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Nowadays, thermal energy storage in geostructures like embankments can be possible by installing the horizontal heat exchangers in different layers of compacted soil. In this system, the thermal energy is stored in summer via a fluid, circulating in the heat exchangers, to be extracted in the demand period. When the serviceability of embankment as a medium to store the thermal energy starts, the compacted soil will be subjected to the daily and seasonally temperature variations. These seasonal temperature variations could modify the thermo-hydro-mechanical performance of the compacted soil. Thus, the aim of this study is to investigate the thermal and mechanical performances of a compacted soil when it is subjected to monotonic and cyclic temperature variations. The studied soil is a sandy lean clay that is frequently used in embankment constructions in France. The thermal and mechanical behavior of the soil are investigated at a compaction state corresponding to the optimal thermal properties. However, this compacted soil is unsaturated and the estimation of its thermal properties is complex. In this study, an inverse analytical model is proposed to estimate the thermal properties of the soil using temperature monitoring in the range of 20 to 50 °C in a soil compacted in a large container. The estimated thermal parameters were compared to classical laboratory measurements (transient and steady-state methods). The comparison showed that the estimated values were close to the results obtained in transient laboratory method. Using this method, the thermal efficiency of the compacted soil can be verified in the lifetime of the storage system. To ensure the structure stability, long-term mechanical response of these systems subjected to monotonic and cyclic temperature variations should be investigated. To achieve this aim, using temperature-controlled oedometric and direct shear devices, consolidation and shear parameters of the studied soil at different monotonic (5, 20, and 50 °C) and cyclic (5 to 50 °C) temperatures were investigated. The results of temperature-controlled oedometric tests showed that the effect of the temperature variation is more pronounced under vertical pressures higher than the preconsolidation pressure. The compression and swelling indexes could be considered independent of temperature variations. Therefore, the overall settlement of the embankment due to thermal variation near the heat exchangers could be considered negligible. The results of temperature-controlled direct shear tests showed that the temperature variations (monotonic heating or cooling, or temperature cycles) increased the cohesion which is beneficial for the bearing capacity and slope stability of embankments. These results can be directly used in the design of embankments to store thermal energy exposed to similar thermo-mechanical paths. Finally, the thermal performance of the compacted soil is verified using a numerical simulation considering the soil atmosphere interaction. Different depths installation of heat exchanger loops and different heat storage scenarios were simulated. The results showed that the compacted soil increases 8.5% the systems performance compared to the horizontal loop installation in the local soil. The results of two different scenarios show that an inlet fluid temperature of 50 °C in summer increases highly the system performance (13.7% to 41.4%) while the improvement is less significant (0% to 4.8%) for the ambient inlet temperature. Moreover, a deeper installation of horizontal loops increases the system performance. From the numerical simulation results can be concealed that the embankment is in interaction with the atmosphere from its upper and lateral surfaces, the thermal efficiency of the structure could be affected due to heat losses. Therefore, it is preferable to place the heat exchangers away from the top and side surfaces., Le stockage de chaleur dans des géostructures énergétiques telles que des remblais est réalisable en installant des échangeurs horizontaux au sein des différentes couches de sol compacté. Dans ce système, l'énergie thermique qui est injectée en été via un fluide caloporteur circulant dans les échangeurs de chaleur, peut être extraite en période hivernale. Dans ces conditions, lors de la mise en service, le sol compacté est soumis à des variations de température quotidiennes et saisonnières. Ces variations pourraient modifier les performances thermo-hydro-mécaniques du sol compacté. Ainsi, le but de cette étude est d'étudier les performances thermiques et mécaniques d'un sol compacté lorsqu'il est soumis à des variations de température monotones et cycliques. Le sol étudié est un limon fréquemment utilisé dans les constructions de remblais en France. Le comportement thermique et mécanique du sol est étudié à un état de compactage correspondant aux propriétés thermiques optimales. Dans cet état, le sol compacté est non saturé ce qui complexifie l'estimation de ses propriétés thermiques. Pour pallier à ces difficultés, dans cette étude, un modèle inverse est proposé pour estimer les propriétés thermiques du sol compacté. L’efficacité du modèle est testée sur un jeu de données acquises dans la gamme de 20 à 50 °C dans un modèle réduit en laboratoire. Les valeurs obtenues sont ensuite comparées à des mesures classiques en laboratoire (méthodes en régime transitoire et en régime permanent). Cette méthode pourrait permettre de suivre l’évolution des propriétés thermiques du stockage et ainsi assurer son efficacité tout au long de sa durée de vie. La question de la stabilité à long terme de ces structures soumises à des variations thermiques monotones (5, 20 et 50 °C) et cycliques (5 à 50 °C) est ensuite abordée à l'aide d'essais oedomètriques et d’essais de cisaillement direct à température contrôlée. Les résultats des essais de compressibilité ont montré que l'effet de la variation de température est plus prononcé sous une contrainte verticale supérieure à la pression de préconsolidation. Les indices de compression et de gonflement peuvent être considérés comme indépendants des variations de température. Donc le tassement global du remblai dû aux variations thermiques pourrait être considéré comme négligeable. Les résultats des essais de cisaillement direct ont montré que les variations de température (monotones ou cycliques) augmentent la cohésion ce qui est avantageux pour la capacité portante et la stabilité des pentes des remblais. Dans la phase de conception d'un remblai de stockage, ces résultats seraient utiles au dimensionnement du système si des trajectoires thermomécaniques similaires à celles de cette étude sont respectées. Dans une dernière partie, une simulation numérique prenant en compte l'interaction sol-atmosphère est réalisée afin d’évaluer la performance thermique de ce sol compacté en conditions naturelles. Différentes profondeurs d'installation de boucles d'échangeurs de chaleur sont testéss ainsi que différents scénarios de stockage. Les résultats ont montré que le sol compacté augmente de 8.5% les performances du système par rapport à l'installation d'une boucle horizontale dans le sol naturel (non compacté). Les résultats de deux scénarios différents ont montré qu’en été avec un fluide ayant une température d'entrée de 50 °C augmente significativement la performance du système. De plus, une installation plus profonde des boucles horizontales améliore également la performance du système. Il convient de noter que le remblai est en interaction avec l'atmosphère depuis ses surfaces supérieure et latérale, l'efficacité thermique de la structure pourrait être affectée en raison des pertes de chaleur. Par conséquent, il est préférable de placer les échangeurs de chaleur loin des surfaces supérieures et latérales.

