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Experimental and numerical characterizations of the hydro-mechanical behavior of a heterogeneous material : pellet/powder bentonite mixture
No full textCette thèse porte sur le comportement hydromécanique d’un mélange de poudre et pellets de bentonite MX80 avec une proportion 80/20 en masse sèche. Il s’agit d’un matériau étudié par l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) dans le cadre du projet SEALEX qui a pour objectif principal la vérification de l’efficacité des dispositifs de scellement ou des barrières ouvragées dans le system du stockage géologique des déchets radioactifs. Le comportement hydromécanique du matériau à différentes échelles a été étudié par différents essais en laboratoire. Premièrement, les changements à l’échelle microstructurale d’un seul pellet de bentonite durant l’hydratation a été abordée à l’aide de deux techniques : la porosimétrie au mercure et la tomographie aux rayons-X. Les résultats ont montré que le gonflement d’un pellet peut être expliqué par deux mécanismes : la création des fissures surtout à des succions entre 38 et 9 MPa, et le gonflement des grains de bentonite, correspondant à l’hydratation des smectites à l’échelle nano. A des succions inférieures à 9 MPa, une diminution de l’épaisseur des feuillets d’argile et une augmentation du désordre des ceux-ci sont observées. Des essais de rétention d’eau, de pression de gonflement et de compression à l’odomètre à succion contrôlée ont été effectués sur le mélange de poudre et pellets. Les propriétés de rétention d’eau sous conditions de volume constant et pour un seul pellet sous conditions de gonflement libre apparaissent similaires pour des valeurs de succion supérieures à 4 MPa. Cela implique que la succion physico-chimique est prédominante devant la succion capillaire. Pour des valeurs de succions plus basses, une capacité de rétention plus faible a été observée sous conditions de volume constant, à relier à la disparition des macro-pores par le gonflement des grains de bentonite. Des valeurs de pression de préconsolidation plus petites que celles des mélanges de bentonite pure ont été obtenues pour des succions non-nulles, montrant l’effet granulaire des pellets dans le mélange. Deux colonnes d’infiltration ont été réalisés afin d’étudier deux cas extrêmes avec une densité sèche globale identique (1.49 Mg/m3). Avec la première colonne, un mélange de poudre et pellets relativement homogène, fabriqué en suivant un protocole spécial a été étudié. En revanche, un mélange fortement hétérogène a été fabriqué dans la deuxième colonne d’infiltration. Les résultats montrent que la pression de gonflement radiale dépend fortement de la distribution des pellets et de la poudre ainsi que de l’évolution du front d’hydratation. Une anisotropie de gonflement a été observée dans les deux cas, avec la pression de gonflement axiale inférieure à celle radiale. De plus, la valeur finale de pression de gonflement axiale est différente pour les deux colonnes, bien que les deux échantillons aient fabriquées avec la même densité sèche globale. En parallèle, plusieurs observations à la tomographie aux rayons-X ont été réalisées sur le mélange de pellets et poudre pendant l’hydratation. Un mélange complètement homogène a été observé après 100 jours d’hydratation à l’échelle étudiée (50 μm/voxel). Un nouveau modèle d’endommagement qui prend en compte des fissures observées au sein du pellet pendant hydratation a été développé en adaptant le Barcelona Expansive Model (BExM). L’essai d’infiltration sur l’échantillon relativement homogène a été simulé avec succès en utilisant le modèle développé. L’hétérogénéité initiale de la porosité a été aussi considérée dans la simulation afin de reproduire l’anisotropie de gonflement. Les résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de cette étude permettent de mieux comprendre la réponse des ouvrages de scellement avec le mélange de pellets et poudre de bentonite dans le projet SEALEX. De plus, le modèle développé, qui prend en compte des fissures observées au sein du pellet et l’hétérogénéité initiale du matériau, permettra d’améliorerThe present investigation deals with the hydro-mechanical behavior of a mixture composed of pellets and powder of MX80 bentonite with a proportion of 80/20 in dry mass. This is one of the studied materials by the French Institute for Radiation protection and Nuclear Safety (IRSN) within the SEALEX project, which aims at investigating the long-term performance of swelling clay-based sealing systems in the context of geological high-level radioactive waste disposal. This study has been conducted by following an experimental program covering different scales. Firstly, the microstructure changes while wetting of a single pellet was investigated by combining MIP results with μ-CT observations. Results revealed that swelling of a pellet is due to the development of cracks, with significant development between 38 and 9 MPa of suction, combined to swelling of bentonite grains, which is governed by the hydration mechanisms of smectite at nano-scale. The application of suctions below 9 MPa leads to a significant decrease of the platelet thickness and to an increase in the disorder of the platelet assembly. Water retention tests, swelling pressure tests and suction controlled oedometer tests on the pellet/powder mixture were performed. Similar water retention properties were observed for the mixture under constant-volume condition and pellet under free swelling condition under suctions higher than 4 MPa, suggesting that physico-chemical suction prevails on capillary suction. At lower suctions, constant-volume condition defined a lower water retention capacity because of the disappearance of macro-pores. Lower yield stress values than the common pure bentonite mixtures were found for the pellet/powder mixture for non-zero suctions, showing that the volume change