Evaluating the potentiality of X-ray tomography on the quality assessment of grouted soils

The final authenticated version is available online at https://doi.org/10.1007/978-3-031-12851-6_1.Grouting is a technique used to improve the engineering properties of soils and rocks. Grouting techniques are classified under different criteria: injection method used, type of grout material injected, typical application, and the sequence of construction. The best-known criterion is the mode of entrance or admission of grout into the soil or rock. It is possible to identify therefore several grouting techniques: compaction, fracture, jet/mixing and permeation. The function of penetration grouting is to reduce the permeability of the soil or rock and/or increase the strength and density. In order to avoid displacements or piston effects, permeation grouting shall be carried out at carefully controlled pressures and flow rates, using appropriate grouts. Several tests have been performed, with a laboratory injection device, on four soil mixtures with different permeability values (kw values between 10–4 and 10–7 m/s) and the same void ratios, injected with a colloidal silica. Indirect tests (X-ray CT-scans) and destructive tests (unconfined compressive strength tests) were performed to assess the injection effectiveness and the grade of mechanical improvement achieved. The chosen binder was able to penetrate in low permeable soils with kw values of 10–7 m/s. Results are valuable for contractors and designers involved in the consolidation of soils where kw values are known.Postprint (author's final draft

Resistenza a trazione di un terreno con vegetazione parzialmente saturo

Il rinforzo delle radici nel terreno è stato valutato in letteratura, a livello di sperimentazione di laboratorio, principalmente tramite percorsi di sollecitazione di compressione per carico o tramite prove di taglio diretto. Il loro effetto durante altri percorsi di sollecitazione e il comportamento all'interfaccia suolo-radice risultano ancora poco esplorati. A questo proposito, in questo studio viene presentata un'apparato che consente di testare congiuntamente il terreno e le radici in estensione uniassiale. Campioni di terreno, compattati sempre allo stesso stato idro-meccanico, sono stati poi seminati con Cynodon dactilon e testati dopo tre mesi di crescita radicale. Dalle prove di trazione realizzate, si è osservata una risposta duttile nei campioni di terreno in prossimità della saturazione ed una fragile in condizioni più secche. In ogni caso, la vegetazione ha contribuito ad aumentare la resistenza dei provini. Le misure del grado di saturazione e di suzione matriciale nonchè l’assegnazione delle direzioni principali di sollecitazione hanno permesso di interpretare i risultati tramite un criterio di resistenza al taglio per terreni parzialmente saturi. Le caratteristiche meccaniche e morfologiche delle radici all’interno di ogni provino di terreno sono state caratterizzate dopo le prove, in maniera tale da assicurare la comparabilità dei risultati in termini di rinforzo meccanico delle radici.Postprint (published version

Exploring the mechanical response of low-carbon soil improvement mixtures

As society moves towards decarbonisation, it is important to assess the hydromechanical behaviour of binders that could offer a low-carbon alternative to Portland cement in ground improvement technologies. This work considers two such alternatives: one still largely unexplored (metakaolin-based geopolymers) and a better known one (colloidal silica). Results from unconfined compressive strength, permeability tests, undrained monotonic and cyclic triaxial tests on granular soils (sand and silty sand) treated with those two binders are presented and discussed, emphasizing similarities and differences with the response of similar soils treated with other conventional and unconventional binders. Effects of silt content, curing conditions and soil/binder ratios are examined. Both colloidal silica and metakaolin-based geopolymer significantly improve the mechanical properties of the treated soils, although the geopolymer results in a stronger and stiffer material. Both treatments reduce much the permeability of the treated soil, but the reduction achieved with colloidal silica is larger.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Monitoring of a full-scale embankment experiment regarding soil–vegetation–atmosphere interactions

Slope mass-wasting like shallow slides are mostly triggered by climate effects, such as rainfall, and soil–vegetation–atmosphere (SVA) interactions play a key role. SVA interactions are studied by a full-scale embankment with different orientations (North and South) and vegetation covers (bare and vegetated) in the framework of the prediction of climate change effects on slope stability in the Pyrenees. A clayey sand from the Llobregat river delta was used for the construction of the embankment and laboratory tests showed the importance of suction on the strength and hydraulic conductivity. Sixty sensors, which are mostly installed at the upper soil layer of the embankment, registered 122 variables at four vertical profiles and the meteorological station with a 5 min scan rate. Regarding temperature, daily temperature fluctuation at the shallow soil layer disappeared at a depth of about 0.5 m. There was great influence of orientation with much higher values at the South-facing slope (up to 55 °C at -1 cm depth) due to solar radiation. Regarding rainfall infiltration, only long duration rainfalls produced an important increase of soil moisture and pore water pressure, while short duration rainfalls did not trigger significant variations. However, these changes mostly affected the surface soil layer and decreased with depth.Peer ReviewedPostprint (published version

