« L’impact des événements climatiques et de la sécheresse sur le phénomène du retrait gonflement des argiles en interaction avec les constructions »
« The impact of climatic events and drought on the shrinkage and swelling phenomenon of clayey soils interacting with constructions »
par Hossein Assadollahi, ICube équipe GC-E
le lundi 17 juin 2019, à 15h, Amphithéâtre A&I, INSA Strasbourg
Membre de jury :
Mme. Farimah MASROURI, Professeur des Universités, Université de Lorraine (ENSG) – Rapporteur
Mme. Mahida HATTAB, Professeur des Universités, Université de Lorraine – Examinateur
M. Yu-Jun CUI, Professeur des Universités, Ecole des Ponts ParisTech – Rapporteur
M. Jean-Marie FLEUREAU, Professeur des Universités, Centrale Supélec (ECP) – Président de Jury
M. Hossein NOWAMOOZ, Maître de conférences, INSA Strasbourg – Directeur de thèse
Résumé français
Le changement climatique et les événements climatiques sévères tels que les périodes de sécheresse/humidification prolongées sont à l’origine du phénomène de retrait-gonflement dans les sols argileux. Ce phénomène est affecté par les interactions sol-végétation-atmosphère (SVA) et peut causer d’importants dommages structurels aux constructions légères telles que les bâtiments résidentiels. L’objectif de ce travail de recherche est de modéliser le comportement in situ du retrait-gonflement des sols gonflants dans un contexte SVA en se basent sur des outils numériques. Une méthode d’interaction sol-atmosphère est initialement présentée accompagnée d’un modèle couplé hydro-thermique du sol. Cette approche a été principalement mise en place afin de déterminer les conditions aux limites temporelles à la surface du sol en se basent sur la notion du bilan de masse et d’énergie pour déterminer a posteriori, les modifications spatio-temporelles de la succion du sol, de la teneur en eau et de la température. Cette approche a été validée à l’aide des observations in situ des sites instrumentés. Par la suite, l’influence de l’absorption d’eau par les végétations a été intégrée dans le terme source de l’écoulement de l’eau dans un milieu non saturé, à l’aide d’un modèle d’absorption d’eau de racine existant. Les variations temporelles de succion ont été postérieurement reliées au comportement volumique du sol en appliquant une approche simple développée à partir des résultats expérimentaux des essais de séchage/humidification réalisés dans la littérature. Les indices volumétriques associés dans le plan indice des vides-log succion, ainsi que les paramètres complémentaires du modèle linéaire ont été corrélés aux paramètres géotechniques de base. L’approche proposée a été ultérieurement validée avec des données in situ fournies par la surveillance d’un site expérimental. Le site expérimental de Roaillan a été instrumenté afin de surveiller les modifications physiques du sol ainsi que le comportement structurel du bâtiment. Les comparaisons entre les résultats de la modélisation et les observations in situ de la succion du sol, la teneur en eau, la température et les mouvements du sol dans le temps ont montré une performance acceptable du modèle. L’approche a ensuite été appliquée pour étudier l’influence des projections climatiques futures (2050) sur les variables physiques et les mouvements du sol sur ce site. Trois scénarios RCP relatifs aux changements climatiques ont été examinés dans cette étude, qui ont révélé des différents comportements possibles à court terme et à long terme. Finalement, l’approche développée a été appliquée au territoire français en le divisant en six régions climatiques. Différents paramètres de sol ont été attribués à chacune de ces régions climatiques afin de définir les conditions de référence. Par conséquence, l’influence de différents facteurs externes sur les mouvements du sol a été analysée sur une période don-née. Enfin, l’étude suggère les mesures adéquates à prendre pour minimiser l’amplitude du phénomène de retrait et de gonflement dans un contexte SVA.
Mots clés : Sécheresse, retrait-gonflement des sols argileux, interactions sol-végétation-atmosphère, changement climatique, succion, sols gonflants non saturés, modélisation géotechnique, instrumentation géotechnique .
Résumé anglais
Climate change and severe climatic events such as long drought/rehydration periods are at the origin of the shrinkage and swelling phenomenon in expansive soils. This phenomenon is affected by Soil-Vegetation-Atmosphere (SVA) interactions and can cause severe structural damage to lightly loaded constructions such as residential buildings. The objective of this research work is to simulate the in-situ behavior of the shrinkage-swelling in expansive soils in a SVA context using numerical tools. A soil-atmosphere interaction method is primarily presented along with a coupled hydro-thermal soil model. This approach was established in order to determine primarily, the natural time variable boundary conditions at the considered soil surface based on the mass and energy balance concept, and secondly to determine the spatial-temporal changes of the soil suction, water content and temperature. This approach was validated using in situ observations of monitored sites. Thereafter, the influence of the water uptake by vegetation was incorporated in the source term of the unsaturated water flow theory, using an existing root water uptake model. Subsequently, the temporal variations of the soil suction were related to the volume change behavior using a simple approach developed based on the experimental results of drying/wetting tests performed in the literature. The associated volumetric indices in the void ratio-log suction plan, along with the complementary parameters of the linear model were correlated with basic geotechnical parameters. The proposed approach was validated with in situ data provided from an experimental site. The Roaillan experimental site was instrumented in order to monitor the soil’s physical changes along with the structural behavior of the building. Comparisons between the simulated and observed soil suction, soil water content, temperature and soil movements in time and depth showed an acceptable performance of the predictions. The approach was then extended to study the influence of future climate projections (2050) on the soil’s physical variables and movements. Three RCP climate change scenarios were considered in this analysis which revealed different possible behavior in both short term and long term. Finally, the developed approach was applied to the French territory by dividing it to six different climatic regions. Different soil parameters were attributed to each of these climatic regions in order to set the reference condition. Thereafter, the influence of different external factors was analyzed on the soil movements over a chosen period. The study finally suggests the adequate actions to take for minimizing the amplitude of the shrinkage and swelling phenomenon in a SVA context.
Key Words: Drought, Shrinkage-Swelling of clayey soils, Soil-Vegetation-Atmosphere interactions, climate change, suction, unsaturated expansive soils, Geotechnical modelling, Geotechnical monitoring