Avec les récents développements des mesures de champs, il est devenu possible deréaliser des expériences sur un échantillon de sol en effectuant des mesures simultanémentaux différentes échelles pertinentes : celle de l'échantillon, et celle des grains, et ceci en3D volumique. Ces progrès ont permis une meilleure compréhension des processus qui seproduisent dans le sol, en les observant au cœur même des échantillons.Cette thèse vise à caractériser les comportements de rétention d'eau et hydro-mécaniquedu sable d'Hostun non saturé à l'échelle du grain. Pour ce faire, des essais de rétentiond'eau et des essais triaxiaux ont été effectués, qui ont nécessité le développement d'outils detraitement d'image et des montages expérimentaux spécifiques. L'installation de tomographie à rayons X du Laboratoire 3SR de l'Université des Grenoble a été utilisée pour générer des images en 3D de la microstructure du sol non saturé. Une technique de trinarization a été mise en œuvre pour permettre la séparation des phases (les grains, l'eau et l'air) dans les images 3D, et d'effectuer différentes mesures à l'échelle du grain. La porosité et le degré de saturation ont été mesurées macroscopiquement en utilisant les images segmentées, et microscopiquement en utilisant un code de cartographie spécialement développé. Les mesures microscopiques ont été réalisées sur un volume élémentaire représentatif (VER), dont la taille a été déterminée en utilisant une analyse développée sur la base d'outils statistiques. Plusieurs analyses discrets ont été développées pour étudier l'évolution de la phase fluide (l'eau et l'air) avec le chargement (succion, et chargement mécanique). La corrélation d'images numérique 3D volumique a été mise en œuvre systématiquement pour ces deux types d'essais.Pour analyser le comportement de rétention d'eau du sable d'Hostun pendant les processus de séchage et de mouillage, une cellule spécifique a été développée. La succion a été appliquée en utilisant la technique de tensiomètre. L'échantillon (cylindrique 1x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau et scanné avec une résolution de 7,5micron. La courbe de rétention d'eau, surface et les domaines hydriques ont été obtenus et le phénomène d'hystérésis et la cohésion du sol ont été analysés à l'échelle du grain.Pour le comportement hydro-mécanique des sols non saturés, des essais triaxiaux ontété effectué sous trois conditions: saturé drainé, non saturé drainé et non saturé non drainé. Un appareil triaxial que l'on peut placer à l'intérieur de la cabine du tomographe à rayons X a été développé afin de permettre le suivi des changements dans la microstructure du sable et la distribution de l'eau lorsque l'on soumet l'échantillon à chargement mécanique. L'échantillon (cylindre de dimensions hxd=2x1cm) a été préparé en utilisant la technique de la pluviation sous l'eau (complétement saturé au début des trois tests), amené ensuite au niveau de saturation désiré (dans le cas des essais non saturés), puis chargé par étapes successives avec scan à chaque étape avec une résolution de 13micron, jusqu'à arriver à 21% de déformation axiale pour les trois types d'essai. Les courbes contrainte-déformation, la réponse volumétrique et les déformations ont été obtenus et le profil de déformation, l'hétérogénéité de l'échantillon, la cohésion et la distribution de l'eau ont été analysés. / With the recent developments of full field measurements, it has become possible to do experiments on a soil specimen, and perform measurements at different scales. This progress has allowed greater understanding for all the processes that occur within the soil, and also created better environment to observe these mechanisms in 3D. This PhD work aims to characterize water retention and hydro-mechanical behaviours of unsaturated Hostun sand at the grain scale. To achieve this goal, water retention and triaxial tests were performed and a set of experimental and image processing tools was developed and used for the two series of tests. X-ray computed tomography set up available at 3SR Laboratory in Grenoble University was used to generate 3D images of the unsaturated soil microstructure non-destructively. A developed region growing systematic technique (trinarization technique) was used to allow the separation of the phases (i.e., grains, water and air) in the 3D images, and performing different measurements at the grain scale. Porosity and degree of saturationwere measured macroscopically using the trinarized images and microscopically using a developed mapping code. The microscopic measurements were performed over an REV, whose size was determined using a developed analysis based on statistical tools. Several microscopic-discrete analyses were developed to investigate the evolution of fluid phase (water and air) with loading (suction and mechanical loading). Digital Image Correlation was performed for the two tests.To analyze water retention behaviour of Hostun sand during drying and wetting processes, a pressure plate apparatus was developed. Suction was applied using tensiometry technique. The specimen (cylindrical 1x1cm) was prepared using water pluviation technique and scanned with a resolution 7.5micron. As a result, water retention curve, surface and domains were obtained and hysteresis phenomenon and soil cohesion were analyzed at the grain scale.For the mechanical behaviour of unsaturated soils, triaxial test were performed at three conditions: saturated drained, unsaturated drained and unsaturated undrained. A triaxial apparatus that can be placed inside the x-ray cabinet was developed in order to facilitate monitoring the changes in sand microstructure and water distribution when subjecting the soil specimen to loading. The specimen (cylinder of hxd=2x1cm) was prepared using water pluviation technique (completely saturated at the beginning of the three tests), loaded then scanned with a resolution 13micron, repeatedly till reaching 21% axial strain forthe three tests.Consequently, stress-strain curves, volumetric response and deformations measurements were obtained and deformation pattern, specimen heterogeneity, cohesion and water distribution were analyzed.