behavior is governed by the rearrangement and crushing of pellets, and the loss of the granular structure in the case of zero suction. Two mock-up tests were performed, aiming at studying two extreme cases at a global dry density of 1.49 Mg/m3: a homogeneous pellet/powder mixture fabricated by following a special protocol, and a strong heterogeneous sample. Results revealed that the radial swelling pressure depends strongly on the local pellet/powder distribution combined with the evolution of the hydration front. An anisotropy swelling was found in both cases, being the axial swelling pressure lower than the radial one. Moreover, different values of axial pressure were found between the two tests, even though they have the same global dry density of samples. In parallel, μ-CT observations were carried out on the mixture while wetting, revealing a homogeneous sealed sample after 100 days of hydration. No density gradients were identified at the investigated resolution (50 μm/voxel) after this long time of hydration. A new damage model, which takes into account the development of fissures within a pellet while wetting, was proposed an included to the well-IVknown double porosity Barcelona Expansive Model (BExM) to carry out numerical simulations of one mock-up test. The initial heterogeneous porosity distribution was also considered to reproduce the anisotropy swelling. The experimental results obtained in this study will greatly help well understand the response of seals made up of pellets/powder bentonite mixture in the SEALEX in situ experiment. Moreover, the constitutive model developed taking into account the pellet cracking damage and the initial sample heterogeneity allows significantly improving the prediction of hydomechanical behavior of seals/plugs made up of this mixture, constituting thus an useful tool for the safety assessment of the nuclear waste disposal syste
Investigating the thermo-hydro-mechanical properties of lime-treated fine-grained soils
No full textLe traitement à la chaux est une technique qui améliore considérablement la maniabilité et le comportement mécanique des sols à problèmes. Cependant, la durabilité de ce traitement dans les ouvrages en terre sur le long terme représente un enjeu important pour leur stabilité. En outre, la procédure de mise en place, et par conséquent, la taille des agrégats qui en résulte, est un paramètre essentiel qui peut influencer le comportement des sols traités à la chaux utilisés dans le domaine de la construction d’ouvrages. Ce travail de thèse vise à étudier le comportement thermo-hydro-mécanique des sols traités à la chaux, et plus particulièrement les effets du temps de cure et de la taille des agrégats. Des échantillons de sols limoneux et argileux traités à la chaux ont été préparés avec des agrégats de différentes tailles puis soumis à des temps de cures plus ou moins longs. Ces matériaux ont ensuite été étudiés à travers des observations de la microstructure, des analyses minéralogiques, des mesures de la conductivité thermique, de la perméabilité à l’air et de la capacité de rétention d'eau, complétées par de la détermination de la compressibilité et des mesures des modules de cisaillement en petites déformations. Les résultats montrent que le traitement à la chaux modifie de manière significative le comportement thermo-hydro-mécanique des sols. De plus, le comportement des sols traités est fortement influencé par la taille des agrégats. Plus celle-ci est grande, plus la conductivité thermique et la perméabilité à l'air est importante. En revanche, la capacité de rétention en eau est diminuée de même que la compressibilité et la rigidité du solLime treatment is a technique which greatly improves the workability and the mechanical behaviour of problematic soils. However, the sustainability of this treatment in the earthworks for the long term is an important issue for their stability. Besides, the aggregate size resulting from the construction procedure is an essential parameter that may influence the behaviour of treated soils in field construction. The present work deals with the thermo-hydro-mechanical properties of lime-treated soils, with an emphasis put on the curing time and the aggregate size effects. Lime-treated soil samples (both silt and clay) were prepared with different sizes of aggregates and cured during different periods. Afterwards, these soils were studied through microstructural observations, mineralogical analyses, thermal conductivity, air permeability and water retention capacity measurements, as well as the determinations of compressibility and small strain shear modulus. The results show that significant changes of thermo-hydro-mechanical behaviour of soils are induced by lime treatment after curing. Moreover, the aggregate size also plays an essential role in the behaviour of treated soils. Samples prepared with the large aggregates present higher thermal conductivity and air permeability, but with lower water retention capacity, poorer compression behaviour and smaller stiffnes
Study of the chemo-hydro-mechanical behavior of stiff clays in the context of radioactive waste disposal