Pérdida de suelo en laderas bajo cambio climático: procesos físicos, modelación predictiva y posibles estrategias de mitigación - El proyecto de investigación “SmuCPhy”

Este proyecto de investigación estudia los mecanismos de la pérdida de suelos en zonas montañosas mediante un método multidisciplinar y el trabajo a diferentes escalas. Uno de los objetivos principales es analizar el efecto del cambio climático sobre estos mecanismos y buscar métodos de mitigación para afrontarlo correctamente. Se utilizan datos obtenidos mediante la auscultación de un experimento físico a gran escala y cuatro laderas y cuencas naturales situadas en el Pirineo Catalán, para alimentar y validar un modelo numérico innovador que implementa un módulo de interacciones suelo-vegetación-atmósfera. Finalmente, los resultados de la auscultación y de la modelización numérica se usarán para realizar una correlación de factores condicionantes de la inestabilidad con la ocurrencia espacio-temporal de deslizamientos superficiales utilizando técnicas SIG a escala regional.Postprint (published version

Pérdida de suelo en laderas bajo cambio climático. procesos físicos, modelación predictiva y posibles estrategias de mitigación : el proyecto de investigación “Smucphy”

RESUMEN: Este proyecto de investigación estudia los mecanismos de la pérdida de suelos en zonas montañosas mediante un método multidisciplinar y el trabajo a diferentes escalas. Uno de los objetivos principales es analizar el efecto del cambio climático sobre estos mecanismos y buscar métodos de mitigación para afrontarlo correctamente. Se utilizan datos obtenidos mediante la auscultación de un experimento físico a gran escala y cuatro laderas y cuencas naturales situadas en el Pirineo Catalán, para alimentar y validar un modelo numérico innovador que implementa un módulo de interacciones suelo-vegetación-atmósfera. Finalmente, los resultados de la auscultación y de la modelización numérica se usarán para realizar una correlación de factores condicionantes de la inestabilidad con la ocurrencia espacio-temporal de deslizamientos superficiales utilizando técnicas SIG a escala regional. 1200Peer ReviewedPostprint (published version

Experimental study and numerical modelling of soil-roots hydro-mechanical interactions

