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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; 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 objective of this research is to analyze the creep behavior of a typical clay along triaxial tests, moreover, to analyze the microstructural mechanisms of creep. Analysis on the macroscopic results ascertained that both dilatancy and contractancy phenomena could occur during creep. The magnitude of the dilatancy/contractancy during creep was guided by the test conditions: stress level and the over consolidation ratio, which specifically governed the direction of the volumetric strain variations. The results of SEM indicated that the microstructural evolution of the clay after the mechanical loading depend on the stress history. Afterwards, the structural evolution in creep phase depends on the structural pattern developed in monotonic loading; Cette recherche vise à analyser et à identifier, par des essais, le comportement au fluage d'une argile de type kaolinite sous un état de contraintes triaxial. Une investigation fine de l’état microstructural, avant et après fluage, a par ailleurs été réalisée. Les résultats macroscopiques ont permis de constater que des phénomènes de dilatance et de contractante s’amplifient pendant le fluage. Les résultats montrent également que la position, sur le plan des contraintes (p'-q), du niveau de contrainte vis-à-vis des différents domaines volumétriques, contrôle le développement de la déformation au fluage et du taux de déformation. Les résultats de MEB ont montré que l'évolution microstructurale de l'argile, après le chargement mécanique, dépend fortement de l'histoire du chargement

The objective of this research is to analyze the appearance and propagation of cracks related to desiccation and to provide a better understanding of the relation between the macroscopic and microscopic behavior of five clays, a kaolinite, a montmorillonite and three mixtures of kaolinite and montmorillonite. At the macroscopic scale, the method is based on (1) measurements of water content, void ratio and degree of saturation versus suction during drying, which allows to specify the relationship between shrinkage and desaturation and highlights the characteristic phases of behavior; (2) measurements of water contents and global deformations in free desiccation tests in order to study their homogeneity; (3) the determination of the local deformations and displacements during drying using the softwares VIC-2D and VIC-3D; (4) a classical study of the parameters of cracks; (5) traction tests in order to identify the tensile properties of the clays involved in the formation of cracks. At the microscopic scale, the study is based on a thorough microstructure analysis using in particular scanning electron microscope, coupled to an adapted method for the identification of preferential orientations of particles. This microscopic study is complemented by mercury intrusion porosimetry analysis, a method which allows to quantify the poral space and to characterize the local void ratio. In addition to the research on clay soils, the effects of decompression and suction on the formation of cracks in a clay rock were analyzed too. The relationship between macroscopic changes and the changes in the microstructure and porosity was investigated. During free desiccation tests, two-dimensional strains and displacements maps are obtained with Vic-2D. The zones of the sample where cracks appear are identified as well as the evolution of strains and displacements before the appearance of cracks. At the end of desiccation, the cracks form a kind of network. Bifurcation of cracks can be observed in some cases. Two modes of cracks are detected during the tests: traction mode and tearing mode. When a crack is caused by traction, the propagation direction follows the direction perpendicular to maximum extension. If there are shear strains in the vicinity of the crack, then its direction changes. In the early time of desiccation, the displacements and strains on the boundaries are larger than those in the other parts of the model. In the vicinity of cracks, displacements and strains are relatively larger than those in the other parts. In most parts of the model, the principal strains are mainly longitudinal and transversal. For a given material, tensile strength increases when water content decreases. Plotting the results versus the liquidity index allows highlighting the effect of mineralogy on tensile strength. At the same liquidity index, the maximum tensile stress decreases when the montmorillonite content increases. The effect of suction on tensile strength seems qualitatively similar to what is observed in the case of unconfined compression strength with tensile strength being a linear function of the logarithm of suction. Analysis with SEM of four slurries submitted to several suctions highlights the global isotropy of the microfabric, with a random orientation of the particles, while a finer analysis reveals that the fabric may present locally some anisotropy.; L'objectif de cette recherche est d’analyser l’apparition et la propagation des fissures de dessiccation et de mieux comprendre la relation entre les comportements macroscopique et microscopique de cinq argiles, une kaolinite, une