No full textLa présente étude vise à comprendre le comportement chimico-hydro-mécanique des argiles raides à travers deux formations géologiques, l'argile de Boom et les argiles yprésiennes, qui sont censées être des formations hôtes potentielles pour le stockage de déchets radioactifs en Belgique. Le comportement volumique a été étudié tant à l'état intact qu'à l'état reconstitué, et sous différentes conditions : K0 et isotrope, sous des boucles de chargement - déchargement. Les résultats obtenus montrent que le comportement volumique de ces argiles est gouverné par la compétition entre l'effet physico-chimique et l'effet mécanique, caractérisée par une contrainte seuil qui correspond à la contrainte de gonflement en termes de changements de structure. Une loi de comportement volumique a été ainsi développée afin de décrire cet aspect. La perméabilité a été déterminée, comparée avec les résultats dans la littérature et corrélée avec les paramètres comme l'indice des vides. La variation de la perméabilité avec la profondeur ont mis en évidence le rôle déterminant des macro-pores dans le transfert des fluides. Le comportement volumique et la perméabilité des argiles de Boom et yprésiennes intactes sont aussi influencés par la variation de la composition chimique de l'eau de pore, qui modifie la double couche diffuse et favorise l'agrégation des particules argileuses. Les caractéristiques élastiques, la surface de charge et l'enveloppe de rupture ont été identifiées pour le comportement déviatorique des argiles de Boom et yprésiennes. Un modèle élasto-plastique conceptuel a été développé permettant de tenir compte des effets du gonflement et de la compétition entre l'effet mécanique et l'effet physico-chimiqueThe present research aims to understand the chemo-hydro-mechanical behavior of stiff clays through two geological formations, the Boom Clay and the ypresian clays which are considered as possible host formations for the radioactive wastes disposal in Belgium. The volume change behavior was studied in both intact and reconstituted states, and under different conditions: under K0 and isotropic loading, under loading/unloading loops. The results show that the volume change behavior is governed by the competition between the physico-chemical effect and the mechanical effect, characterized by a threshold stress which corresponds to the swelling stress in terms of structure changes. A constitutive law was developed to capture this aspect. The permeability was determined, compared with the results in literature and correlated with the parameters as void ratio. The permeability variation with depth shows the important role of macro-pores in fluids' transfer. The volume change behavior and permeability of intact Boom Clay and ypresian clays are also influenced by pore water chemical composition changes which modify the diffuse double layer and give rise to the aggregation of clay particles. The elastic parameters, yield curve and failure envelope of Boom Clay and ypresian clays were identified. A conceptual elasto-plastic model was developed, accounting for the swelling effects and the competition between the physico-chemical effect and the mechanical effec
Hydro-mechanical behaviour of bentonite-sand mixture used as sealing materials in radioactive waste disposal galleries
No full textDans le but de vérifier l'efficacité des dispositifs de scellement ou des barrières ouvragées dans le stockage géologique des déchets radioactifs, l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) a mis en œuvre le projet expérimental SEALEX (SEALing performance EXperiments) auquel ce travail est étroitement lié. Dans le cadre de ce projet, des essais in-situ sont effectués à l'échelle représentative et dans des conditions naturelles sur un mélange compacté de bentonite et de sable. Ce matériau de mélange a été choisi pour sa faible perméabilité et surtout pour sa capacité de gonflement qui permet de colmater les vides existant dans le système, notamment le vide technologique correspondant au vide radial entre le noyau de scellement et la roche hôte et qui est inévitable au cours de l'installation du noyau dans le forage. Une fois les vides scellés, le gonflement à volume constant engendre une pression de gonflement aussi bien sur la roche hôte (radiale) que sur les structures de confinement en béton (axiale). Le comportement de ce matériau dans ces conditions de couplages hydromécaniques est alors étudié dans ce travail. La microstructure du matériau à son état initial a été premièrement examinée par micro-tomographie rayons-X. Ceci a permis de voir la distribution des grains de bentonite et de sable ainsi que le réseau de pores dans l'échantillon. Des macro-pores se sont retrouvés concentrés à la périphérie de l'échantillon ainsi qu'entre les grains de sable, ce qui pourra affecter à court terme la perméabilité. L'hydratation du même matériau en condition de gonflement limité a été ensuite observée par une photographie 2D et par la micro-tomographie aux rayons-X. Le mécanisme de gonflement par production de gel de bentonite, la cinétique de gonflement, la diminution de densité et l'homogénéisation du matériau final on été analysés. L'hydratation en conditions de gonflement empêché a été aussi étudiée par des essais où la pression de gonflement a été mesurée dans deux directions : radialement et axialement. La différence retrouvée entre les pressions de gonflement axiales et radiales a évoqué la présence d'une anisotropie de microstructure qui a été analysée en fonction de la masse volumique sèche de bentonite dans le mélange. Des essais en modèle réduit reproduisant à une échelle 1/10ème les essais in situ (SEALEX) ont été également effectués afin d'étudier le comportement du noyau compacté après la reprise des vides au cas d'un accident détruisant les éléments de confinement. Des mesures locales de pression de gonflement le long des échantillons ont permis de mettre en évidence l'évolution du gradient de densité durant le gonflement axial. Finalement une comparaison entre les résultats obtenus dans ce travail et ceux d'un essai in situ (SEALEX) a été faite. Une bonne correspondance entre les valeurs d'humidités relatives a été retrouvée pour les mêmes longueurs d'hydratation tout en prenant en compte la saturation par le vide technologique radial. Par contre, la comparaison des évolutions et des valeurs de pressions de gonflement était plus compliquée vu les différences de configurations des essaisIn order to verify the effectiveness of the geological high-level radioactive waste disposal, the French Institution of Radiation protection and Nuclear Safety (IRSN) has implemented the SEALEX project to control the long-term performance of swelling clay-based