Etude du comportement mécanique de l'interface sol-structure : influence de la fraction d'argile et méthode de préparation des échantillons

Influence of clay fraction on the mechanical behavior of a soil-concrete interface

• Auteur / Autrice : Kexin Yin
• Direction : Giulio Sciarra, Anne-Laure Fauchille, Panagiotis Kotronis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 19/02/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes ; 2004-....)
• Jury : Président / Présidente : Mahdia Hattab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giulio Sciarra, Mahdia Hattab, Cristina Jommi, Christophe Dano, Anne-Laure Fauchille, Panagiotis Kotronis, Luc Thorel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mahdia Hattab, Cristina Jommi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Argile

Propriétés mécaniques

Mécanique des sols

Interaction sol-structure

Mots clés libres

Interface sol-béton

Mélange sable-argile

Cisaillement direct d’interface

Préparation d’échantillon

Microstructure

Courbe p-y

Soil-concrete interface

Sand-clay mixture

Interface direct shear

Sample preparation

Microstructure

P-y curve

Résumé

L’interface sol-structure est un aspect important des intéractions entre le sol et la structure car elle permet d’assurer en grande partie la stabilité de la structure concernée. Le comportement mécanique de l’interface joue un rôle significatif dans le dimensionnement des structures de génie civil et dans la prédiction de leur comportement dans le temps. L’interface entre le sol et la structure est une fine couche de sol en contact avec la structure, dans laquelle des contraintes et des déformations se développent. A notre connaissance, les travaux précédents de la littérature qui caractérisent le comportement mécanique de cette interface concernent principalement des sols types tels que sable et argile ou des matériaux naturels, en contact avec des matériaux structurels tels que le béton, le bois ou l’acier. Cependant, les sols naturels sont très complexes, en partie dû aux hétérogénéités qu’ils contiennent et à leur histoire géologique, et la réponse mécanique des sols type ne permet pas toujours de représenter celles des sols naturels, ni celle de sols intermédiaires. Le comportement mécanique de sols intermédiaires entre sable et argile a été largement étudié, cependant celui de l’interface entre ces sols et un matériau structurel n’est que peu représenté, alors que la réponse de l’interface soumise à un chargement mécanique est bien différente de celui du sol seul. De plus, à l’échelle de l’ingénieur, il y a clairement un manque d’informations sur le comportement de cette interface le long d’une fondation chargée dans ces sols intermédiaires, numériquement et expérimentalement, ceci étant en partie lié aux difficultés d’instrumentations in-situ le long des foundations. L’objectif de cette thèse est de caractériser le comportement mécanique de l’interface entre le sol et la structure pour des sols intermédiaires entre le sable et l’argile. Des mélanges artificiels de sable de silice et d’argile riche en kaolinite ont été choisis pour représenter les sols intermédiaires. La thèse est d’abord composée d’une campagne expérimentale d’essais de cisaillement direct d’interface en laboratoire, afin d’identifier le rôle de la fraction massique d’argile sur le comportement mécanique d’une interface sol-béton. Une attention particulière a été apportée sur le montage expérimental et sur la préparation optimisée des échantillons de sol. Les résultats ont ensuite été utilisés dans une campagne de modélisation à l’échelle de l’ingénieur, visant à réprésenter le comportement mécanique de l’interface autour d’un pieu chargé latéralement. Une nouvelle routine MATLAB en éléments finis a été implémentée pour modéliser le comportement de cette interface par des courbes p y. La caractérisation du comportement mécanique de l’interface sol structure pour des sols à fraction massique d’argile variable a permis de mieux mettre en lumière le rôle de la microstructure de l’interface, sur la stabilité des structures de génie civil.

In geotechnical engineering, the soil-structure interface is an important aspect to take into account in soil structure interactions because it relates to the stability of the supported structure. In particular, the mechanical behaviour of the interface plays a key role in the design of civil engineering structures and their analysis over time. The interface is a thin zone of soil in contact with the structure where major stresses and strains develop in. To our knowledge, previous works on the characterization of the mechanical behaviour of the soil-structure interface mainly include typical soils (sand or clay) or natural soils, in contact with variable structural materials (concrete, steel, wood). However, natural soils are very complex, partly due to geological heterogeneities, and the mechanical response of typical soils do not always represent accurately intermediate soils between sand and clay. Previous studies on the mechanical behavior of those soils are significantly represented in the literature, especially in experimental research, however it is rather poorly documented on the interface between these soils and structural materials, whereas their response to mechanical loadings is different. Moreover, at the engineering scale, there is still a lack of understanding on how this interface behave along loaded pile within soils between sand and clay, numerically, and experimentally due to instrumentation restrictions along the pile. The objective of this thesis is to characterize the mechanical behaviour of the soil-structure interface for intermediate soils between sand and clay, both by experiments at the laboratory scale and by models at the engineering scale. Artificial mixtures of silica sand and kaolinite-rich clay are chosen to represent intermediate soils in this study. For this propose, the research is organized in a first and main experimental campaign that aims to investigate the effect of the clay content, from 0% (sand) to 100% (clay) on the mechanical behavior of a soil-concrete interface by a new interface direct shear device in the laboratory. A particular attention is given to the design of the setup, and to the investigation of four sample preparations to insure an optimize sample homogeneity. A second and numerical campaign is performed to input the results from the experimental campaign, to model the mechanical response of the interface between sand-clay soils and a lateral concrete loaded pile at the engineering scale. A new subroutine of a MATLAB finite element code is implemented to perform the numerical modelling of the interface’s response via the p-y curves. The characterization of the mechanical behaviour of the soil-structure interface at different clay and sand fractions allows to enlighten the role of soil microstructure at the soil-structure interface on the stability of civil engineering structures.