thesis presents an experimental study on very high plasticity soils compacted near of the standard Proctor optimum (SPO). It is performed as part of the ANR TerreDurable project which is devoted on the design of earthworks with fine soils. After the study of the effect of compaction on drying-wetting paths, induced cracking of drying is highlighted and analyzed. Furthermore, relationships between different mechanical parameters (modulus, IPI, compressive strength) and water (suction, permeability) according to the energy of compaction and method of preparation are shown. The mechanical behavior of soils compacted fine soils is studied on saturated and unsaturated, drained and undrained oedometer and triaxial. For the unsaturated undrained triaxial, the change in Skempton parameters pore pressure is analyzed on isotropic and deviatoric paths. This required the development of a triaxial cell equipped with psychrometers, tensiometer and strain gauges.

L’objectif de cette thèse est de caractériser les mécanismes de déstructuration en surface des sols compactés, soumis à des sollicitations cycliques de roulement. Ces chargements cycliques, générés par le trafic, sont principalement responsables de l’envol de particules fines et poussières sur les chantiers de terrassement. La présente étude est réalisée en collaboration avec la Fédération Nationale des Travaux Publics et le Syndicat Professionnel des Terrassiers de France, dans le cadre de leur engagement volontaire, qui vise à mieux contrôler les consommations en eau sur les chantiers de terrassement, utilisée pour réduire les particules fines en vol. La première partie du rapport consiste à aborder l’évolution des propriétés des sols compactés au moyen de différentes méthodes de compactage, au laboratoire comme in-situ. La méthode de compactage par roulement a été adoptée, à l’échelle du laboratoire, afin de reproduire une rotation des tenseurs de contraintes similaire à celle appliquée in-situ. L’étude a confirmé que la méthode de compactage par roulement proposée permet, à la fois de reproduire une rotation continue du tenseur de contraintes, et de conserver un état de densité moyen proche de celui de la référence de compactage du laboratoire. L’étude microstructurale a souligné que la taille des pores inter-agrégats est gouvernée par le compactage, tandis que la taille des pores intra-agrégats est influencée par l’humidification du sol. L’étude des mécanismes de déstructuration de surface de sol sous sollicitations de roulement, responsables de l’envol, a été effectuée dans la seconde partie de l’étude. Cette partie met en évidence l’influence des cycles de roulement sur l’état de surface du sol compacté et son évolution. Les premiers cycles de roulement génèrent un détachement d’agrégats de grande taille, puis, sous l’effet des passages répétitifs, ces agrégats se décomposent en plus petits agrégats, voire en particules fines sujettes à l’envol. La déstructuration de surface est liée aux conditions de mise en œuvre, à l’état de compacité, au processus du séchage, ainsi qu’au type de sol. La troisième partie de la thèse porte sur l’étude du potentiel d’adsorption et d’infiltration de l’eau dans les sols non consolidés lors de leur arrosage par brumisation. Des corrélations entre la surface spécifique et le potentiel d’adsorption avec la conductivité hydraulique du sol ont été établies. L’analyse de la structure de la surface via le traitement d’images a démontré le phénomène d’agrégation sous humidification, qui est fonction de la composition granulométrique et minéralogique du sol. Sur la base de l'étude d'adsorption et d'infiltration, un paramètre d’arrosage est proposé pour lier les propriétés hydrauliques du sol avec le matériel d’arrosage in-situ / The aim of this thesis is to characterize the soil surface degradation mechanisms of compacted soils subjected to cyclic rolling solicitations. These cyclic loadings generated by traffic are the main responsible of dust emission during earthworks. The present study was carried out in collaboration with “Fédération Nationale des Travaux Publics” and “Syndicat Professionnel des Terrassiers de France“, as part of their voluntary commitment to better control the water consumption during earthworks implementation, and particularly for dust abatement. The first part of the report deals with the evolution of soil compaction properties obtained by using different compaction methods, at laboratory and in-situ scales. The rolling compaction method has been considered, at laboratory scale in order to reproduce a stress tensor rotation similar to that applied in-situ. The study confirmed that the proposed rolling compaction method allows both to reproduce a continuous rotation of the stress tensor, and to maintain an average density state close to that of the laboratory compaction reference. The microstructural study highlighted that inter-aggregate pore size is governed by compaction, while intra-aggregate pore size is influenced by soil humidification. The study of mechanisms of soil surface degradation under rolling loads, responsible for the dust emission, was carried out in the second part of the study. This part demonstrates the influence of rolling cycles on the soil surface state of compacted soil and its evolution. The first rolling cycles generates a pullout aggregates, and then, under the effect of repetitive passages, these aggregates break down into smaller aggregates, or even fine particles with high dust emission potential. Soil surface degradation occurs to be linked to the implementation conditions, the compaction degree, the drying process as well as the type of soil. The third part of the study deals with the water adsorption and infiltration potential of unconsolidated soils during spraying phase by water mist. Correlations between soil specific surface area and adsorption potential with the hydraulic conductivity of the soil have been established. The analysis of the surface structure via image processing demonstrated the aggregation phenomenon under humidification, which is a function of the granulometric and mineralogical composition of the soil. Based on the adsorption and infiltration study, a spraying parameter is proposed to link the hydraulic properties of soil with the spraying system used in-situ

Les remblais argileux sont fréquemment exposés à des cycles de séchage et d'humidification. Ce mémoire analyse les effets de ces cycles sur le comportement observé de deux ouvrages expérimentaux en sols argileux non saturés. Les sols ont été caractérisés en laboratoire, puis le comportement des remblais a été modélisé en éléments finis (module CSNS de CESARLCPC). Les développements numériques effectués pour améliorer la modélisation numérique de la consolidation des sols non saturés ont été validés.