sealing systems, and to which this work is closely related. Within this project, In-situ tests are carried out on compacted bentonite-sand mixture in natural conditions and in a representative scale. This material is one of the most appropriate sealing materials because of its low permeability and good swelling capacity. Once installed, this material will be hydrated by water from the host-rock and start swelling to close all gaps in the system, in particular the internal pores, rock fractures and technological voids. Afterwards, swelling pressure will develop. In the present work, laboratory experiments were performed to investigate the sealing properties under this complex hydro-mechanical conditions taking into consideration the effect of technological voids. The microstructure of the material in its initial state was first examined by microfocus X-ray computed tomography (µCT). This allowed identification of the distribution of grains of sand and bentonite as well as the pores in the sample. Macro-pores are found concentrated at the periphery of the sample and between the grains of sand, which could affect in the short term the permeability. The hydration of the same material in limited swelling conditions was then observed by 2D photography and 3D µCT. The swelling mechanism with bentonite gel production, the swelling kinetics, the density decrease and the homogenisation of the material were analyzed. The hydration in the conditions of prevented swelling was also studied by swelling pressure tests with radial and axial measurements of swelling pressure. The difference found between the axial and radial swelling pressures suggested the presence of an anisotropic microstructure. Mock-up tests at a 1/10 scale of the in situ SEALEX tests were carried out for the study of the recovery capacity of the mixture in case of an accident causing the failure of the confining structures. Local measurements of swelling pressures along the sample allowed analysis of the density gradient evolution during axial swelling. Finally, a comparison between the laboratory results and those from an in-situ test was done, showing a good fitting in the relative humidity curves for the same infiltration length while considering the saturation effect from the technological void. The swelling pressure comparison was more complex because of the different configurations of the tests (existence of technological void in-situ that could affect the kinetics
Impact of the interlayer in the railway track behaviour
No full textLa présente thèse sur travaux a pour objectif de montrer l’influence de la couche intermédiaire dans le comportement de la voie ferrée. Par analogie, la couche intermédiaire peut être assimilée à la sous-couche sur les lignes ferroviaires récentes. Elle est présente sur les lignes classiques construites depuis le début du réseau ferroviaire français au milieu du XIXème siècle. Cette couche est située sous le ballast et contribue à la stabilité de la voie. Elle s’est formée au cours du temps par l’interpénétration entre le ballast et le sol support. Sa densification a été obtenue par le passage des circulations durant près de 150 ans. Le présent travail s’appuie sur trois thèses réalisées au cours de la dernière décennie. Ces recherches réalisées par Trinh (2011), Duong (2013) et Lamas-Lopez (2016) ont permis de mieux appréhender le comportement de cette couche en étudiant respectivement le comportement hydromécanique d’une couche saine ; le mécanisme de création et dégradation de la couche intermédiaire ; et enfin son comportement dynamique. Sur la base de ces travaux, en se basant sur les approches de dimensionnement des structures développées dans le domaine routier et sur les données de maintenance des voies ferrées de groupes 3 et 4, on a pu développer une nouvelle approche de dimensionnement permettant la prise en compte de la couche intermédiaire dans le bon fonctionnement de la voie ferrée. La finalité de ce travail est de développer une méthodologie d’analyse du comportement de la voie afin de prescrire les « justes travaux » (RVB, relevage, assainissement…) permettant d’atteindre les objectifs de performance visésThe aim of this PhD thesis is to show the influence of the interlayer in the behaviour of the rail track. By analogy, the interlayer can be comparable with the sub-ballast layer on the high speed lines. It is present on the conventional lines built since the beginning of the French railway network in the middle of the 19th century. This layer is located under the ballast and contributes to the stability of the rail track. It was formed over time by the interpenetration between the ballast and the ground support. Its density was obtained by the passage of trains for almost 150 years. This work is based on three PhD theses carried out over the past decade. The research conducted by Trinh (2011), Duong (2013) and Lamas-Lopez (2016) has allowed a better understanding of the behaviour of this layer by respectively studying the hydraulic behaviour of a good layer; the creation mechanism of and degradation of the interlayer; and finally its dynamic behaviour. On the basis of this work and on approaches of sizing structures developed in roads, and on the data of maintenance of railways of UIC 3 and 4, we can develop a new approach to sizing by taking into account the role of the interlayer in the performance of the rail track. A method of analysis of the behaviour of the rail track has been developed to prescribe “good job” (track renewal, lifting, drainage…) in order to achieve the performance objective
Investigation of aggregates size effect on the stiffness of lime and/or cement treated soils : from laboratory to field conditions
