Etude micromécanique de l'interface sable-pieu sous chargement axial par tomographie rayons X

This doctoral work presents an experimental investigation into the mechanisms governing the macroscopic response of sand-pile interface during monotonic installation and subsequent axial cyclic loading. An innovative approach combining x-ray tomography and advanced image analysis tools is employed to extract information at different scales, including the micro-scale. A quantitative analysis of the behavior of individual sand grains in the vicinity of the pile offers valuable three-dimensional (3D) data set against which theoretical or numerical approaches could be tested.A series of tests is run on an instrumented close-ended conical model pile installed by monotonic jacking in a dense calcareous sand sample. Following the installation, the model pile is submitted to a large number of axial displacement-controlled loading cycles (a few thousands cycles) under constant normal stress. The tests are performed in a mini-calibration chamber that allows the acquisition of high resolution x-ray images at different stages of the loading. The chamber is admittedly not representative of field pile testing conditions for the main following reasons: the calibration chamber-to-pile diameter ratio and the sand particle-to-pile diameter ratio are far below the ratios recommended in the literature to limit scale effects on the interface response. Consequently, the results presented in this work can not, and should not, be directly extrapolated to field pile design. Yet, such a setup is able to reproduce qualitatively trends that are similar to those obtained at the macro-scale on large-scale experiments and allows the observation of full-field mechanisms taking place at the micro-scale.3D images resulting from the reconstruction of the x-ray scans are used to identify and follow the evolution of individual sand grains. Full-kinematics are measured thanks to a 3D Digital image Correlation (DIC) code, “TomoWarp2”. Image processing tools are also employed to measure local porosity changes and the production of fines by grain crushing at the interface.During pile installation, different zones where grains displacements concentrate are identified. A recirculation of the grains alongside the pile is also observed. Globally, the sand mass exhibits a dilative behavior except within a relatively thin layer (about 3 to 4·D50 thickness) around the model pile where grain crushing occurs. During subsequent loading cycles, the macroscopic response of sand-pile interface shows a two-phases evolution, with a non negligible increase of shaft resistance in the latter phase. For these two phases, the measurement of grain kinematics reveals a different behavior of the sand mass associated with a significant densification at the interface. In the first phase, the sand mass contracts radially within a region of thickness 4·D50. This mechanism is likely due to inter-granular rearrangement as measure by DIC. In the second phase, sand grains hardly move and the sand mass reaches a threshold density for which the friction on the shaft starts to increase substantially.Cette thèse présente une étude expérimentale des mécanismes contrôlant la réponse macroscopique d’une interface sable-pieu sous sollicitations axiales monotones et cycliques. Une approche innovante associant la tomographie rayons X à des outils avancés d’analyses d’images en trois dimensions (3D) est utilisée dans le but d’extraire des informations à différentes échelles, notamment à l’échelle micro. L’analyse quantitative du comportement individuel des grains situés au voisinage du pieu fournit une collection de données 3D qui pourraient être utilisées pour la validation de modèles numériques ou théoriques.Une série de tests est réalisée sur un pieu instrumenté à pointe conique installé par vérinage monotone dans un échantillon dense de sable calcaire. Après l’installation, le pieu est soumis à un grand nombre de cycles axiaux contrôlés en déplacements (jusqu’à 2000 cycles), à contraintes constantes. Ces essais ont été conduits dans une mini chambre de calibration qui permet d’acquérir des tomographies rayons X à haute résolution après différentes étapes de chargement. Il est admis que le dispositif expérimental n’est pas représentatif des conditions d’essais sur pieux in-situ pour les raisons principales suivantes : le ratio entre le diamètre de la chambre le diamètre du pieu et le ratio entre le diamètre du pieu et la taille moyenne des grains sont bien inférieurs aux ratios recommandés dans la littérature afin de limiter les effets d’échelle. Par conséquent, les résultats obtenus dans ce travail ne peuvent et ne doivent pas être directement extrapolés pour le design de pieux réels. Cependant, un tel dispositif permet de reproduire qualitativement des tendances similaires à celles observées à l’échelle macro sur des essais à grande échelle et d’observer des mécanismes se déroulant à l’échelle micro.Les images 3D obtenues par reconstruction des tomographies rayons X sont utilisées afin d’identifier et de suivre l’évolution des grains individuels. Le champ cinématique complet en 3D est mesuré grâce à un code de corrélation d’images numériques 3D (DIC), « TomoWarp2 ». Des outils de traitement d’image sont également employés pour suivre les changements de porosité et la production de fines par broyage des grains à l’interface.Pendant la mise en place du pieu, plusieurs zones où les déplacements se concentrent sont identifiées. Une recirculation des grains le long du fût du pieu est mise en évidence. Globalement, le sable a un comportement dilatant à l’exception d’une fine couche (épaisseur d’environ 3 à 4·D50) autour du pieu où les fines sont produites. Pendant les cycles, la réponse macroscopique de l’interface montre une évolution en deux phases, avec une augmentation non négligeable de la résistance du fût dans la seconde phase. Pour ces deux phases, la mesure de la cinématique granulaire révèle un comportement du sol différent associé à une densification importante à l’interface. Dans la première phase, le sol se contracte radialement dans une zone de 4·D50 d’épaisseur. Ce phénomène est certainement dû au réarrangement granulaire mesuré par DIC. Dans la seconde phase, les grains de sables se déplacent difficilement et la densité à l’interface atteint un seuil pour lequel le frottement sur le pieu augmente de manière significative