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.

Under hösten 2019 har Vattenfall Research & Development byggt en experimentell jordfyllningsdamm i Älvkarleby med dimensionerna 20x15x4 meter. Delar av experimentdammen är konventionellt konstruerade och har installerats med geoteknisk utrustning som utgörs av bland annat inklinometrar och portrycksgivare. Andra delar av experimentdammen har byggts in med defekter som ska representera åldersrelaterade skador eller utförandefel vid konstruktion. Experimentdammen ger möjlighet att under realistiska och kontrollerade förhållanden studera det mekaniska beteendet i samband med fyllning av vatten och vidare drift med hjälp av den geotekniska instrumenteringen samt med stöd av numerisk modellering. I detta examensarbete, som utgör en del av Luleå tekniska universitets forskningsprojekt mot experimentdammen, har experimentdammens beteende i form av deformationer och portryck studerats under uppfyllnad och drift fram till sommaren 2021. Detta har utförts genom simuleringar i det finita elementprogrammet PLAXIS 2D 2019 för en tvärsektion av experimentdammen i plant-deformationstillstånd. Mätpunkterna i modellen har baserats på faktisk placering av den geotekniska instrumenteringen. Den finita elementmodellen av experimentdammen har konstruerats och fyllts med vatten enligt dokumentation från fält. En flödes-deformationsanalys, med den konstitutiva modellen Hardening Soil och den hydrauliska modellen van Genuchten, har tillämpats för att modellera den simultana utvecklingen av portryck och deformationer under uppfyllnad. Materialparametervärden för den finita elementmodelleringen har erhållits från Vattenfall R&D, relevant litteratur och från fält- och laboratorieförsök. I fält har vattenvolymeterförsök utförts på tätkärnan och i laboratoriemiljö har modifierad proctorpackning, dränerade konventionella triaxialförsök, permeabilitetsförsök och övertryckskapillarimeterförsök utförts på tätkärnans material. Resultatet från övertryckskapillarimeterförsök har anpassats mot den hydrauliska modellen van Genuchten för att uppskatta en vattenbindningskurva som beskriver det icke-linjära förhållandet mellan jordens vatteninnehåll och porundertryck, det vill säga det omättade förhållandet. Vattenbindningskurvor för övriga materialzoner har uppskattats baserat på litteratur. Verktyget PLAXIS SoilTest har använts för att optimera materialparametervärden för tätkärnan mot resultat från utförda triaxialförsök. Materialparametrarna E50ref, Eoedref, Eurref, m, c, och ϕ har optimerats fram till brott i triaxial belastning. En känslighetsanalys har utförts för reduktion av filterzonernas och stödfyllningens styvhetsmoduler och deras inverkan på horisontella deformationer i dammkroppen under uppfyllnad. Känslighetsanalysen indikerar att finfiltrets styvhetsmoduler har störst inverkan och grovfiltrets styvhetsmoduler har minst inverkan på de horisontella deformationerna. Studiens resultat visar att magnituden av horisontella och vertikala deformationer kommer vara som störst i den övre delen av dammkroppen och uppgår där till 3,5 respektive 4,0 mm. Dammkroppens huvudsakliga rörelse kommer vara i nedströms riktning och det observerades hur en kontaktzon mellan uppströms filterzon och tätkärnan utgör en gräns för riktning av deformationer. Faktiskt uppmätta rörelser i installerade inklinometrar kunde inte jämföras mot deformationer i den finita elementmodellen eftersom författarens tolkning indikerar på att botten av inklinometrarna har rört på sig, och mätpunkterna i botten av modellen är fixerade. Modellen visar hur en fördröjd utveckling av vattenmättnad sker genom tätkärnan, där uppströms sida av tätkärnan reagerar snabbare på förändringar i vattennivå jämfört med nedströms sida av tätkärnan som uppvisar en fördröjd respons. Vid en sänkning av vattennivån observerades hur tätkärnan håller kvar vatten ovan portryckslinjen medan de grövre materialen dränerar i takt med vattennivåns sänkning. Utvecklingen av de simulerade portrycken i modellen under uppfyllnad och drift överensstämmer bra med de uppmätta portrycken i experimentdammen, när portrycken är positiva. Det observeras hur den finita elementmodellen överskattar negativa portryck (porundertryck). Portrycken i modellen når ett stadigt tillstånd ungefär 115 dagar efter att fyllningen av vatten påbörjats. Den finita elementmodellen lyckas att återge det teoretiska beteendet av jordfyllningsdammar under fyllning i form av huvudsakliga riktningar av deformationer och utveckling av vattenmättnad i tätkärnan. Denna studie bidrar till en djupare förståelse för experimentdammens, och i allmänhet jordfyllningsdammars, mekaniska beteende under uppfyllnad. Resultaten från den finita elementmodellen kan ur ett dammsäkerhetsperspektiv användas för erhålla indikationer på utvecklingen av deformationer, portryck och vattenmättnadsgrad i jordfyllningsdammar under uppfyllnad, och även under en tillfällig sänkning av vattennivån under den första fyllningen. Studien ger också indikationer på vilka materialparametrar som är viktiga vid numerisk modellering av mekaniskt beteende i jordfyllningsdammar. / During the autumn of 2019, Vattenfall Research & Development constructed an experimental embankment