Drains verticaux thermo-préfabriqués pour la consolidation in-situ des sols

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: VSS2006/502

Schlüsselwörter (Englisch)

Earthwork, foundation, duration, stabilization of soils, embankment, consolidation, drainage.

Schlüsselwörter (Französisch)

Terrassement, sol de fondation, durée des travaux, stabilisation des sols, talus en remblai, remblai, consolidation, drainage

Forschungsprogramme (Französisch)

ACTIVITE                                                                                             TEMPS (mois) 1à 12

1) Prélèvement des échantillons de sol de remblais suisses

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2) Etudes expérimentales du comportement thermo-hydro-mécanique de matériaux

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3) Conception, fabrication et calibration du consolidomètre

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4) Etude des caractéristiques de la zone perturbée autour du point de PVD

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5) Etude du comportement thermo-consolidé des drains verticaux préfabriqués

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6) Simulations numériques du comportement thermique des drains verticaux préfabriqués

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7) Report final

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Kurzbeschreibung (Englisch)

Previous research works in literature show that subjecting the saturated fine-grained soils to temperature less than water boiling point (100°C) induces volumetric and shear strength changes depend on the stress history. Normally consolidated clay exhibited irreversible contraction temperature induced volume change, stiffening, and increased hydraulic permeability with increasing temperature as well as apparent overconsolidation state after subjecting to heating/cooling cycle. These findings encourage further research towards employing the thermal load only, up to 90°C, or in combination with mechanical loading as ground improvement technique. This project is directed to study the applicability of this technique through series of large oedometer tests conducted on natural Swiss clay specimens. Heating of the soil specimen will be conducted using flexible wire heater attached to the PVD point or U-tube attached to PVD where hot water can be circulated within it. Numerical simulation for the test results will be conducted using Thermo-Hydro-Mechanical model proposed by Laloui and Modaressi (2002).

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les travaux dans le domaine de la thermo-mécanique des sols ont montré les effets de l’échauffement sur les caractéristiques de matériaux et leur perméabilité. Dans des gammes de température en dessous des 100 °C, les matériaux fins normalement consolidés présentent une contraction irréversible accompagnée d’une modification de la résistance au cisaillement et une augmentation de la perméabilité. Ces résultats indiquent qu’il est ainsi possible d’accélérer le processus de consolidation des remblais par leur échauffement. Celui-ci peut se faire à l’aide de drains chauffant. Ce projet est consacré à la démonstration de la faisabilité technique d’une consolidation par drains chauffants. Une étude expérimentale sur un oedomètre de grande taille avec des sols suisses sera menée. Les aspects de modélisation numérique seront abordés à l’aide d’un modèle couplé thermo-hydro-mécanique développé par le requérant (Laloui et Modaressi, 2002).

Projektbeschreibung (Französisch)

La construction de routes sur des dépôts mous, principalement des argiles normalement consolidées, exige des le recours à des remblais de pré-consolidation et de renforcement. L’utilisation de drains verticaux préfabriqués (PVD) est une approche économiquement intéressante et techniquement très efficace pour l’accélération de la consolidation des remblais. Cependant, l’installation standard de PVD peut induire des remaniements dans le remblais argileux, induisant une zone perturbée avec une perméabilité beaucoup plus basse. La présence de cette zone perturbée diminue sensiblement la consolidation horizontale, induisant un retard dans le processus de consolidation. La perméabilité de la zone perturbée, k_s, est normalement estimée par un ratio de réduction, k_h/k_s, où k_h est la perméabilité horizontale initiale du dépôt d’argile. Une variation de k_h/k_s entre 2 et 6 a été mise en évidence (Hansbo, 1981; Bergado et al. 1991; Indraratna and Redana, 1998; Hird and Moseley, 2000). Hansbo (1981, 1997) a estimé le diamètre de la zone perturbée, ds = (1.5 to 3.0) dm, où dm est le diamètre équivalent du trou du PVD. Des recherches expérimentales (Bergado et al.,1991) ont montré qu’il est possible d’estimer ds=2dm.

