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Theses Year : 2021

Investigation of the mechanical behaviour of fine/coarse soil mixture

Étude du comportement mécanique d'un mélange de sol fin/grossier

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1
Yu Su
  • Function : Author

Abstract

In the French conventional railway tracks, under the decades of traffic loadings, an interlayer was created by interpenetration of ballast grains and subgrade fine soil. Considering its high bearing capacity related to its high dry density (2.4 Mg /m3), the French national railway company (SNCF) decided to keep it as one part of the substructure during the renewal program. As the interlayer soil corresponded to a mixture of ballast grains and fine soil, the mechanical behaviour of such fine/coarse soil mixture was investigated in this study.The water retention properties of soil mixture were investigated under varying coarse grain contents and dry densities of fine soil. The filter paper method was adopted to measure the matric suction. The mercury intrusion porosimetry tests were performed for the microstructure observation of fine soil. Results showed that the soil-water retention curve of soil mixture was independent of coarse grain content, and only dependent on the dry density of fine soil. Moreover, the soil-water retention curve in low suction range was governed by macro-pores of fine soil, while in high suction range by micro-pores of fine soil.The effect of microstructure of fine soil on the mechanical behaviour of soil mixture was studied. The microstructure of fine soil was measured by mercury intrusion porosimetry tests, and its effect on the mechanical behaviour of mixture was examined by monotonic triaxial tests. Results showed that the developed sample preparation approach, which is to compact the soil at the Optimum water content and then modify it to the desired value by either wetting or drying, allowed the effect of microstructure of fine soil on the mechanical behaviour of mixture to be minimized. Using this sample preparation approach, the effect of water content on the mechanical behaviour of mixture with varying coarse grain contents was investigated by monotonic triaxial tests. A characteristic coarse grain content was identified, separating the fabric of mixture into two zones: a fine matrix macrostructure when the coarse grain content was smaller than the characteristic value, and a coarse grian skeleton fabric when the coarse grain content was larger than the characteristic value. Moreover, the characteristic coarse grain content increased with the decrease of water content, which was explained by the shrinkage property of fine soil.The effect of water content on the permanent strain, the resilient modulus and the damping ratio of soil mixture was investigated by cyclic triaxial tests. A long-term multi-stage loading procedure was performed for studying permanent strain, and a shor-term multi-stage loading procedure for studying resilient modulus and damping ratio. Results showed that increasing water content led to an increase of permanent strain and a decrease of resilient modulus owing to the decrease of matric suction, and an increase of damping ratio owing to the increase of soil viscosity.A constitutive model was proposed for the permanent strain, allowing the effects of the number of loading cycles, deviator stress and coarse grain content to be accounted for. Furthermore, the effect of matric suction was taken into account by incorporating soil-water retention curve. Another constitutive model was developed for the resilient modulus, allowing the description of the resilient modulus variation with changes in deviator stress, matric suction and coarse grain content
Dans les voies ferrées conventionnelles françaises, au cours des décennies de trafic, une couche intermédiaire a été créée par l’interpénétration de grains de ballast et de sous-sols fins. Compte tenu de sa densité sèche élevée (2,4 Mg/m3) et donc de sa capacité portante élevée, la Société Nationale des Chemins de Fer (SNCF) a décidé de la conserver dans le cadre du programme de rénovation. Comme le sol intermédiaire correspond à un mélange de grains de ballast et de sol fin, le comportement mécanique d'un tel mélange a été étudié dans cette étude. Les propriétés de rétention d'eau ont été étudiée pour différentes teneurs en grains grossiers et différentes densités sèches du sol fin. La méthode du papier filtre a été adoptée pour mesurer la succion matricielle. Des essais de porosimétrie par intrusion de mercure ont été réalisés pour l'observation de la microstructure des sols fins. Les résultats ont montré que la courbe de rétention du mélange de sols est indépendante de la teneur en grains grossiers et ne dépend que de la densité sèche du sol fin. De plus, la courbe de rétention est régie par les macro-pores du sol fin dans la plage de basse succion, et par les micro-pores du sol fin dans la plage de succion élevée. L'effet de la microstructure du sol fin sur le comportement mécanique du mélange de sols a été étudié. La microstructure du sol fin a été mesurée par la porosimétrie par intrusion de mercure, et son effet sur le comportement mécanique du mélange a été examiné par des essais triaxiaux monotones. Les résultats ont montré que l'approche de préparation des échantillons développée, qui consistait à compacter le sol à l’optimum proctor du sol fin et à amener à la teneur en eau voulue par séchange ou par humidification, permettait de minimiser l'effet de la microstructure du sol fin sur le comportement mécanique du mélange. En utilisant cette approche de préparation d'échantillons, l'effet de la teneur en eau sur le comportement mécanique du mélange avec différentes teneurs en grains grossiers a été étudié par des tests triaxiaux monotones. Une teneur en gros grains caractéristique a été identifiée, séparant la structure du mélange en deux zones : une microstructure à matrice fine lorsque la teneur en grains grossiers est inférieure à la valeur caractéristique, et une microstructure en squelette de grains grossier lorsque la teneur en grains grossiers est supérieure à la valeur caractéristique. De plus, la teneur en gros grains caractéristique augmentait avec la diminution de la teneur en eau, ce qui s'expliquait par la propriété de gonflement sous humidification ou de rétraction sous séchage du sol fin. L'effet de la teneur en eau sur la déformation permanente, le module réversible et le coefficient d'amortissement du mélange de sols a été étudié par des essais triaxiaux cycliques. Les résultats ont montré qu'une augmentation de la teneur en eau entraînait une augmentation de la déformation permanente et une diminution du module réversible en raison de la diminution de la succion matricielle, et une augmentation du coefficient d'amortissement en raison de l'augmentation de la viscosité du sol. Une loi de comportement a été proposée pour la déformation permanente, permettant de tenir compte des effets du nombre des cycles de chargement, de la contrainte déviatorique et de la teneur en gros grains. De plus, l’effet de la succion matricielle était également prise en compte en incorborant les propriétes de rétention d’eau. Une autre loi de comportement a été également proposée pour le module réversible, permettant la description de la variation du module réversible avec les variations de la contrainte déviatorique, de la succion matricielle et de la teneur en gros grains
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tel-03467834 , version 1 (06-12-2021)

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  • HAL Id : tel-03467834 , version 1

Cite

Yu Su. Investigation of the mechanical behaviour of fine/coarse soil mixture. Géotechnique. École des Ponts ParisTech, 2021. English. ⟨NNT : 2021ENPC0015⟩. ⟨tel-03467834⟩
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