dam in Älvkarleby with the dimensions 20x15x4 metres. Parts of the experimental dam are conventionally constructed and have been equipped with geotechnical instrumentation which consist of, among other things, inclinometers and pore pressure transducers. Other parts of the experimental dam have built in defects to represent age-related damages or execution errors during construction. The experimental embankment dam provides the opportunity to, under realistic and controlled conditions, study the mechanical behaviour during filling of water and operation by means of the geotechnical instrumentation and the use of numerical modelling. In this master’s thesis, which forms part of Luleå University of Technology’s research project towards the experimental dam, the behaviour of the experimental dam in terms of deformations and pore pressures have been studied during filling and operation until the summer of 2021. This has been performed by simulations in the finite element program PLAXIS 2D 2019 for a cross section of the experimental dam under plane-strain conditions. Measuring points in the model have been based on the actual location of the geotechnical instrumentation. The finite element model of the experimental dam has been constructed and filled according to documentation from field. A fully-coupled flow deformation analysis, with the constitutive model Hardening Soil and hydraulic model van Genuchten, has been utilised to model the simultaneous development of pore pressure and deformations during filling. Values of material parameters for the finite element modelling have been received from Vattenfall R&D, relevant literature and from field- and laboratory tests. In the field, balloon tests have been performed on the core material. In laboratory environment, modified proctor compaction tests, drained conventional triaxial tests, permeability tests and pressure plate tests have been performed on the core material. Results from the pressure plate tests have been adapted to the hydraulic model van Genuchten to estimate a soil-water characteristic curve in order to describe the non-linear relation between the water content and suction in the soil, i.e. unsaturated conditions. Soil-water characteristic curves for the other material zones have been estimated based on literature. The tool PLAXIS SoilTest has been used to optimise material parameter values of the core against the results from conducted triaxial tests. The material parameters E50ref, Eoedref, Eurref, m, c, and ϕ have been optimised until failure in triaxial loading. A sensitivity analysis has been carried out, by reducing stiffness moduli of the filter zones and the shoulder material, to investigate the influence on horizontal deformations in the dam body during filling. The sensitivity analysis indicates that the stiffness moduli of the fine filter have the largest impact and the stiffness moduli of the coarse filter have the least impact on the horizontal deformations. The results of the study show that the magnitude of horizontal and vertical deformations will be largest in the upper part of the dam body and amounts to 3.5 and 4.0 mm, respectively. The main movement of the dam body will be in the downstream direction and it was observed how a contact zone between the upstream filter zone and the core forms a boundary for direction of deformations. Actual measured movements in the installed inclinometers could not be compared to deformations in the finite element model because the author’s interpretation indicates that the bottom of the inclinometers have moved, and the measuring points at the bottom of the model are fixed. The model shows how a delayed development of saturation occur through the core, where the upstream side of the core responds more quickly to changes in water level compared with the downstream side of the core which show a delayed response. At a lowering of the water level, it was observed how the core retains water above the phreatic line while the coarser materials drain as the water level decreases. Development of the simulated pore pressures in the model during filling and operation corresponds well with the measured pore pressures in the experimental dam, when the pore pressures are positive. It is observed how the finite element model overestimates negative pore pressures (suction). The pore pressures in the model reaches a steady state approximately 115 days after filling of water started. The finite element model succeeds in reproducing the theoretical behaviour of embankment dams during filling in terms of main directions of deformations and development of saturation in the core. This study contributes to a deeper understanding of the experimental dam, and in general mechanical behaviour of embankment dams during filling. The results from the finite element model can be used from a dam safety perspective to obtain indications on the development of deformations, pore pressures and degree of saturation in embankment dams during filling, and also for a temporary lowering of the water level during the first filling. The study also provides indications of which material parameters that are of importance in numerical modelling of mechanical behaviour in embankment dams.