Divers études expérimentales (e.g., Baldi et al., 1988; Towhata et al., 1993; Kuntiwattanakul et al., 1995; Burghignoli et al., 2000; Delage et al., 2000; Cekerevac and Laloui 2004) ont démontré que l’augmentation de la température des matériaux argileux (jusqu’à 100 ^oC) provoque une consolidation (contraction) irréversible du matériau et une augmentation de la résistance au cisaillement, de le raideur et de la perméabilité hydraulique. Ces modifications des propriétés des sols ont été attribuées aux évolutions thermo-physico-chimiques au niveau microscopique. Une revue complète de cet état de connaissances a été effectuée par Laloui (2001).

Le but de la présente étude est d’examiner expérimentalement la validité et l’efficacité d’une technique innovatrice pour l’amélioration de la performance des drains verticaux utilisés pour l’amélioration des sols. La technique proposée se base sur l’augmentation de la conductivité hydraulique des argiles saturées avec la température, causées par l’effet de la température sur la viscosité de l’eau. En particulaire, l’effet de la température sur la conductivité hydraulique peut être utilisé pour réduire l’effet du retard du drainage causé par la zone perturbée autour du PVD afin d’optimiser la performance du PVD.

Le programme expérimental de cette étude est composé de deux parties. La première concerne l’étude de l’effet de la température sur les propriétés mécaniques de matériaux argileux naturels disponibles en suisse. Le but de ces expérimentations est d’acquérir une meilleure compréhension des aspects suivants : (i) le changement volumique provoqué par la température, (ii) l’effet des cycles thermiques sur le comportement triaxial non-drainé et (iii) l’effet de la température sur la perméabilité hydraulique. Un appareil triaxial thermo-mécanique développé à l’EPFL (Cekerevac et al. 2005) sera utilisé dans cette étude. La seconde partie du programme expérimental concerne la configuration de la zone perturbée autour du PVD et l’effet d’augmenter la température du sol sur la performance de pré-chargement avec un système PVD. Un grande consolidomètre sera utilisé dans dans ce contexte. Il permettra de simuler en laboratoire le processus de consolidation avec l’utilisation de câbles flexibles attachés au point du PVD ou des tubes en U attachés au PVD (voir annexe). Des simulations numériques seront utilisées à la fois à la conception de l’expérimentation dans le consolidomètre et pour l’analyse des champs de pression interstitielle et de déformation dans les remblais. Pour cela, le modèle éléments finis développé par Laloui et Moderassi (2002) sera utilisé.

Methoden (Französisch)

1. Prélèvement des échantillons

Des échantillons de matériaux argileux utilisés pour les remblais de routes suisses seront prélevés.

2. Etudes expérimentales du comportement thermo-hydro-mécanique

Les aspects suivants seront analysés à l’appareil triaxial thermo-mécanique:

· Changement volumique provoqué par l’augmentation de la température

· L’effets de la température sur la perméabilité hydraulique

· L’effets de la température sur le comportement de la résistance au cisaillement

3. Conception, fabrication et calibration du consolidomètre

Le diamètre de la cellule consolidométrique sera de 250 mm pour une hauteur de 300 mm. La cellule sera montée sur un cadre rigide équipé d’un piston pour l’application du chargement mécanique. Une unité de contrôle sera utilisée pour le pilotage des champs thermiques autour du PVD. Des thermo-couples permettront de relayer l’information au système de contrôle. Des capteurs de pression interstitielle miniatures et des comparateurs sophistiqués seront utilisés pour mesurer le processus de consolidation du sol.

4. Etude des caractéristiques de la zone perturbée autour du point de PVD

La consolidomètre conçu era utilisé pour l’étude des zones d’influence autour des drains verticaux pendant l’installation. Les conditions aux limites devront permettre de reproduire en laboratoire le processus d’installation sur le terrain. Un essai type est conduit en trois étapes: préparation ddes matériaux naturels dans le moule de consolidation, installation du drain, application des variations thermiques et mesures des perméabilités hydrauliques. Les dimensions de la zone perturbée seront détectées par la variation radiale de la perméabilité horizontale.