montmorillonite et trois mélanges de kaolinite et montmorillonite. A l'échelle macroscopique, la méthode est basée sur (1) la mesure de la teneur en eau, de l’indice des vides et du degré de saturation en fonction de la succion au cours du séchage, qui permet de préciser la relation entre le retrait et la désaturation et met en évidence les phases caractéristiques du comportement; (2) des mesures de teneur en eau et des déformations globales dans les tests de dessiccation libre afin d'étudier leur homogénéité ; (3) la détermination des déformations et des déplacements locaux pendant le séchage avec les logiciels VIC-2D et VIC-3D ; (4) une étude classique des paramètres des fissures ; (5) des essais de traction pour déterminer les propriétés des argiles impliquées dans la formation de fissures . A l'échelle microscopique, l'étude est basée sur une analyse approfondie de la microstructure en utilisant en particulier le microscope électronique à balayage, couplé à une méthode adaptée pour l'identification des orientations préférentielles des particules. Cette étude microscopique est complétée par l'analyse de porosimétrie au mercure, une méthode qui permet de quantifier l'espace poral et de caractériser l’indice des vides local. Outre les recherches sur les sols argileux, les effets de la décompression et de la succion sur la formation des fissures dans une roche argileuse ont été analysés également. La relation entre les changements macroscopiques, les changements dans la microstructure et de la porosité a été étudiées. Lors des essais de dessiccation libre, les déformations et les déplacements sont obtenus avec Vic-2D. Les zones de l’échantillon où les fissures apparaissent sont identifiées ainsi que l’évolution des déformations et des déplacements avant l’apparition des fissures. A la fin du séchage, les fissures forment une sorte de réseau, où des bifurcation peuvent être observées dans certains cas. Deux modes de fissuration sont détectés pendant les essais : le mode de traction et le mode de déchirement. Lorsqu’une fissure est causée par des tractions, la direction de propagation suit la direction perpendiculaire à l’extension maximale. S’il y a des distorsions à proximité de la fissure, alors sa direction change. Au début du séchage, les déplacements et les déformations sur le bord sont plus importants que dans les autres parties du modèle. Au voisinage des fissures, les déplacements et les déformations deviennent plus grands que dans les autres parties. Dans la plus grande partie du modèle, les déformations principales sont essentiellement longitudinales et transversales. Pour un matériau donné, la résistance à la traction augmente lorsque la teneur en eau diminue. Le tracé des résultats en fonction de l’indice de liquidité permet de mettre en évidence l’effet de la minéralogie sur la résistance à la traction. Au même indice de liquidité, la contrainte maximale de traction diminue lorsque le pourcentage de monmorillonite augmente. L’effet de la succion sur la résistance à la traction semble qualitativement similaire à ce qui est observé dans le cas de la résistance à la compression simple : on observe que la résistance à la traction est une fonction linéaire du logarithme de la succion. L’analyse au MEB de quatre suspensions soumises à plusieurs succions met en évidence l’isotropie globale de la microstructure, avec une orientation aléatoire des particules, tandis qu’une analyse plus fine révèle que la microstructure peut présenter localement une certaine anisotropie.

The objective of this research is to analyze the appearance and propagation of cracks related to desiccation and to provide a better understanding of the relation between the macroscopic and microscopic behavior of five clays, a kaolinite, a montmorillonite and three mixtures of kaolinite and montmorillonite. At the macroscopic scale, the method is based on (1) measurements of water content, void ratio and degree of saturation versus suction during drying, which allows to specify the relationship between shrinkage and desaturation and highlights the characteristic phases of behavior; (2) measurements of water contents and global deformations in free desiccation tests in order to study their homogeneity; (3) the determination of the local deformations and displacements during drying using the softwares VIC-2D and VIC-3D; (4) a classical study of the parameters of cracks; (5) traction tests in order to identify the tensile properties of the clays involved in the formation of cracks. At the microscopic scale, the study is based on a thorough microstructure analysis using in particular scanning electron microscope, coupled to an adapted method for the identification of preferential orientations of particles. This microscopic study is complemented by mercury intrusion porosimetry analysis, a method which allows to quantify the poral space and to characterize the local void ratio. In addition to the research on clay soils, the effects of decompression and suction on the formation of cracks in a clay rock were analyzed too. The relationship between macroscopic changes and the changes in the microstructure and porosity was investigated. During free desiccation tests, two-dimensional strains and displacements maps are obtained with Vic-2D. The zones of the sample where cracks appear are identified