In the theoretical part of the thesis are generally characterized hydraulically bound mixtures, their types, classification systems, manufacturing technology and the laying. There are also described experiences from abroad with the use secondary and recycled materials in hydraulically bound mixtures. The practical part deals with the experimental verification of the possibility of the use of secondary materials in hydraulically bound mixtures in construction of road infrastructure. In road laboratory Institute of road structures Brno university of technology was the five proposed mixtures, an assessment of their parameters with regard to the possibility of using these mixtures in the road sub-base layers. The work is also aimed at comparison of results elasticity modules reached laboratory testing and experimental measurements on road polygon.

The thesis is focused on experimental testing of resilient modulus Mr with triaxial test of chosen unbounded and bounded mixtures used in the sub-base layer of pavement. The reason of testing is to compare results with TP 170 – pavement construction guide containing commonly used values of resilient modulus Mr. Thesis should check if those values are correct and real. For classification of chosen materials there are used another tests like grain size distribution, compaction, California bearing ratio CBR for unbounded mixtures and compressive strength for cement-bounded mixtures.

Dreiaxiale Druckprüfungen können als Einstufenversuche, als Mehrstufenversuche oder als Versuche mit kontinuierlichen Bruchzuständen ausgeführt werden. Bei der Anwendung der Mehrstufentechnik ergeben sich insbesondere Fragestellungen hinsichtlich der richtigen Wahl des Umschaltpunktes und des optimalen Verlaufs des Spannungspfades zwischen den einzelnen Versuchsstufen. Fraglich beim Versuch mit kontinuierlichen Bruchzuständen bleibt, ob im Versuchsverlauf tatsächlich Spannungszustände erfasst werden, welche die Höchstfestigkeit des untersuchten Materials repräsentieren. Die Dissertation greift diese Fragestellungen auf, ermöglicht den Einstieg in die beschriebene Thematik und schafft die Voraussetzungen, die zur Lösung der aufgeführten Problemstellungen notwendig sind. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbasis gesteinsmechanischer und petrophysikalischer Kennwerte wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das Spannungs-Verformungs-, Festigkeits- und Bruchverhalten eines Sandsteins im direkten Zug- und im einaxialen Druckversuch sowie in dreiaxialen Druckprüfungen zufriedenstellend wiedergibt. Das Festigkeitsverhalten des entwickelten Modells wurde in Mehrstufentests mit unterschiedlichen Spannungspfaden analysiert und mit den entsprechenden Laborbefunden verglichen.

Dreiaxiale Druckprüfungen können als Einstufenversuche, als Mehrstufenversuche oder als Versuche mit kontinuierlichen Bruchzuständen ausgeführt werden. Bei der Anwendung der Mehrstufentechnik ergeben sich insbesondere Fragestellungen hinsichtlich der richtigen Wahl des Umschaltpunktes und des optimalen Verlaufs des Spannungspfades zwischen den einzelnen Versuchsstufen. Fraglich beim Versuch mit kontinuierlichen Bruchzuständen bleibt, ob im Versuchsverlauf tatsächlich Spannungszustände erfasst werden, welche die Höchstfestigkeit des untersuchten Materials repräsentieren. Die Dissertation greift diese Fragestellungen auf, ermöglicht den Einstieg in die beschriebene Thematik und schafft die Voraussetzungen, die zur Lösung der aufgeführten Problemstellungen notwendig sind. Auf der Grundlage einer umfangreichen Datenbasis gesteinsmechanischer und petrophysikalischer Kennwerte wurde ein numerisches Modell entwickelt, welches das Spannungs-Verformungs-, Festigkeits- und Bruchverhalten eines Sandsteins im direkten Zug- und im einaxialen Druckversuch sowie in dreiaxialen Druckprüfungen zufriedenstellend wiedergibt. Das Festigkeitsverhalten des entwickelten Modells wurde in Mehrstufentests mit unterschiedlichen Spannungspfaden analysiert und mit den entsprechenden Laborbefunden verglichen.