5. Etude du processus de consolidation par drains verticaux préfabriqués thermiques

Les PVD thermiques seront installés dans le consolidomètre. Les différents capteurs devront rendre compte de l’évolution des pressions interstitielles et de la consolidation du matériau

6. Simulation numérique du comportement thermique des drains verticaux préfabriqués

Les simulations éléments finis ont pour but de reproduire les observations expérimentales réalisées dans le consolidomètre. Elles pourront par la suite permettre une étude de sensibilité du processus de consolidation par PVD thermique à différents facteurs : contrainte mécanique, conditions aux limites, … Cette partie sera réalisée avec le modèle thermo-hydro-mécanique de l’EPFL. Ce modèle a été obtenu sur la base de la théorie de l’homogénéisation (théorie des moyennes) et associé au modèle de comportement thermo-plastique développé par Laloui (1993) et Moderassi et Laloui (1997) pour tenir compte de l’écrouissage thermique des sols.

Spezielle Geräte und Installationen (Französisch)

· Appareil triaxial thermo-mécanique. Cet équipement existe déjà à l’EPFL.

· Grand consolidomètre (diamètre=250 mm) équipé d’un piston contrôlant la contrainte, d’un capteur de déformations; de thermo-couples; d’une unité de chauffage et d’un capteur de pression interstitielle

Système d’acquisition des données

Stand der eigenen Forschung (Französisch)

Le candidat a été actif pendant plusieurs années dans le domaine de l’étude et de la compréhension des processus de consolidation thermo-mécanique des sols. En particulier, il a fortement contribué à des avancées significatives dans les domaines des essais expérimentaux, de la modélisation constitutive, des couplages thermo-hydro-mécaniques et des simulations éléments finis. Ci-dessous se trouve une liste des publications les plus significatives dans le domaine:

· Coupled Multi-Physics Processes in Geomechanics. Guest Editors: L. Laloui, R. Charlier, G. Pijaudier-Cabot. Special issue, REGC (European Journal of Civil Engineering), Volume 9, N°5-6, 280 pages, 2005.

· Water in Pavements. Guest Editors: L. Laloui, J. Baena. Special issue, International Journal of Road Materials and Pavement Design, 2006 (in progress).

· Mayoraz F., L. Vulliet and L. Laloui. ”Attrition and particle breakage under monotonic and cyclic loading”. Comptes Rendus Académie des Sciences, C. R. Mecanique Vol. 334, N. 1, pp. 1-7, 2006.

· Laloui L., C. Cekerevac & B. François. ”Constitutive modelling of the thermo-plastic behaviour of soils”. REGC (European Journal of Civil Engineering), Volume 9, N°5-6, pp. 635-650, 2005.

· Cekerevac C., L. Laloui & L. Vulliet. "A novel triaxial apparatus for thermo-mechanical testing of soils". Geotechnical Testing Journal, Vol. 28, issue 2, pp. 161-170, 2005.

· Cekerevac C. & L. Laloui. "Experimental study of the thermal effects on the mechanical behaviour of a clay". International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol 28, pp 209-228, 2004.

· Laloui L. & C. Cekerevac. "Thermo-plasticity of clays: an isotropic yield mechanism". Computers and Geotechnics, Vol 30/8 pp 649-660, 2003.

· Laloui L. "Thermo-mechanical behaviour of soils". RFGC (French Revue of Civil Engineering), Vol. 5, pp. 809-843, 2001.

· Laloui L., F. Geiser & L. Vulliet. "Constitutive modeling of unsaturated soils". RFGC (French Revue of Civil Engineering), Vol. 5, pp. 797-807, 2001.

· Modaressi H. & L. Laloui. "Thermo-viscoplastic model for clays". International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 21, pp 313-335, 1997.

· Modaressi H., L. Laloui & D. Aubry. "Thermodynamical approach for Camclay-familly models with Roscoe-type dilatancy rules". International Journal of Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 18, pp 133-138, 1994.

