Numerical simulation of shrinkage and cracks in clayey soils on drying paths - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Numerical simulation of shrinkage and cracks in clayey soils on drying paths

Simulation numérique du retrait et de la fissuration des sols argileux sur chemins de séchage

Abstract

Clay soil is widely distributed on the Earth’s surface, and because it is cheap and readily available, clay soil has been widely used as a building material for a very long history. Furthermore, clay can be used as not only a natural barrier in the dam cores, but also a matrix for the storage of radioactive wastes because of its retention properties. The mechanical behavior of clay materials is complex, one of the difficulties is that it is sensitive to water. During the desiccation process, clay soils undergo shrinkage, which can cause cracking. The aim of this thesis is, initially, to develop a numerical approach capable of reproducing the phenomenon of shrinkage, the distribution of water content as well as that of suction. In a second step, based on Coussy's theory for unsaturated porous media, and the mechanics of unsaturated soils, a constitutive law will be proposed to describe the behavior observed during desiccation. Finally, to reproduce the cracks distribution, based on the extended finite element method (X-FEM). The realization of numerical simulation is based on the analysis of the desiccation experiments of clay soils in laboratory. The application of the digital image correlation (DIC) technology in the desiccation experiments makes the study on the desiccation process in clay soils more accurate. The experimental results show that the clay soils will generate the theoretical shrinkage deformation caused by its own water loss in the drying path. This deformation in simulation can be related to the water content of clays through the Fredlund function. The desiccation shrinkage of clay soils has an anisotropic phenomenon. The coefficient of shrinkage ratio is used to describe this phenomenon in simulation. One of the ways to construct the constitutive of the initially saturated soft clays during drying could be in using two independent stress tensors which will enable the decomposition of total strain tensor into strain tensor due to drying shrinkage (induced part due to suction variation) and a “mechanical” strain tensor due to the total stress variation. Mechanical strain tensor can be related to total stress by using stiffness matrix. In fact, the initially saturated clay soil resistance increases during desiccation. The result of cracking in the soil under controlled suction is the result of competitions between increased soil resistance and damage caused by shrinkage during desiccation. The soil moisture crack initiation criterion will be based on soil damage and resistance. The criterion of crack propagation, meanwhile, will be based on the theory of conservation of energy. To reproduce the cracks distribution, based on X-FEM. Weibull's law will be used to consider the heterogeneous distribution of the soil. After digital model validation, applications in the geotechnical field are then considered.
L'argile est largement répandue à la surface de la Terre, et comme elle est facilement disponible, elle a été largement utilisée comme matériau de construction depuis très longtemps. L'argile peut être utilisée non seulement comme barrière naturelle dans les noyaux des barrages, mais aussi comme matrice pour le stockage pour les déchets radioactifs en raison de ses propriétés de rétention. Le comportement mécanique des matériaux argileux est complexe, une des difficultés réside dans le fait qu’il soit sensible l’eau. Durant le processus de dessiccation, les sols argileux subissent un phénomène de retrait qui peut provoquer des fissurations. L’objectif de cette thèse vise, dans un premier temps, à développer une approche numérique capable de reproduire le phénomène du retrait, ainsi que la distribution de la teneur en eau et de la succion. Dans un deuxième temps, en se basant sur la décomposition du tenseur de déformation en une partie élastique (loi de Hooke) et une partie hydrique (représentant le retrait), une méthode de calcul par éléments finis est proposée pour décrire et aider à comprendre le comportement observé durant la dessiccation. Enfin, dans le but de reproduire la distribution des fissures, la méthode basée sur des éléments finis étendus (X-FEM) est utilisée. Les simulations numériques sont basées sur l'analyse des résultats d’essais de dessiccation d’argiles de laboratoire. L'application de la technique de corrélation d'images numériques (CIN) dans les essais de dessiccation rend l'étude du processus de séchage plus précise. Les résultats expérimentaux réalisés dans des travaux antérieurs et en cours montrent que les argiles, sur le chemin de séchage, vont générer une déformation de retrait causée par la perte d'eau. En simulation cette déformation est liée à la variation de la teneur en eau des argiles grâce à la fonction de Fredlund. Sur les essais utilisés le retrait de séchage suit une loi globale anisotrope liée à la géométrie de l’échantillon d’argile testé. Le coefficient de taux de retrait, appelée aussi le coefficient d’anisotropie, est utilisé pour décrire en simulation ce phénomène. Pour construire la loi constitutive permettant d’aborder le séchage des argiles molles initialement saturées, serait d'utiliser deux tenseurs de contrainte indépendants, liés à la décomposition du tenseur de déformation totale en tenseur de déformation dû au retrait au séchage (partie induite en raison de la variation de succion) et un tenseur appelé déformation « mécanique » qui sera dû au développement de contraintes liées au blocage du processus de retrait. Le tenseur de déformation mécanique peut être lié à la contrainte totale en utilisant une la loi élastique linéaire. La résistance de sol argileux initialement saturé augmente au cours de la dessiccation. Le résultat de fissuration, dans le sol sous succion contrôlée, est le résultat de compétitions entre l’augmentation de résistance de sols et l’endommagement causé par le retrait au cours de dessiccation. Le critère d’amorçage de fissure hydrique de sol est basé sur l’endommagement et la résistance de sol. Le critère de propagation de fissure, quant à lui, est basé sur la théorie de conservation d’énergie. Pour reproduire une répartition de fissure, basé sur la méthode d’éléments finis étendu (X-FEM). La loi de Weibull est utilisée pour prendre en compte la répartition hétérogène du sol. Après la validation de modèle numérique, des applications dans le domaine géotechnique peuvent être envisagées.
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tel-03229853 , version 1 (19-05-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03229853 , version 1

Cite

Wenqing Cheng. Numerical simulation of shrinkage and cracks in clayey soils on drying paths. Civil Engineering. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0210⟩. ⟨tel-03229853⟩
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