Verhalten von Baugrundböden gegenüber Schwinden und Quellen von Ton
Behaviour of foundations base soils facing swelling-shrinkage of clays
Comportement des sols d'assise des fondations face au retrait-gonflement des argiles
Résumé
In France, one in two single-family homes is affected by the shrink-swell phenomenon of clay soils, which causes cracks in buildings. This issue is particularly acute during periods of drought, as clay soils contract in the absence of water and expand during wetter periods, causing differential movements in building foundations. This phenomenon, recognized on a large scale since the droughts of the 1970s and 2000s, mainly affects single-family houses and leads to high insurance costs. With climate change, regions historically unaffected by this phenomenon are also at risk, underscoring the urgency of managing this risk.
This doctoral project aims to better understand and manage the effects of clay soil shrink-swell on buildings. It leverages experimental data, laboratory testing, and numerical simulations to provide practical recommendations. The research is structured into three main phases:
1. **Literature Review**: The first phase involves a comprehensive bibliographic analysis of recent advances regarding shrink-swell phenomena in soils and their effects on light buildings, particularly single-family homes. The objective is to summarize current knowledge on the impacts of these phenomena, the models describing clay soil behavior, and the constructive solutions aimed at reducing damage.
2. **Laboratory Experimentation**: This second and crucial phase of the project involves tests at the SRO laboratory. Swelling clay soils will be collected from the town of Champs-sur-Marne to study their sensitivity to the shrink-swell phenomenon. Tests will simulate drying and wetting cycles to quantify the cumulative effects of these cycles on soil stability. Shrinkage and swelling tests will be performed to assess the impact of foundation loads on these soils. A physical model will also be developed, which includes a chamber for controlling humidity, a loading frame, a plate simulating a foundation, and various sensors (displacement, force, water content, pore pressure). This setup will allow for the simulation and analysis of soil bearing capacity changes under drying and wetting cycles.
3. **Numerical Modeling**: In the final phase, experimental data will be integrated into the COMSOL software to simulate the impacts of climate change on the strength and deformability of soils under foundation loads. This modeling will include several steps:
- Representing soil-atmosphere and soil-foundation interactions, incorporating the hydromechanical behavior of clay soils under climatic variations.
- Testing various climate scenarios to observe the effects of drying and wetting cycles before and after applying remediation solutions, such as enzymatic treatments.
- Evaluating the effectiveness of existing and innovative prevention and remediation methods (especially nature-based approaches) to maintain soil stability.
Ultimately, the project aims to improve the understanding of drying/wetting cycles and their effects on soil-foundation-structure interactions. These findings will be used to develop technical recommendations to improve construction and foundation standards on clay soils (according to the NF P 94-261 standard). These recommendations will be shared with building professionals in France and could be adapted for other European countries facing similar climatic and geotechnical challenges.
En France, une maison individuelle sur deux est affectée par le phénomène de retrait-gonflement des sols argileux, qui provoque des fissures dans les bâtiments. Ce problème est particulièrement marqué lors des périodes de sécheresse, car les sols argileux se contractent en l'absence d'eau et se dilatent en période humide, provoquant des mouvements différentiels dans les fondations des bâtiments. Ce phénomène, identifié à grande échelle depuis les sécheresses des années 1970 et 2000, touche particulièrement les maisons individuelles et entraîne des coûts élevés pour les assurances. Avec le changement climatique, les régions historiquement épargnées par ce phénomène risquent également d’être impactées, soulignant l'urgence de maîtriser ce risque.
Ce projet de thèse vise à mieux comprendre et maîtriser les effets du retrait-gonflement des sols argileux sur les constructions. Il s’appuie sur des données expérimentales, des essais en laboratoire et des simulations numériques pour proposer des recommandations pratiques. La recherche se déroule en trois grandes phases :
1. État de l’art : Cette première phase consiste à réaliser une analyse bibliographique approfondie sur les avancées récentes en matière de retrait-gonflement des sols et leurs effets sur les bâtis légers, notamment les maisons individuelles. L’objectif est de synthétiser les connaissances actuelles sur les impacts de ces phénomènes, les modèles décrivant le comportement des sols argileux, et les solutions constructives visant à limiter les dommages.
2. Expérimentations en laboratoire : Cette deuxième phase, essentielle au projet, implique des essais au laboratoire SRO. Les sols argileux gonflants seront prélevés dans la commune de Champs-sur-Marne pour étudier leur sensibilité au retrait-gonflement. Les essais porteront sur des cycles de séchage et humidification simulés afin de quantifier les effets cumulés de ces cycles sur la stabilité des sols. Des essais de retrait et de gonflement seront réalisés pour mesurer l’impact des charges transmises par les fondations sur ces sols. Un modèle physique sera également développé : il comprendra une enceinte contrôlant l’humidité, un bâti de chargement, une plaque simulant une fondation, ainsi que divers capteurs (déplacement, force, teneur en eau, pression interstitielle). Ce dispositif permettra de simuler et d’analyser les changements de capacité portante des sols sous cycles de séchage et humidification.
3. Modélisation numérique : Dans cette dernière phase, les données expérimentales seront intégrées dans le logiciel COMSOL pour simuler les impacts du changement climatique sur la résistance et la déformabilité des sols sous fondation. Cette modélisation comportera plusieurs étapes :
- Représenter les interactions sol-atmosphère et sol-fondation, en intégrant le comportement hydromécanique des sols argileux sous l’effet des variations climatiques.
- Tester différents scénarios climatiques pour observer les effets des cycles de séchage et humidification avant et après l’application de solutions de remédiation, telles que des traitements enzymatiques.
- Évaluer l’efficacité de méthodes de prévention et de remédiation actuelles et innovantes (notamment les méthodes douces basées sur des solutions naturelles) pour maintenir la stabilité des sols.
À terme, le projet ambitionne d’apporter une meilleure compréhension des cycles de séchage/humidification et de leurs effets sur les interactions entre le sol, la fondation et la structure. Ces travaux permettront d’élaborer des recommandations techniques pour améliorer les règles de construction et de fondation sur sols argileux (selon la norme NF P 94-261). Ces recommandations seront diffusées aux professionnels du bâtiment en France, et pourront également être adaptées à d’autres pays européens confrontés aux mêmes enjeux climatiques et géotechniques.