Vulnerability of levees to climate change: A multi-scale approach to studying the long-term behaviour of soil-cement mixtures and the effect of soil inclusions not treated during the mixing process
Vulnérabilité des digues au changement climatique : Approche multi-échelle pour l'étude du comportement à long terme des mélanges sol-ciment et effet des inclusions de sol non traité lors du processus de malaxage
Résumé
To remedy the risk of failure by internal erosion of the earthen levees of the Loire, cut-off walls have been built since 2013 using the Deep Soil Mixing (DSM) method, in particular with the Trenchmix® technique. This technique mechanically mixes the soil in place with cement and water. However, due to the varying properties of the soil to be treated and the mixing process, soil inclusions not mixed with cement appear in the soil-cement mixture. Given that this method is relatively recent, feedback on the hydromechanical performance and durability of these DSM materials is still very limited. The work carried out during this thesis therefore aims to explore their hydromechanical behaviour, in the presence of soil inclusions, in face of various hydraulic, mechanical and hydric solicitations. First, the description of DSM materials' microstructure, a key characteristic governing the material's performance and durability, allowed us to develop an approach for successfully predicting the water permeability of soil-cement matrix, which is crucial in the context of waterproofing work on earth levees. In addition, this thesis developed innovative 2D and 3D methods involving image analysis to realistically characterize the heterogeneities of DSM materials that are inevitably present on site, thus revealing their impact on the engineering properties of DSM materials coming from different sites in France, in particular the impact on water permeability, which had not been explored in the literature. Numerical simulations, using real inclusion mesostructures (generated using methods developed during this thesis) or artificial ones, have enabled 2D and 3D models to be set up to accurately assess the hydromechanical properties of DSM materials, while taking into account their specific features, such as the presence of unmixed soil inclusions and the interfacial transition zone (ITZ) that surrounds them. Indeed, microstructural investigations carried out on DSM samples from the site partially revealed the existence of an ITZ several hundred micrometers thick surrounding the soil inclusions, a less cemented zone with poorer mechanical and microstructural properties than the soil-cement matrix. Finally, this thesis explored the degradation of the properties of DSM materials under the environmental conditions to which they are exposed in the soil surrounding the DSM structure, by introducing a new durability test based on percolation cells.
Afin de remédier au risque de rupture par érosion interne des digues en terre de la Loire, des écrans étanches ont été construits depuis 2013 en utilisant la méthode du Deep Soil Mixing (DSM), en particulier avec la technique de Trenchmix®. Cette technique permet de mélanger mécaniquement le sol en place avec du ciment et de l'eau. Cependant, en raison de l'hétérogénéité des propriétés du sol à traiter et du processus de malaxage, des inclusions de sol non malaxé avec le ciment apparaissent dans le mélange sol-ciment. Etant donné que cette méthode est relativement récente, les retours d'expérience sur les performances hydromécaniques et la durabilité de ces matériaux DSM restent très limités. Les travaux menés durant cette thèse visent donc à explorer leur comportement hydromécanique, en présence d'inclusions de sol, face à diverses sollicitations hydrauliques, mécaniques et hydriques. Tout d'abord, la description de la microstructure des matériaux DSM, une caractéristique clé gouvernant les performances et la durabilité du matériau, a permis de développer une approche pour prédire avec succès la perméabilité à l'eau des matrices sol-ciment, cruciale dans le contexte des travaux d'étanchéité des digues en terre. De plus, cette thèse a développé des méthodes novatrices en 2D et en 3D basées sur l'analyse d'images pour caractériser de manière réaliste les hétérogénéités des matériaux DSM présentes inévitablement sur site, révélant ainsi leur impact sur les propriétés d'ingénierie des matériaux DSM provenant de différents sites en France, en particulier l'impact sur la perméabilité à l'eau qui n'avait pas été exploré dans la littérature. Les simulations numériques, utilisant des mésostructures d'inclusions réelles (générées à l'aide des méthodes développées durant cette thèse) ou artificielles, ont permis de mettre en place des modèles 2D et 3D pour évaluer avec précision les propriétés hydromécaniques des matériaux DSM, tout en prenant en compte leurs spécificités, comme la présence d'inclusions de sol non malaxé et la zone de transition interfaciale (ITZ) qui les entoure. En effet, les investigations microstructurales effectuées sur des échantillons de DSM provenant de site ont révélé partiellement l'existence d'une ITZ de plusieurs centaines de micromètres d'épaisseur entournant les inclusions de sol, une zone moins cimentée avec des propriétés mécaniques et microstructurales moins performantes que le mélange sol-ciment. Enfin, cette thèse a permis d'explorer la dégradation des propriétés des matériaux DSM face aux sollicitations environnementales auxquelles ils sont exposés dans le sol encaissant l'ouvrage en DSM, en introduisant un nouveau test de durabilité basé sur les cellules de percolation.
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Manuscrit de thèse - Juba AMRIOUI - GERS_SRO - Version Finale.pdf (58.11 Mo)
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