Mechanical and microstructural study of biocemented soils : application to hydraulic earthworks.

Étude mécanique et microstructurale des sols bio-cimentés : application aux ouvrages hydrauliques en terre Le procédé de bio-cimentation est une technique prometteuse pour renforcer les sols lâches et de faible résistance mécanique. Cette technique a montré une très bonne efficacité pour plusieurs types de sols lors d’essais en laboratoire, dans des modèles physiques ou lors d’essais sur site. Par contre, elle a montré une forte sensibilité aux conditions de traitement telles que concentrations des réactifs, bactéries, vitesse d’injection, type de sols, température, etc… Ces facteurs influencent principalement la distribution spatiale de la calcite précipitée, sa forme et sa morphologie, ce qui influence par la suite les propriétés effectives des sols traités. Ces travaux de thèse ont été réalisés dans le cadre du projet BOREAL qui vise à renforcer par cette technique des digues et barrages en terre existants contre l’érosion interne des noyaux et la liquéfaction des fondations. L'objectif de cette thèse est d'étudier l’évolution des propriétés physiques et mécaniques du sable bio-cimenté (perméabilité, résistance mécanique) par la réalisation d’essais mécaniques et de mesures de perméabilité en laboratoire, et de lier cette évolution aux changements microstructuraux via des observations par microtomographie RX. Le travail a commencé par des essais de bio-cimentation de colonnes de sable de Fontainebleau afin de vérifier la faisabilité de la bio-cimentation en laboratoire. Suite à ces essais de faisabilité, des essais triaxiaux drainés ont été réalisés sur le sable bio-cimenté afin d’estimer l’évolution de ses paramètres de résistance tels que la cohésion et l'angle de frottement. Des petits volumes de sable bio-cimenté présentant différentes teneurs en calcite ont été extraits des échantillons triaxiaux et observés par micro-tomographie aux rayons-X à l’ESRF sous une très haute résolution (0,65 µm/ pixel). Des méthodes quantitatives d’imagerie 3D ont été développées pour calculer les propriétés microstructurales moyennes (quantité de calcite, porosité, surface spécifique et surface spécifique de calcite) et les propriétés de contact (surface de contact, nombre de coordination, type de contacts, orientation des contacts, etc…) pour les différents échantillons observés. Cette étude a montré une forte évolution de la résistance du sable bio-cimenté (évolution non-linéaire de la cohésion, évolution quasi-linéaire de l’angle de frottement, légère augmentation de la résistance résiduelle, etc…) et une diminution de la perméabilité par la précipitation de la calcite à l’intérieur de l’échantillon. L’étude quantitative de l’évolution de la microstructure a montré une stabilité de la surface spécifique de la calcite à partir d’un certain niveau de calcification, une forte évolution quasi-linéaire de la surface de contact cohésive entre les grains ainsi qu’une légère évolution du nombre de coordination par la création de nouveaux contacts. La comparaison de ces évolutions avec celles obtenues pour un arrangement périodique de type cubique simple en utilisant deux scenarii de précipitation (uniforme et localisée au niveau du contact) a montré que la précipitation de la calcite se produit principalement dans les zones de contact inter-granulaire. L’utilisation de ces informations microstructurales dans des modèles micromécaniques a permis d’estimer avec succès les propriétés effectives du sable bio-cimenté (cohésion, perméabilité, modules élastiques). Enfin, les mêmes outils ont été utilisés pour étudier la durabilité chimique du sable bio-cimenté. Cette étude a montré une dégradation de la résistance du sable par la dissolution de la calcite à l’intérieur des échantillons. Les mesures quantitatives sur les images 3D ont montré une dégradation de la surface de contact sans hystérésis par rapport à l’évolution de ces surfaces de contacts pendant le processus de bio-cimentation.