as well as the evolution of strains and displacements before the appearance of cracks. At the end of desiccation, the cracks form a kind of network. Bifurcation of cracks can be observed in some cases. Two modes of cracks are detected during the tests: traction mode and tearing mode. When a crack is caused by traction, the propagation direction follows the direction perpendicular to maximum extension. If there are shear strains in the vicinity of the crack, then its direction changes. In the early time of desiccation, the displacements and strains on the boundaries are larger than those in the other parts of the model. In the vicinity of cracks, displacements and strains are relatively larger than those in the other parts. In most parts of the model, the principal strains are mainly longitudinal and transversal. For a given material, tensile strength increases when water content decreases. Plotting the results versus the liquidity index allows highlighting the effect of mineralogy on tensile strength. At the same liquidity index, the maximum tensile stress decreases when the montmorillonite content increases. The effect of suction on tensile strength seems qualitatively similar to what is observed in the case of unconfined compression strength with tensile strength being a linear function of the logarithm of suction. Analysis with SEM of four slurries submitted to several suctions highlights the global isotropy of the microfabric, with a random orientation of the particles, while a finer analysis reveals that the fabric may present locally some anisotropy.; L'objectif de cette recherche est d’analyser l’apparition et la propagation des fissures de dessiccation et de mieux comprendre la relation entre les comportements macroscopique et microscopique de cinq argiles, une kaolinite, une montmorillonite et trois mélanges de kaolinite et montmorillonite. A l'échelle macroscopique, la méthode est basée sur (1) la mesure de la teneur en eau, de l’indice des vides et du degré de saturation en fonction de la succion au cours du séchage, qui permet de préciser la relation entre le retrait et la désaturation et met en évidence les phases caractéristiques du comportement; (2) des mesures de teneur en eau et des déformations globales dans les tests de dessiccation libre afin d'étudier leur homogénéité ; (3) la détermination des déformations et des déplacements locaux pendant le séchage avec les logiciels VIC-2D et VIC-3D ; (4) une étude classique des paramètres des fissures ; (5) des essais de traction pour déterminer les propriétés des argiles impliquées dans la formation de fissures . A l'échelle microscopique, l'étude est basée sur une analyse approfondie de la microstructure en utilisant en particulier le microscope électronique à balayage, couplé à une méthode adaptée pour l'identification des orientations préférentielles des particules. Cette étude microscopique est complétée par l'analyse de porosimétrie au mercure, une méthode qui permet de quantifier l'espace poral et de caractériser l’indice des vides local. Outre les recherches sur les sols argileux, les effets de la décompression et de la succion sur la formation des fissures dans une roche argileuse ont été analysés également. La relation entre les changements macroscopiques, les changements dans la microstructure et de la porosité a été étudiées. Lors des essais de dessiccation libre, les déformations et les déplacements sont obtenus avec Vic-2D. Les zones de l’échantillon où les fissures apparaissent sont identifiées ainsi que l’évolution des déformations et des déplacements avant l’apparition des fissures. A la fin du séchage, les fissures forment une sorte de réseau, où des bifurcation peuvent être observées dans certains cas. Deux modes de fissuration sont détectés pendant les essais : le mode de traction et le mode de déchirement. Lorsqu’une fissure est causée par des tractions, la direction de propagation suit la direction perpendiculaire à l’extension maximale. S’il y a des distorsions à proximité de la fissure, alors sa direction change. Au début du séchage, les déplacements et les déformations sur le bord sont plus importants que dans les autres parties du modèle. Au voisinage des fissures, les déplacements et les déformations deviennent plus grands que dans les autres parties. Dans la plus grande partie du modèle, les déformations principales sont essentiellement longitudinales et transversales. Pour un matériau donné, la résistance à la traction augmente lorsque la teneur en eau diminue. Le tracé des résultats en fonction de l’indice de liquidité permet de mettre en évidence l’effet de la minéralogie sur la résistance à la traction. Au même indice de liquidité, la contrainte maximale de traction diminue lorsque le pourcentage de monmorillonite augmente. L’effet de la succion sur la résistance à la traction semble qualitativement similaire à ce qui est observé dans le cas de la résistance à la compression simple : on observe que la résistance à la traction est une fonction linéaire du logarithme de la succion. L’analyse au MEB de quatre suspensions soumises à plusieurs succions met en évidence l’isotropie globale de la microstructure, avec une orientation aléatoire des particules, tandis qu’une analyse plus fine révèle que la microstructure peut présenter localement une certaine anisotropie.