Les sols gonflants compactés sont utilisés dans de nombreuses applications, notamment en géotechnique et en géotechnique de l'environnement. Ces matériaux subissent d'importantes variations de volume en fonction de leur état hydrique, i.e. de leur succion. L'objectif principal du travail présenté ici est d'étudier l'influence de ce paramètre sur le comportement mécanique d'un matériau gonflant compacté dans la gamme des succions comprises entre 0 et 300 MPa. <br />Pour atteindre cet objectif, deux types d'œdomètre à succion contrôlée, soit par la méthode osmotique, soit par la technique des solutions salines saturées, ont été utilisés, les œdomètres à solutions salines ayant entièrement été développés pour ce travail.<br />Le support de l'étude est un matériau gonflant compacté. Les essais réalisés montrent en premier lieu que la pression de préconsolidation apparente atteint une valeur constante à partir de 38,5 MPa, dans le domaine des fortes succions. Par contre, la pente de compression plastique varie de manière non monotone en fonction de la succion appliquée. La variation de ces deux paramètres apparaît fortement liée à la structure initiale des éprouvettes. Par la suite, l'influence des sollicitations hydriques complexes a été étudiée, ce qui a permis de montrer que les résultats d'un essai sur un sol gonflant dépendent du chemin de contrainte hydrique même lorsqu'une humidification est réalisée en cours d'essai. L'interprétation de ces résultats dans le cadre des modèles de Barcelone a ensuite été proposée afin d'évaluer les possibilités de chacun des deux modèles existants. Le modèle de Barcelone pour sols gonflants nécessite, en outre, la réalisation d'essais comportant des cycles hydriques et au moins un essai à volume constant et à succion contrôlée.<br />En conclusion, ce travail a permis la mise en œuvre, le développement et la validation de deux dispositifs expérimentaux à succion contrôlée. Ceci a rendu possible la caractérisation du comportement hydromécanique d'un sol gonflant compacté en fonction de différentes sollicitations hydriques.

Le travail de thèse a pour but d'étudier le comportement thermo-hydro-mécanique de l'argile de Boom, choisie comme matériau hôte pour le stockage des déchets radioactifs à Mol, Belgique. En premier lieu, l'étude a été menée sur les propriétés de rétention d'eau et le couplage hydro-mécanique du sol par des essais de compression axiale avec suivi de succion par le tensiomètre. Les résultats obtenus ont permis d'élaborer une procédure expérimentale rationnelle pour l'essai triaxial. En second lieu, des systèmes d'essai triaxial à hautes pressions et à température contrôlée ont été développés pour réaliser des essais de compression, de chauffage, et de cisaillement à différentes températures. Les résultats obtenus ont montré clairement le comportement visco-élasto-plastique. Ce comportement a été modélisé en étendant la loi de comportement thermo-élasto-plastique de Cui et al. (2000) à l'effet du fluage.

Le présent mémoire de thèse a pour but d'étudier le comportement visco-hydromécanique de la craie d'Estreux à la fois à l'échelle du site, de l'échantillon et de la microstructure dans le cadre du programme « vieillissement des massifs rocheux ». Premièrement, le suivi de l'instrumentation dans la carrière abandonnée d'Estreux a été réalisé à partir de février 2004. Le changement saisonnier mesuré dans la galerie avec ce suivi et en particulier l'hygrométrie (80% - 100%) a été reproduit pour les essais au laboratoire. Deuxièmement, une étude expérimentale a été menée sur les propriétés de rétention d'eau. Cette étude a montré que la variation d'humidité relative dans la carrière entre 80% et 100% pourrait saturer / désaturer la craie dans la galerie, au moins à la surface des piliers. C'est la raison pour laquelle, dans une troisième phase, la réponse mécanique de la craie partiellement saturée a été caractérisée à l'aide des essais oedométriques et triaxiaux à haute pression et à succion contrôlée. Le comportement visqueux de la craie a été également étudié par une campagne d'essai triaxial à différentes vitesses de chargement. Les résultats obtenus ont mis en évidence l'effet de la succion et de la vitesse de chargement sur le comportement mécanique de la craie: comme la succion, l'augmentation de la vitesse de chargement provoque une expansion du domaine élastique. Quatrièmement, ces phénomènes ont fait l'objet d'une comparaison à l'échelle microscopique. Après une étude sur la définition d'un protocole sur des observations au microscope électronique à balayage environnemental (MEBE), un système de succion contrôlée du module de chargement de compression/traction Microtest (Deben ®) installé dans la chambre d'observation du MEBE, a été développé. Ce système a permis l'étude du comportement visco-hydromécanique de la craie à l'échelle microscopique. Finalement, ce comportement a été modélisé en développant dans l'espace triaxial le modèle RASTRA (Rate of STRAin model) de De Gennaro & Pereira (2008). Ce modèle a permis de simuler l'effet de la succion ainsi que l'effet du temps.