Tesi en modalitat de cotutela: Universitat Politècnica de Catalunya i Université de Montpellier. Aplicar embargament entre la data de defensa i el dia 9 d'octubre de 2020The thesis is aimed at characterising the multi-scale and hydro-mechanical behaviour of lightly compacted silty sand penetrated by a turf-grass (Cynodon Dactilon). The study will allow better assessing the impact of vegetation on this compacted soil that has been used in an experimental and fully-instrumented embankment. The literature agrees that roots are enhancing soil shear strength properties while contrasting results have been found in terms of soil hydraulic behaviour. Moreover, there is a lack of information on how roots affect soil microstructure and its consequences at the macroscopic scale (soil hydraulic behaviour, volume change and shear strength properties). A protocol for soil compaction and roots growth was followed for preparing all the tested samples. The soil was lightly compacted, wetted under unconfined conditions to favour plant growth, and then dried up to different hydraulic states. The same soil, plant and seeding density used in the monitored embankment were adopted. Several techniques were exploited to characterise roots geometrical and mechanical features. Large cell triaxial and direct shear tests were performed under saturated and partially saturated conditions. Different stress-strain responses were observed in the vegetated soil at different hydraulic states, due to different roots failure mechanisms and to the combination of water availability and the suction within the soil. Results were interpreted with several constitutive stress expressions for partially saturated soils to consider these state and stress variables. Larger compression deformations on shearing were systematically observed on rooted samples. Roots slightly affected the friction angle but generated an increase in soil cohesion. These observations were confirmed by direct tensile tests performed at different roots growth stages and hydraulic states. A constitutive expression was proposed to predict the increase in cohesion knowing the properties of roots and the soil hydraulic state. Concerning the hydraulic behaviour, roots induced a systematic increase in soil water-saturated permeability. Water retention properties were also affected, with a decrease in the retention capacity as roots volume increased. Micro-CT tomography and mercury intrusion porosimetry were carried out at different soil hydraulic states on samples including plant individuals to obtain information about changes in soil microstructure. Reconstructed information from the two techniques showed that roots were generally increasing macropores (larger than 100 micrometres) due to fissuring and soil-root interface phenomena while reducing smaller pores (below 5 micrometres) due to mucilage clogging. The opening of fissures was enhanced on concurrent soil and roots shrinkage upon drying. The alterations generated by roots growth on the soil structure allowed explaining not only the different soil hydraulic responses but also the soil volume change behaviour. A good agreement between the volume of fissures and the volume of roots was found and allowed calibrating and validating a model able to predict the soil water retention properties and permeability values based on the microstructural changes observed. Results were used to simulate the effect of different periods of plants growth on the hydro-mechanical behaviour of the monitored embankment during a rainfall event. The vegetated slopes remained stable throughout the simulation, even when completely saturated, thanks to the mechanical reinforcement of the roots. Nevertheless, the higher permeability within the vegetated soil had a negative consequence, which was evidenced by a drastic drop in the slope stability safety factor at the early stages of the hydraulic event.La tesis tiene como objetivo caracterizar el comportamiento hidromecánico de una arena limosa compactada y con raíces (Cynodon Dactilon). El estudio ha permitido evaluar el impacto de la vegetación en este suelo, que ha sido utilizado en un terraplén experimental. El estado de arte indica que las raíces mejoran las propiedades de resistencia al corte de un suelo, mientras que hay resultados contrastantes en términos del comportamiento hidráulico. Además, se carece de información sobre cómo las raíces afectan a la microestructura del suelo y sus consecuencias a escala macroscópica. Se siguió un protocolo para la compactación del suelo y el crecimiento de las raíces para la preparación de todas las muestras estudiadas. El suelo se compactó ligeramente, se humedeció en condiciones no confinadas para favorecer el crecimiento de la planta, y luego se secó a diferentes estados hidráulicos. Se utilizaron varias técnicas para caracterizar las propiedades geométricas y mecánicas de las raíces. Se realizaron ensayos de corte directo, edométricos y triaxiales con equipos de grandes dimensiones. Se observaron diferentes respuestas de tensión-deformación en el suelo con vegetación debido a los diferentes mecanismos de rotura de las raíces y a la combinación de humedad y de succión en el suelo. Los resultados se interpretaron con leyes constitutivas en términos de tensiones efectivas para suelos parcialmente saturados. En las muestras con raíces se observaron sistemáticamente deformaciones mayores de compresión durante el desarrollo del corte. Las raíces afectaron ligeramente el ángulo de fricción y desarrollaron un aumento en la cohesión del suelo. Estas observaciones también se confirmaron mediante ensayos de tracción, que se realizaron a diferentes estados de crecimiento de las raíces. Se propuso una expresión constitutiva para predecir el aumento de la cohesión en función de las propiedades de las raíces y el estado hidráulico del suelo. En cuanto al comportamiento hidráulico, las raíces inducen un aumento de la permeabilidad saturada del suelo y una disminución en la capacidad de retención al agua a medida que aumenta el volumen de las raíces en el suelo. Se realizaron ensayos de micro-tomografía de rayos X y de porosimetría de intrusión de mercurio sobre muestras con raíces. La información reconstruida de las dos técnicas ha indicado que las raíces han inducido el aumento de los poros de más de 100 micrómetros debido a la generación de fisuras y a fenómenos de interfase suelo-raíz, a la vez que han