No full textLe traitement des sols est une technique connue qui a largement été utilisée dans les constructions ferroviaires et routières. Il améliore la maniabilité des sols en réduisant la teneur en eau et en améliorant les performances hydromécaniques par renforcement et lien des agrégats du sol. Cependant, la durabilité des sols traités reste une question ouverte, elle constitue l'objectif principal du projet ANR TerDOUEST (Terrassements Durables – Ouvrages en Sols Traités, 2008-2012).La présente étude fait partie des travaux réalisés dans le cadre du projet TerDOUEST, et traite de l'effet de la taille des agrégats sur l'évolution de la raideur (Gmax) des sols fins provenant d'Héricourt (70) et traités à la chaux et/ou au ciment, à l'aide de la technique piézo-électrique (bender element). Dans les conditions de laboratoire, quatre tailles d'agrégats ont été étudiées (Dmax = 0.4, 1, 2 et 5 mm). Afin d'obtenir des tailles d'agrégats souhaitées, les sols ont d'abord été séchés, broyés puis tamisés à une taille désirée. Les sols ont ensuite été ramenés à la teneur en eau souhaitée, mélangés au liant hydraulique (chaux et/ou ciment) puis compactés du côté sec et du côté humide de l'optimum du Proctor normal, tout en conservant la même densité sèche. Les mesures de Gmax des sols traités ont été réalisées pendant la cure et pendant l'application de cycles humidification/séchage. Dans les conditions du terrain, qui correspondent au remblai expérimental d'Héricourt, les tailles des agrégats sont nettement plus élevées : Dmax = 20 et 31.5 mm pour le limon et l'argile, respectivement. Les résultats montrent que le comportement hydromécanique des sols traités est fortement influencé par la taille des agrégats, que les sols soient argileux ou limoneux, préparés en laboratoire ou bien dans les conditions du terrain : plus la taille des agrégats est élevée, plus la raideur diminue avec le temps de cure et moins les sols résistent à la succession de cycles humidification/séchage. Une forte hétérogénéité des sols in-situ a aussi été identifiée clairement. Un modèle hyperbolique a été développé afin de permettre l'application des résultats obtenus en laboratoire à ceux obtenus dans des conditions de terrain, étant donné l'effet de la taille des agrégats. La comparaison entre le modèle de prédictions et les mesures expérimentales démontre la performance du modèle proposé, à condition d'utiliser les valeurs moyennes des données expérimentales afin de minimiser l'effet de l'hétérogénéité du solSoil treatment is a well known earthwork technique which has been widely used in constructions of railway and highway substructures. It can improve the workability of soils by lowering their water contents and improve the hydro-mechanical performance by reinforcing and binding the soil grains/aggregates. However, the durability of the treated soils is still an open question. It constitutes the main objective of the ANR project TerDOUEST (Terrassements Durables - Ouvrages en Sols Traités, 2008 - 2012).The present study is part of the works in TerDOUEST project, and deals with the aggregate size effect on the stiffness (Gmax) development of lime and/or cement treated fine-grained soils from Héricourt using bender element technique. In the laboratory conditions, four aggregates sizes were accounted for (Dmax = 0.4, 1, 2 and 5 mm). To prepare an aggregate size, the soils were first air-dried, crushed and sieved through a target sieve. The soils were then brought to a desired water content, mixed with additive (lime and/or cement) and compacted both dry and wet of optimum of normal Proctor by keeping the same dry density. The Gmax measurements were performed during curing and during application of wetting/drying cycles. In field conditions that refer to the experimental embankment in Héricourt, the aggregates size is significantly larger: Dmax = 20 mm and 31.5 mm for the silt and the clay, respectively. Cores samples were taken from the embankment at two different times and the Gmax measurements on core specimens were performed. The results show that the hydromechanical behaviour of the cementitious treated soils is strongly influenced by the aggregates size for the treated silt and clay prepared in both laboratory and field conditions: the larger the aggregates, the lower the Gmax and the resistance to wetting/drying cycles. The high heterogeneity of the in-situ soils was also clearly identified. A hyperbolic model was developed enabling up-scaling the results in laboratory conditions to those in field conditions by considering the effect of aggregate size. Comparison between the model predictions and experimental measurements shows the performance of the model proposed, provided that the mean values of experimental data are used to minimize the effect of soil heterogeneit
Etude ‘in-situ’ et en laboratoire sur le comportement dynamique des matériaux constitutifs des plateformes ferroviaires classiques dans le contexte d'augmentation du trafic
No full textComme dans d'autres pays européens, en France, les lignes classiques constituent la plupart du réseau ferroviaire (94%) et elles sont généralement âgées de plus d'un siècle. Aujourd'hui, on est demandé d’améliorer les réseaux pour faire face à une augmentation de la charge du trafic et de la vitesse de service. Dans ce contexte, ce travail de thèse vise à étudier expérimentalement l'influence de la vitesse et de la charge sur le comportement dynamique des matériaux constituant les voies classiques, à travers à la fois le suivi «in-situ» et des essais en laboratoire. Pour les études «in-situ», une section de ligne représentative du réseau classique a été sélectionnée dans le réseau français. Le site choisi a fait l’objet d’une prospection géophysique et géotechnique, ce qui a permis de définir les propriétés géotechniques des différents sols constituant la plateforme. L’impact de la vitesse du train et la charge à l'essieu sur la contrainte verticale, déflection/déformation, et en particulier leurs amplifications ont été évalués avec l’augmentation de la vitesse d’un train d'essai Intercités roulant à des vitesses différentes de 60 km/h à 200 km/h et les différentes charges