Thermo-Hydro-Mechanical analysis of Soil-Vegetation-Atmosphere Interaction
Etude de l'Interaction Sol-Végétation-Atmosphère avec une approche couplée Thermo-Hydro-Mécanique
Résumé
The aim of this work is to study, by a two-dimensional numerical approach, the effect of soil-vegetation-atmosphere interaction and water uptake by roots of isolated trees on the thermo-hydro-mechanical behaviour of the swelling-shrinking clayey soils. The case of soil-vegetation-atmosphere interaction is studied based on the data obtained on the Mormoiron site, instrumented by BRGM with Humitub capacitive probes and extensometers. Exploitation of the water content data needed the calibration of the Humitub probe, which constitutes an experimental work performed in the laboratory. The calibration is performed on different materials. The influence of the variations of the temperature and also the effect of soil type on the measurement of the water content are studied. The results seem to show that the capacitive probes like Humitub are not adapted for the clayey and carbonated soils, like Mormoiron clay. The bibliographic studies showed the important dependence of the measurements done by the capacitive method to the frequency, particularly in the case of the soils with a high ion exchange capacity. A two-dimensional soil-vegetation-atmosphere model and a two-dimensional root water uptake model are developed in order to describe the climatic and vegetal effects on the thermo-hydro-mechanical behaviour of an unsaturated medium. These models are implemented in the θ-STOCK finite element code (Gatmiri, 1997). The verification of the soil-vegetation-atmosphere interaction model is done based on a comparison of the calculation results with the in-situ data available on Mormoiron site and meteorological data of the Carpentras station. The calculations are then extended to the particularly dry and particularly moist periods. A longer period of 20 years is also modelled. The root water uptake model is verified on some case studied reported by Biddle (1998), using the meteorological data of London station end considering the effect of soil-vegetation-atmosphere interaction on the soil surface. The obtained results show the pertinence of the adopted numerical approach. This modelling study is finally completed by considering a shallow foundation of a light building. The obtained results clearly show the role of the presence of a tree, and also the importance of its distance from the building on the soil settlements.
L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche numérique bidimensionnelle, l'effet de l'interaction sol-végétation-atmosphère et de l'extraction par des racines d'arbres isolés sur le comportement thermo-hydro-mécanique des sols argileux sensibles au retrait-gonflement. Le cas de l'interaction sol-végétation-atmosphère a été étudié en se basant sur les données obtenues sur le site de Mormoiron instrumenté par le BRGM avec des sondes capacitives Humitub et des extensomètres. Afin d'exploiter les données de teneur en eau enregistrée, on a commencé par un travail expérimental d'étalonnage en laboratoire. L'étalonnage a été réalisé sur différents matériaux. L'influence de la variation de température et du type de sol sur la mesure de teneur en eau a été étudiée. Les résultats semblent montrer que les sondes capacitives comme Humitub ne sont pas adaptées à des sols argileux comme l'argile de Mormoiron. Les études bibliographiques ont aussi montré la dépendance importante des mesures effectuées par cette méthode capacitive vis-à-vis de la fréquence, surtout dans le cas des sols ayant une capacité d'échange cationique élevée. Un modèle bidimensionnel de l'interaction sol-végétation-atmosphère et un modèle bidimensionnel d'extraction d'eau par des racines ont été développés afin de décrire les effets climatiques et végétaux sur le comportement thermo-hydro-mécanique d'un milieu non saturé. Ces modèles ont été implantés dans le code de calcul aux éléments finis θ-STOCK (Gatmiri, 1997). La vérification du modèle de l'interaction sol-végétation atmosphère a été faite par le biais d'une comparaison des résultats de calcul avec les données in situ disponibles sur le site de Mormoiron et les données météorologiques de la station Carpentras. Les calculs ont été ensuite étendus à des périodes particulièrement sèches et particulièrement humides. La modélisation d'une période plus longue de 20 ans a été également effectuée. Le modèle d'extraction par des racines a été vérifié sur quelques études de cas rapportés par Biddle (1998), en utilisant les données météorologiques de la station de Londres et en considérant l'effet de l'interaction sol-végétation-atmosphère sur la surface du sol. L'ensemble des résultats obtenus montre la pertinence de l'approche numérique adoptée. Cette étude de modélisation a été finalement complétée en considérant une fondation superficielle d'une maison. Les résultats ont montré clairement le rôle de la présence d'un arbre, ainsi que l'importance de sa distance de la maison sur les tassements du sol.
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