A thorough experimental analysis with a micro macro approach was performed on a material composed ofa mixture of Kaolinite / Smectite clays. The study showed at macroscopic scale as the microscopic scalethat the behaviour is particularly sensitive to the proportion of smectite in the mixture. Kaolinite(Kaolinite P300) is well known from the point of view of characterization and behaviour, smectite (also called Greek clay) is a calcic type and was also the subject of several studies.From 35% of smectite in the mixture, the results show that the behaviour on triaxial path approachconsiderably to that of smectite. Furthermore, investigation on the microscopic level (using scanningelectron microscope supplemented by X‐ray diffraction analysis) performed on the samples after the testshows that, if it exceeds a certain threshold, the smectite fraction promotes the development of slipplanes. These plans are evident as oriented groups of particles of smectite.The used microstructural analysis is based on a rigorous method, developed in the context of this thesis,with an automated image processing to provide quantitative results.This multi‐scale investigation has been used to characterize the behaviour of a marine sediment taken ofGulf of Guinea by 700 m water depth. The study, originally conducted in the CLAROM project (2002‐2005), interested to the offshore industry. The natural sediment contains up to 60% proportion of claywith approximately 15% smectite and 50% kaolinite.; Une analyse expérimentale approfondie avec une approche micro macro a été réalisée sur un matériaucomposé d’un mélange d’argile Kaolinite/Smectite. L’étude a permis de montrer à l’échelle macroscopiquecomme à l’échelle microscopique un comportement particulièrement sensible à la proportion de smectitedans le mélange. La kaolinite (Kaolinite P300) est bien connue du point de vu de sa caractérisation et deson comportement, la smectite (également nommée argile grecque) est de type calcique et a égalementfait l’objet de plusieurs études.Dès 35% de smectite dans le mélange, les résultats sur chemin triaxial montrent que le comportementapproche considérablement celui de la smectite. Par ailleurs, l’investigation à l’échelle microscopique (aumoyen de Microscope Electronique à Balayage complétée par une analyse de diffractions des rayons X)réalisé sur les échantillons après l’essai, met en évidence le fait que, lorsqu’elle dépasse un certain seuil, lafraction en smectite favorise le développement de plans de glissement. Ces plans apparaissent clairementsous forme de groupes de particules de smectite orientées.L’analyse microstructurale utilisée est basée sur une méthode rigoureuse, développée dans le cadre decette thèse, avec un traitement d’images automatisé permettant de fournir des résultats quantitatifs.Cette démarche d’investigation multi‐échelles a été employée afin caractériser le comportement d’unsédiment marin prélevé au large de Golfe de Guinée par 700 m de profondeur d’eau. L’étude, initialementmenée dans le cadre du projet CLAROM (2002‐2005), intéresse l’industrie Offshore. Le sédiment naturelcontient jusqu’à 60% de proportion argileuse avec approximativement 15% de smectite et 50% dekaolinite.

A thorough experimental analysis with a micro macro approach was performed on a material composed ofa mixture of Kaolinite / Smectite clays. The study showed at macroscopic scale as the microscopic scalethat the behaviour is particularly sensitive to the proportion of smectite in the mixture. Kaolinite(Kaolinite P300) is well known from the point of view of characterization and behaviour, smectite (also called Greek clay) is a calcic type and was also the subject of several studies.From 35% of smectite in the mixture, the results show that the behaviour on triaxial path approachconsiderably to that of smectite. Furthermore, investigation on the microscopic level (using scanningelectron microscope supplemented by X‐ray diffraction analysis) performed on the samples after the testshows that, if it exceeds a certain threshold, the smectite fraction promotes the development of slipplanes. These plans are evident as oriented groups of particles of smectite.The used microstructural analysis is based on a rigorous method, developed in the context of this thesis,with an automated image processing to provide quantitative results.This multi‐scale investigation has been used to characterize the behaviour of a marine sediment taken ofGulf of Guinea by 700 m water depth. The study, originally conducted in the CLAROM project (2002‐2005), interested to the offshore industry. The natural sediment contains up to 60% proportion of claywith approximately 15% smectite and 50% kaolinite., Une analyse expérimentale approfondie avec une approche micro macro a été réalisée sur un matériaucomposé d’un mélange d’argile Kaolinite/Smectite. L’étude a permis de montrer à l’échelle macroscopiquecomme à l’échelle microscopique un comportement particulièrement sensible à la proportion de smectitedans le mélange. La kaolinite (Kaolinite P300) est bien connue du point de vu de sa caractérisation et deson comportement, la smectite (également nommée argile grecque) est de type calcique et a égalementfait l’objet de plusieurs études.Dès 35% de smectite dans le mélange, les résultats sur chemin triaxial montrent que le comportementapproche considérablement celui de la smectite. Par ailleurs, l’investigation à l’échelle microscopique (aumoyen de Microscope Electronique à Balayage complétée par une analyse de diffractions des rayons X)réalisé sur les échantillons après l’essai, met en évidence le fait que, lorsqu’elle dépasse un certain seuil, lafraction en smectite favorise le développement de plans de glissement. Ces plans apparaissent clairementsous forme de groupes de particules de smectite orientées.L’analyse microstructurale utilisée est basée sur une méthode rigoureuse, développée dans le cadre decette thèse, avec un traitement d’images automatisé permettant de fournir des résultats quantitatifs.Cette démarche d’investigation multi‐échelles a été employée afin caractériser le comportement d’unsédiment marin prélevé au large de Golfe de Guinée par 700 m de profondeur d’eau. L’étude, initialementmenée dans le cadre du projet CLAROM (2002‐2005), intéresse l’industrie Offshore. Le sédiment naturelcontient jusqu’à 60% de proportion argileuse avec approximativement 15% de smectite et 50% dekaolinite.