à l'essieu appliquées par des voitures de passagers et la locomotive. Une analyse statistique est aussi réalisée afin d'évaluer la variabilité de la réponse de la voie et leur amplification dynamique avec la vitesse, en se basant sur les données enregistrées lors des passages de trains commerciaux. On observe que l’'amplification dynamique de la réponse de la voie due à la vitesse des trains est directement liée au rapport entre la vitesse des trains et la vitesse des ondes de surface du site. Un matériau représentative du sol intermédiaire des voies classiques a été préparé et testé dans une cellule triaxiale cyclique pour étudier son comportement mécanique. Deux types de charges, de forme sinusoïdale et de forme M, ont été appliqués et, en outre, deux teneurs en eau ont été examinés. Des variations des paramètres dynamiques des sols tels que le module élastique et le rapport d’amortissement avec le nombre de cycles ont été évalués, et les effets des paramètres de chargement tels que la forme de la charge, l'amplitude de la charge et la fréquence de charge ont été étudiés. L'effet de la teneur en eau a été étudié également. Il a été observé que la réponse de l'énergie développée pendant le chargement cyclique est un paramètre qui gouverne le comportement mécanique des sols à petit et grand nombre de cycles. En outre, la charge en forme sinusoïdale a été trouvée plus agressive que celle en forme de M parce que ce chargement sinusoïdal développe plus d'énergie, engendrant ainsi plus de déformations permanentes du sol à grand nombre de cycles, particulièrement le cas lorsque le sol est saturé. A partir des résultats obtenus sur le terrain et en laboratoire, deux modèles analytiques en 2-D ont été développés permettant de décrire la distribution de contrainte verticale et la propagation des déflections verticales. Certains paramètres mécaniques tels que les modules élastiques des couches de la voie, leurs rapports d'amortissement, leurs épaisseurs, ainsi que la vitesse moyenne des ondes de surface dans la section de voie considérée se sont révélés être les principaux paramètres contrôlant le comportement dynamique de la voie. Une comparaison entre les mesures effectuées sur le terrain et les résultats des essais en laboratoire a été également réalisée. La réponse de la voie sous différents types de trains, TER et TGV avec des charges équivalentes mais avec différentes configurations spatiales des essieux, est présentée. On observe que la réponse en énergie est plus élevée pour TGV que pour TER. Cette plus grande énergie développée suggère une plus grande agressivité vis-à-vis de la structure de la voie. Ainsi, la réponse en énergie est un indicateur important à prendre en compte lors d’un suivi du comportement mécanique d’une voieAs in other European countries, in France the conventional lines constitute the main part of the whole railway network (94%) and they are generally over a century old. Nowadays, facing the demand of upgrading both the traffic load and speed, it is of paramount importance to acquire good knowledge on the corresponding impact on the mechanical behaviour of tracks, at both short and long terms. In this context, this PhD work aims at investigating the influence of train speed and axle load on the dynamic behaviour of materials constituting the conventional track-beds, through both ‘in-situ’ monitoring and laboratory testing. For the field monitoring, a representative track was selected from the French conventional network following well-defined criteria. The selected site underwent a geophysical and geotechnical prospection, allowing the site critical speed and the geotechnical properties of different soils constituting the track-bed to be determined. The first data allowed assessing the influence of the track state conditions and the traffic loading on the measurements of each sensor. The train speed and axle load impacts on the vertical stress, deflection/strain, in particular their amplifications with speed increase were evaluated based on the data with an Intercity test train running at different speeds from 60 km/h to 200 km/h and the different axle loads applied by Coaches (105 kN/axle) and Locomotive (225 kN/axle). A statistical analysis was made to assess the variability of track response and their dynamic amplification with speed based on the data with passages of commercial trains. The dynamic amplification of track response due to train speed was found to be directly related to the ratio of train speed to the surface wave velocity. The laboratory test conditions were defined based on the field measurements. A material representative of an interlayer soil was prepared and tested in a large-scale cyclic triaxial cell to investigate its mechanical behaviour. Both Sine-shaped and M-shaped loads were applied and in addition, two water contents were considered. The variations of dynamic parameters such as resilient modulus and damping ratio with number of cycles were assessed, and the effects of loading parameters such as consolidation pressure, load shape, load amplitude and load frequency were investigated. The effect of water content was studied as well. It was observed that the response of energy developed during cyclic loading is an important parameter controlling the soil mechanical behaviour at both small and large numbers of cycles. Also, the Sine-shaped loading was found more aggressive than M-shaped loading since the former results in higher energy and therefore larger soil deformation. This is particularly the case when the soil is saturated. Based on the results obtained in the field and laboratory, two 2-D analytical models were developed allowing the description of vertical stress and vertical deflection transmissions in track-beds. Some mechanical parameters such as the moduli of track-bed layers, their damping ratios, thicknesses as well as the average track surface wave velocity were found to be the key parameters governing the track dynamic behaviour. A comparison between field and laboratory results was also made. The track response to the loading by different train types, considering equivalent loads but different spatial loading configurations from TER and TGV train axles is presented. It was found that for each monitored position in the track, the response energy was higher for TGV than for TER. This larger developed energy suggests a higher aggressiveness to the track structure. Thus, the energy response is a key indicator to be taken into account when performing a track mechanical behaviour monitorin
