Role of microstructure of clayey soils in the shrink-swell process : from specimen scale to environmental chamber scale

Rôle de la microstructure des sols argileux dans les processus de retrait-gonflement : de l’échelle de l’éprouvette à l’échelle de la chambre environnementale

Thanh Danh Tran (1)

1 GEOSCIENCES - Centre de Géosciences

The shrink-swell process of clayey soils is causing damage to the structures during periods of drought. In this thesis, the shrink-swell process of two clayey soils in France that are the Plastic Clays of Sparnacian age and Héricourt clay of Lias is studied at different scales and different conditions (intact, remoulded, compacted and lime treated) by insisting on the role of microstructure. To do this, a part of the study is carried out on the characterisation of soils studied to analyse their mineralogical, microstructural, geotechnical and hydraulic properties in relation with their shrink-swell property. The second part of the study focuses on the analysis of swelling, shrinkage, cracking processes of soil during a single cycle or repeated wetting-drying cycles at specimen scale. The shrink-swell process of soil at a larger scale is studied in the third part by performing infiltration and evaporation tests in the environmental chamber. The results highlight the difference in the shrink-swell behavior at different conditions of soils studied and emphasize the importance of the presence and nature of clay minerals also quartz, hydrates and microstructure of soil to the shrinkage and swelling during water exchange. All changes in the volume of clayey soil during shrinkage and swelling are mainly governed by natural inter-aggregate pores, which are showed by microstructural analyses of MIP and SEM tests.

Le processus de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine des dommages au bâti durant les périodes de sécheresse. Dans cette thèse, les processus de retrait-gonflement de deux formations de sol argileux en France qui sont les Argiles Plastiques du Sparnacien et l'argile d'Héricourt du Lias sont étudiés à différentes échelles et différents états (intact, remanié, compacté et traité à la chaux) en considérant spécialement le rôle de la microstructure. Pour ce faire, une partie de la recherche est réalisée sur la caractérisation des sols étudiés pour analyser leurs propriétés minéralogiques, microstructurales, géotechniques et hydriques par rapport à leur propriété de retrait-gonflement. La deuxième partie de la recherche est consacrée à l'analyse des processus de gonflement, de retrait, de fissuration des sols au cours d'un cycle simple ou de cycles répétés d'humidification-séchage à l'échelle de l'éprouvette. Les processus de retrait-gonflement de sol à une échelle plus grande sont étudiés dans la troisième partie en réalisant les essais d'infiltration et d'évaporation dans une chambre environnementale. Les résultats obtenus mettent en évidence les différences de comportement au retrait-gonflement pour différents états des sols étudiés. Les minéraux argileux ainsi que le quartz, les carbonates et des hydrates, mais aussi la microstructure des sols contrôlent ces phénomènes de retrait-gonflement lors des échanges hydriques. Tous les changements de volume de sol argileux au cours de gonflement-retrait sont gouvernés principalement par la famille de pores inter-agrégats naturels. Ces résultats sont apportés par les analyses microstructurales porosimétriques et au MEB.

Mots clés: Mineralogy; Microstructure; Shrinkage; Swelling; Environmental chamber

Mots clés: Minéralogie; Retrait; Gonflement; Évaporation; Chambre environnementale

Domaines: Sciences de la Terre

Thanh Danh Tran. Rôle de la microstructure des sols argileux dans les processus de retrait-gonflement : de l’échelle de l’éprouvette à l’échelle de la chambre environnementale. Sciences de la Terre. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2014. Français. ⟨NNT : 2014ENMP0002⟩. ⟨pastel-00960395⟩