10ème Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'Ingénieur -JNGG 2020, LYON, FRANCE, 02-/11/2020 - 03/11/2020; L'application de cycles hydriques sur des sols compactés statiquement à 95% de l'optimum Proctor normal, a des effets sur les propriétés du sol compacté. L'expérience menée jusqu'à 6 et 12 cycles en utilisant du limon sableux B5 en provenance d'une digue de Loire, a montré une augmentation de la perméabilité, une augmentation de la macroporosité associée à une modification de la microstructure observée en tomographie par rayons X.

MATBUD'2018, 8th Scientific-Technical Conference on Material Problems in Civil Engineering, Cracovie, POLOGNE, 25-/06/2018 - 27/06/2018; This study deals with the problem of the experimental characterization of cement-treated compacted soils in terms of microstructural and hydraulic properties. Some tests are conducted on two different types of soil: silty sand and clay as fine soils and gravelous sand and alterite as granular soil. Some samples are mixed with 5% of cement and compacted at different levels (i.e., 85%, 95%, 100% and 105% of the maximum dry density, respectively, as achieved using the standard compaction method). The results of the mercury intrusion porosimetry (MIP) tests performed on these cement-treated soils reveal significant changes as regards macropores due to the combined effects of treatment and compaction. Consequently, a decrease in the permeability is clearly observed for all the tested soils when the degree of compaction increases. This decrease is significantly greater in fine soils, which are more sensitive to compaction effects than granular soils.

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.; 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.

International audience; The main objective of the paper is to present a study on compacted expansive soil strains generated by complex hydric or mechanical loadings and their consequences on tested soil compressibility. In the first part of the paper, the suction controlled testing devices are described (osmotic and salt solutions methods). All the presented tests were performed in the range of suctions comprised between 0 and 40 MPa. The consequences of the strains induced by wetting as a function of the applied mechanical stress were analyzed. The results showed that, under these conditions, strain depends on the followed hydraulic path whereas the slope of the plastic compression line λ(s) was only affected by the suction applied during themechanical loading. The second test series demonstrated that the stress path influenced both deformation and slope λ(s) if suction higher than the initial sample suction was imposed during the test. As a conclusion, it could be stated that the slope λ(s) depends on the suction applied during a mechanical loading and on the maximum suction experienced by an expansive material during its past “history”.; L’objectif de cet article est de présenter une étude sur les déformations d’un sol gonflant provoquées par des sollicitations hydriques et/ou mécaniques complexes ainsi que leurs conséquences sur sa compressibilité notamment. Dans la première partie de l’article, les dispositifs expérimentaux à succion contrôlée employés (méthodes osmotique et solutions salines) pour conduire l’ensemble des essais sont décrits brièvement. Les essais ont été réalisés dans la gamme des succions comprises entre 0 et 40 MPa. Les conséquences d’une sollicitation hydrique monotone (humidification) conduite sous différentes contraintes ont d’abord été caractérisées. Il est apparu que dans ces conditions d’essai, les déformations dépendent du chemin de contrainte contrairement à la pente de compression plastique λ(s) qui ne dépend que de la succion imposée durant le chargement mécanique. Une deuxième série d’essais a permis de montrer l’influence du chemin de contrainte sur les déformations ainsique la pente λ(s) si une succion supérieure à la succion initiale des éprouvettes est imposée au cours de l’essai (dessiccation). En conclusion, la valeur de la pente λ(s) dépend de la succion sous laquelle est effectué le chargement mécanique mais aussi de la plus grande succion connue par le matériau au cours de son « histoire ».