Investigation of anisotropic behaviour of Boom clay
No full textDans le cadre de la déposition géologique profonde des déchets radioactifs, l'argile de Boom est choisie comme une des formations hôtes potentielles dans le programme belge. Par sa formation géologique, cette argile est considérée comme un matériau isotrope transversal. En effet, l'anisotropie de ses propriétés hydraulique et thermique a été mise en évidence dans plusieurs études. Il apparait maintenant nécessaire de mener une étude complète sur son comportement anisotrope. Sur le plan expérimental, l'anisotropie des propriétés thermo-hydro-mécaniques de l'argile de Boom a été mise en évidence à l'aide des mesures de la conductivité thermique, de la conductivité hydraulique, et du module de cisaillement. Grâce à ces mesures sur des carottes fraichement forées, l'endommagement dû à l'excavation de la galerie a été identifié (dans la zone près de la galerie « Connecting » à Mol, Belgique) et modélisé par un modèle empirique dont la variable d'endommagement est basée sur le volume des macro-pores. Ensuite, l'anisotropie du comportement en condition K0 a été étudiée en analysant le comportement de trois types d'éprouvettes différents (0°, 45° et 90° au plan du litage) pendant et après la re-saturation dans des cellules oedométriques et triaxiales à plusieurs états de contraintes différents. Enfin, le comportement anisotrope en condition triaxiale a été étudié en réalisant des essais triaxiaux sur trois types d'éprouvettes. Au cours de ces essais, les mesures des vitesses d'ondes Vs et Vp ont été également effectuées à l'aide des éléments piézoélectriques encastrés dans deux embases supérieure et inférieure d'une cellule triaxiale. Ces résultats ont permis de déterminer les paramètres de l'élasticité anisotrope. Sur le plan de modélisation, un modèle anisotrope avec huit paramètres anisotropes (cinq paramètres élastiques et trois paramètres plastiques) a été développé, en utilisant la théorie de Bohler (Boehler et Sawczuk, 1977). Ce modèle est basé sur un modèle élasto-plastique isotrope à deux surfaces de charge validé précédemment pour l'argile de Boom (Hong, 2013). La validation de ce modèle anisotrope a été réalisée grâce aux résultats expérimentaux des essais oedométriques et triaxiaux obtenus dans cette étudeIn the program of deep geological radioactive waste disposal in Belgium, Boom Clay has been chosen as one of the potential host rocks. Due to the geological stratification, this stiff clay has been regarded as a transverse isotropic material. The anisotropy of its hydraulic and thermal properties was shown in several studies. It seems necessary now to conduct a more in-depth study on the anisotropic behaviour of Boom Clay. In terms of experimental works, the anisotropy of the thermo-hydro-mechanical properties of Boom Clay was evidenced using measurements of thermal conductivity, hydraulic conductivity and small-strain shear modulus. Through these measurements on freshly cored Boom Clay samples, the damage due to excavation of the gallery was identified (in the zone near the Connecting gallery at Mol, Belgium) and modelled using an empirical model in which the damage variable is based on the volume of macro-pores. Afterwards, the anisotropy behaviour under K0 condition was studied by analysing the behaviour of three types of specimens (0°, 45°, and 90° to the bedding plane) during and after the re-saturation in the triaxial and oedometer cells under different stress states. Finally, the anisotropic behaviour under triaxial condition was investigated through several triaxial tests on three types of specimens. During these tests, the velocity measurements of seismic waves Vs et Vp were performed thanks to the bender elements installed in the upper and bottom bases of a triaxial cell. These results were used to determine the parameters of anisotropic elasticity. In terms of modelling works, an anisotropic model with eight anisotropic parameters (fives elastic parameters and three plastic parameters) was developed using the theory of Boehler (Boehler et Sawczuk, 1977). This model is based on an elasto-plastic isotropic model with two yield surfaces elaborated previously for Boom Clay (Hong, 2013). The validation of this anisotropic model was made based on the results obtained from oedometer and triaxial tests performed in this stud
New Evaluation methods for grouts
No full textCost efficiency and the ecological footprint are becoming more important for construction business. In conjunction with this development, low pressure grouting as a cost-effective and environmentally compatible method for soil improvement is becoming more and more important. In the scope of a research project testing methods for grouting materials and for grouted soil are investigated at Vienna University of Technology.
Based on extensive laboratory testing of cement-based grouts new laboratory tests and quality criteria have been developed with the objective to improve the state of the art of quality assurance. The new methods comprise the most important values such as viscosity, yield value, initial set, and gelation time. Based on these new methods general investigations on cement-based grouts were undertaken to improve the understanding of the rheological and mechanical behaviour of different grouting materials and for grouted soil.