· Modaressi H., L. Laloui & D. Aubry. "Loi de comportement cyclique thermo-viscoplastique pour les géomatériaux". Les cahiers de Rhéologie, Vol. 9, N°1, 1991.

Projektziele (Englisch)

The main purpose of this project is to develop an innovative technique to accelerate the consolidation process of road embankment. The proposed technique utilizes thermo-prefabricated vertical drains that can raise the soil temperature. At elevated temperature, the soil permeability increased due to the effect of heat on the water viscosity. Consequently, the consolidation rate will be also increased. This project contributes to the improvment of the drainage techniques

Projektziele (Französisch)

Ce projet vise le développement d’une technique expérimentale pour l’accélération du processus de consolidation des remblais de routes. Cette technique se base sur l’utilisation de drains verticaux pré-fabriqués chauffants. Ainsi l’effet thermique induit par ces drains va augmenter la perméabilité du remblai et accélérer le drainage de l’eau par l’effet de la chaleur sur la viscosité. Ce projet contribue ainsi à l’amélioration des techniques actuelles de drainage.

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Amélioration des techniques de consolidation des remblais routiers

Berichtsnummer (Deutsch)

1254

Literatur (Französisch)

Baldi, G., Hueckel, T., Pelegrini, R., 1988. Thermal volume changes of the mineral-water system in low-porosity clay soils. Canadian Geotechnical Journal 25, 807-825.

Bergado, D.T., Asakami, H., Alfaro, M., Balasubramaniam, A.S., 1991. Smear effects of vertical drains on soft Bangkok clay. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE 117 (10), 1509–1529.

Burghignoli, A., Desideri, A., Miliziano, S., 2000. A laboratory study on the thermomechanical behaviour of clayey soils. Canadian Geotechnical Journal 37, 764-780.

Cekerevac, C., Laloui, L., 2004. Experimental study of thermal effects on the mechanical behaviour of a clay. International Journal for Numerical Analytical Methods Geomechanics 28, 209-228.

Cekerevac, C., Laloui, L., and Vulliet, L., 2005. A novel triaxial apparatus for thermo-mechanical testing of soils. Geotechnical Testing Journal, ASTM, Vol. 28, No. 2, pp. 161-170.

Delage, P., Sultan, N., Cui, Y.J., 2000. On the thermal consolidation of Boom Clay. Canadian Geotechnical Journal 37, 343-354.

Hansbo, S., 1981. Consolidation of fine-grained soils by prefabricated drains. Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics, Vol.3, Stockholm, pp.677–682.

Hansbo, S., 1997. Aspects of vertical drain design: Darcian or non-Darcian flow. Geotechnique 47, 983–992.

Hird, C.C., Moseley, V.J., 2000. Model study of seepage in smear zones around vertical drains in layered soil.Geotechnique 50 (1), 89–97.

Indraratna, B., Redana, I.W., 1998. Laboratory determination of smear zone due to vertical drain installation. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE 124 (2), 180–184.

Kuntiwattanakul, P., Towhata, I., Ohishi, K., Seko, I., 1995. Temperature effects on undrained shear characteristics of clay. Soils and Foundations 35 (1), 147-162.

Laloui, L. 1993. Modélisation du comportement thermo-hydro-mecanique des milieux poreux anélastique. Doctoral Thesis, Ecole Centrale Paris, Paris, France.

Laloui, L., 2001. Thermo-mechanical behavior of soils. Revue Française de Génie Civil 5, 809-843.

Laloui, L, and Modaressi H., 2002. Modelling of the thermo-hydro-plastic behavior of clays. In : Hoteit et al., editors. Hydromechanical and thermohydromchanical behavior of deep argillaceous rock. Balkema, 161-170.

Moderassi, H., and Laloui, L., 1997. A thermo-visco-plastic constitutive model for clays. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol. 21, pp. 313-335.

Towhata, I., Kuntiwattanakul, P., Seko, I., Ohishi, K., 1993. Volume change of clays induced by heating as observed in consolidation tests. Soils and Foundations 33, 170-183