Un sol compacté autour de l’optimum Proctor reste non saturé mais le fluide interstitiel composé d’un mélange d’eau et de bulles d’air occluses présente une compressibilité apparente, la plupart du temps réversible lorsque la contrainte totale diminue. Ceci est dû au fait que la perméabilité du sol à l’air dans ce cas est quasiment nulle. Le paramètre B de la pression interstitielle, défini par Skempton, permet de relier la variation de la pression interstitielle à la variation de la contrainte totale durant un chargement isotrope non drainé. Cette étude expose des résultats de mesures de ce paramètre réalisée pour une Kaolinite pure référencée P300, compactée statiquement légèrement à gauche de l’optimum Proctor et assujettie dans une cellule triaxiale à des cycles de chargement mécanique. Les résultats obtenus ont permis de montrer que l’obtention d’une valeur de B sensiblement égale à 1, preuve de la saturation complète en eau du sol, telle que préconisée par les normes d’essais, n’est pas possible pour diverses raisons, parmi lesquelles la forte rigidité du sol est la plus prépondérante.

International audience; This paper presents a study performed on a compacted swelling material in the range of suctions comprised between 8.5 and 287.9 MPa. Two series of tests were carried out with suction controlled oedometers. The aim of the first series was to study the compressibility as a function of suction. It showed that the apparent preconsolidation pressure and the plastic compression line are greatly affected by the applied suctions. The other series of tests highlighted the influence of complex hydromechanical paths on the compressibility of the studied material that appeared to be greatly influenced by the stress path followed.; Cet article présente une étude menée sur un matériau gonflant compacté dans la gamme des succions comprises entre 8,5 et 287,9 MPa. Deux séries d'essais œdométriques à succion contrôlée sont présentées. La première permet la caractérisation de l'évolution de la compressibilité avec la succion. Elle montre que la pression de préconsolidation apparente et la pente de compression plastique sont significativement influencées par la succion. La deuxième série étudie l'influence de sollicitations hydromécaniques complexes sur la compressibilité du matériau qui apparaı̂t très dépendante du chemin hydromécanique.

The use of compacted soils in engineering practice is very wide spread, especially in geotechnical and environmental engineering. These soils can be submitted to moisture variations, i.e. suction changes, that induce volumetric deformations. The main objective of this thesis is to study the suction influence on the hydromechanical behaviour of a compacted swelling soil in the range of suction comprised between 0 and 300 MPa.For this purpose, two kinds of suction controlled oedometers, using the osmotic method or the salt solutions technique, were employed. The salt solutions oedometer were especially developed for this study. The samples were made with a compacted swelling material. The experimental study has shown that the apparent preconsolidation stress reaches a constant value above a suction of 38.9 MPa. The slope of the plastic compression curve had a maximum value under a suction of 4 MPa. These results seem to be related to the initial internal structure of the samples. Then the influence of complex hydromechanical stress paths was also investigated. It appeared that the results of the tests conducted on a swelling soil depended on the followed stress path even if a wetting is performed during a test. In the last part of this work, the test results were interpreted with the Barcelona Basic Model and Barcelona Expansive Model (BExM). The possibilities of both models were compared. To interpret the test results with the BExM, it is necessary to conduct some additional tests that include a suction cycle and also a constant volume test with a suction controlled wetting. As a conclusion, two suction controlled experimental devices were developed and validated in this study. With these devices, the influence of structure and suction on the hydromechanical behaviour of a compacted swelling soils was characterised., 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. 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.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.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.

The use of compacted soils in engineering practice is very wide spread, especially in geotechnical and environmental engineering. These soils can be submitted to moisture variations, i.e. suction changes, that induce volumetric deformations. The main objective of this thesis is to study the suction influence on the hydromechanical behaviour of a compacted swelling soil in the range of suction comprised between 0 and 300 MPa. For this purpose, two kinds of suction controlled oedometers, using the osmotic method or the salt solutions technique, were employed. The salt solutions oedometer were especially developed for this study. The samples were made with a compacted swelling material. The experimental study has shawn that the apparent preconsolidation stress reaches a constant value above a suction of 38.9 MPa. The slope of the plastic compression curve had a maximum value under a suction of 4 MPa. These results seem to be related to the initial internal structure of the samples. Then the influence of complex hydromechanical stress paths was also investigated. It appeared that the results of the tests conducted on a swelling soil depended on the followed stress path even if a wetting is performed during a test. In the last part of this work, the test results were interpreted with the Barcelona Basic Model and Barcelona Expansive Model (BExM). The possibilities of bath models were compared. To interpret the test results with the BExM, it is necessary to conduct sorne additional tests that include a suction cycle and also a constant volume test with a suction controlled wetting. As a conclusion, two suction controlled experimental deviees were developed and validated in this study. With these deviees, the influence of structure and suction on the hydromechanical behaviour of a compacted swelling soils was characterised., 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. Pour atteindre cet objectif, deux types d'oedomètre à succion contrôlée, soit par la méthode osmotique, soit par la technique des solutions salines saturées, ont été utilisés, les oedomètres à solutions salines ayant entièrement été développés pour ce travail. Le support de l'étude est un matériau gonflant compacté. Les essais réalisés montrent en premier lieu que la pression de préconsolidatlon 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. En conclusion, ce travail a permis la mise en oeuvre, 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.