The results of investigations and in particular of laboratory tests will be presented and discussed in the paper
Stabilization of lime treated soils and their behaviour under frost
No full textOn s'intéresse dans le présent travail au comportement au gel des sols fins limono-argileux traités à la chaux seule, sols valorisables qui sont couramment rencontrés sur les chantiers de terrassement. Trois sols appartenant aux classifications A1, A2, A3 selon la norme NF P 11300, ont été choisis pour cette étude. Ces sols sont traités à 3 dosages en chaux correspondant à 3 objectifs : 1) amélioration (dosage en chaux minimal), 2) stabilisation et insensibilité à l'eau (dosage en chaux intermédiaire), 3) stabilisation et résistance au gel (dosage en chaux le plus élevé). Les sols traités sont ensuite conservés pendant quatre périodes de cure : 7 jours, 28 jours, 90 jours et 365 jours. Les deux processus de gel - le géligonflement et la gélifraction sont étudiés, parallèlement à l'évaluation des performances mécaniques, hydrauliques et microstructurales. Les résultats expérimentaux ont montré que les propriétés hydrauliques (la succion au front de gel, sp et la conductivité hydraulique à l'état non-saturé, kunsat) sont les paramètres qui gouvernent le phénomène de géligonflement des sols, traités ou non. Les résultats ont également mis en évidence le lien direct existant entre la microstructure (la distribution porale) et les propriétés hydrauliques du sol, principalement en termes de capacité de rétention d'eau et conductivité hydraulique. Le traitement augmente les performances mécaniques des sols d'une part, et amène d'autre part à des modifications de leur microstructure ; ceci induit des changements vis-à-vis de leur sensibilité au gel. Les sols sont plus gélifs directement après le traitement, cette sensibilité au gel diminuant avec le temps de cure. Une modélisation simple permettant d'estimer le gonflement au gel à partir de la succion au front de gel et de la valeur de conductivité hydraulique à l'état non-saturé a été proposée et validée. Vu que la détermination de la conductivité hydraulique à l'état non-saturé n'est pas un essai couramment pratiqué au sein de la plupart des laboratoires, un critère basé sur la succion au front de gel, sp, et la conductivité hydraulique à l'état saturé, ksat a été proposé pour évaluer la sensibilité des sols au gel. L'essai de gélifraction consiste à évaluer un coefficient de résistance de l'éprouvette de sol après 10 cycles de gel/dégel, RFT (%) - « retained strength factor after freeze-thaw testing ». Les résultats expérimentaux montrent que la valeur RFT des sols traités varie de 0% (lorsque les éprouvettes de sol perdent totalement leur résistance à la compression simple et sont détruites après 10 cycles de gel/dégel) à 90%. Quand RFT ≥ 60%, aucune dégradation visuelle de la surface des éprouvettes des sols traités n'est constatée. Ainsi, cette valeur est proposée comme critère d'acceptation des matériaux constitutifs d'une couche de forme subissant le gel avant son recouvrement. L'étude de l'effet du nombre des cycles de gel/dégel montre une diminution importante de la performance mécanique (RFT) durant trois premiers cycles de gel/dégel, et ce paramètre se stabilisant après 10 cycles. A l'aide de la technique de µ Tomographie X, l'endommagement interne des éprouvettes de sol ayant subi des cycles de gel/dégel a été quantifié. Une corrélation directe entre la diminution de performance mécanique et l'augmentation de l'indice de l'endommagement de l'éprouvette a été mise en évidence. Enfin, un modèle d'endommagement permettant d'évaluer la dégradation de la performance mécanique avec l'augmentation de l'indice d'endommagement a été établiThe present work deals with the behaviour of fine-grained silty and clayey soils treated with lime under frost. Those soils are frequently encountered in earthworks. Three soils corresponding to A1, A2, A3 classes according French NF P 11-300 standard were chosen for this study. These soils were treated with 3 lime dosages corresponding to three objectives: 1) improvement (minimum dosage), 2) stabilization and insensitivity to water (intermediate dosage), 3) stabilization and frost resistance (highest dosage). Lime-treated soils were subsequently cured for different times: 7, 28, 90, 365 days. Two frost processes, frost heave and freeze-thaw cycles, were applied in parallel with the assessment of mechanical, hydraulic and microstructural properties. Experimental results evidenced that it is the hydraulic properties (suction at frost front, sp and unsaturated hydraulic conductivity, kunsat) that govern the frost heave phenomenon of soils, treated or not. In addition, this study demonstrates the direct link between the microstructure (the pore size distribution) and the hydraulic properties (water retention curve and hydraulic conductivity). The treatment on one hand improves the mechanical performances of soils, and on the other hand modify their microstructure, and thus changes their frost sensitivity. The frost susceptibility increases directly after treatment, and then decreases with curing time. Based on the suction at frost front and the unsaturated hydraulic conductivity, a simple model was proposed and validated allowing to estimate the frost heave. Considering that the determination of unsaturated hydraulic conductivity is not a test commonly performed by most laboratories, a criterion based on the suction at frost front and the saturated hydraulic conductivity was proposed to estimate the frost sensibility of soils. The second frost resistance test consists of measuring the retained strength factor after 10 freeze-thaw cycles, RFT (%). The results obtained show that RFT of lime treated soil varies from 0% (when soil specimen completely loses its resistance and collapses after 10 freezethaw cycles) to 90%. When RFT is higher than 60%, no visual damage was observed on the specimen surface; consequently, this value is proposed as a criterion for acceptance of lime treated soil in capping layer before covering. In addition, the study of effect of freeze-thaw cycles showed a significant decrease of mechanical performance (RFT) during the first three cycles, and a stabilization after 10 cycles. Using X-ray Tomography, the intern damage of specimens due to freeze-thaw cycles was quantified. A correlation between the decrease of mechanical performance and the increase of damage index was evidenced. A model was then developed to evaluate the degradation of mechanical performance with the increase of damage inde
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