ocluido los poros más pequeños (menores de 5 micrómetros) debido a la producción de mucílago. Las fisuras también se han abierto por la retracción simultánea del suelo y de las raíces durante el secado. Estas alteraciones inducidas sobre la microestructura han permitido explicar mejor los cambios en las propiedades hidráulicas y de cambio de volumen del suelo. Se ha encontrado una relación entre el volumen de fisuras y el volumen de raíces, lo que ha permitido desarrollar y calibrar un modelo capaz de predecir las propiedades de retención al agua y los valores de permeabilidad del suelo. Los resultados experimentales se han utilizado para simular el efecto que tiene los diferentes crecimientos de las plantas sobre el comportamiento hidromecánico del terraplén instrumentado durante un episodio de lluvia. Los taludes con raíces se mantuvieron estables a lo largo de la simulación, incluso cuando estaban completamente saturados, gracias al refuerzo mecánico de las raíces. Sin embargo, la mayor permeabilidad del suelo vegetado tuvo una consecuencia negativa, que se evidenció con una drástica caída en el factor de seguridad del talud en las primeras etapas del episodio de lluvia.La thèse vise à caractériser le comportement multi-échelles et hydro-mécanique du sable silteux pénétré par des racines de Cynodon Dactilon. L'étude permettra d’évaluer l'impact de la végétation sur ce sol compacté utilisé dans un remblai expérimental en extérieur. La littérature s'accorde à dire que les racines améliorent les propriétés de résistance au cisaillement du sol, tandis que des résultats contrastés ont été obtenus en ce qui concerne leur effet sur le comportement hydraulique. De plus il existe peu d'information sur la façon dont les racines affectent la microstructure du sol et leurs conséquences à l'échelle macroscopique. Un protocole de compactage du sol et de croissance de racines a été suivi pour la préparation de tous les échantillons testés. Le sol a été légèrement compacté, mouillé pour favoriser la croissance des plantes, puis séché jusqu'à différents états hydrauliques. Les plantes et la densité d'ensemencement ont été les mêmes que ceux utilisés dans le remblai. Plusieurs techniques ont été exploitées pour évaluer les caractéristiques géométriques et mécaniques des racines. Des essais de cisaillement triaxial et direct ont été effectués avec des équipements de grande dimension dans des conditions saturées et partiellement saturées. Différentes réponses de contraintedéformation ont été observées pour le sol végétalisé à différents états hydrauliques, en raison de différents mécanismes de rupture des racines. Les résultats ont été interprétés à l'aide de plusieurs lois de comportement pour les sols partiellement saturés afin de tenir compte des variables d'état et de stress. Des déformations de compression plus importantes lors du cisaillement ont été observées sur des échantillons avec racines. Les racines ont généré une augmentation de la cohésion du sol. Ces observations ont été confirmées par des essais de traction directe effectués à différents stades de croissance des racines. Une loi de comportement a été proposée pour prédire l'augmentation de la cohésion en connaissant les propriétés des racines et l'état hydraulique du sol. En ce qui concerne le comportement hydraulique, les racines ont induit une augmentation de la perméabilité saturée en eau du sol et une diminution de la capacité de rétention à mesure que le volume des racines augmentait. La tomographie microCT et la porosimétrie par intrusion de mercure ont été effectuées à différents états hydrauliques du sol sur des échantillons avec racines pour obtenir des informations sur les changements de la microstructure du sol. L'information reconstruite à partir des deux techniques a montré que les racines augmentaient généralement les macropores (plus de 100 micromètres) en raison de phénomènes de fissuration et des interfaces sol-racine tout en réduisant les pores plus petits (moins de 5 micromètres) en raison du colmatage dû au mucilage. L'ouverture des fissures a été augmentée par le retrait simultané du sol et des racines lors du séchage. Les altérations générées par la croissance des racines sur la structure du sol ont permis d'expliquer les différentes réponses hydrauliques du sol et aussi son changement de volume. Un bon accord entre le volume des fissures et le volume des racines a été trouvé et a permis de calibrer et de valider un modèle capable de prédire les propriétés de rétention d'eau et les valeurs de perméabilité du sol à partir des changements microstructurels observés. Les résultats ont été utilisés pour simuler l'effet de différentes périodes de croissance des plantes sur le comportement hydro-mécanique du remblai lors d'une chute de pluie. Les pentes végétalisées sont restées stables tout au long de la simulation, même complètement saturées, grâce au renforcement mécanique des racines. Néanmoins, la perméabilité plus élevée dans le sol végétalisé a eu une conséquence négative, qui a été mise en évidence par une baisse drastique du facteur de sécurité de stabilité de la pente aux premiers stades de l'événement hydraulique.Postprint (published version

Étude expérimentale et modélisation numérique des interactions hydro-mécaniques entre sol et racines

The thesis is aimed at characterising the multi-scale and hydro-mechanical behaviour of lightly compacted silty sand penetrated by a turf-grass (Cynodon Dactilon). The study will allow better assessing the impact of vegetation on this compacted soil that has been used in an experimental and fully-instrumented embankment.The literature agrees that roots are enhancing soil shear strength properties while contrasting results have been found in terms of soil hydraulic behaviour. Moreover, there is a lack of information on how roots affect soil microstructure and its consequences at the macroscopic scale (soil hydraulic behaviour, volume change and shear strength properties).A protocol for soil compaction and roots growth was followed for preparing all the tested samples. The soil was lightly compacted, wetted under unconfined conditions to favour plant growth, and then dried up to different hydraulic states. The same soil, plant and seeding density used in the monitored embankment were adopted. Several techniques were exploited to characterise roots geometrical and mechanical features.Large cell triaxial and direct shear tests were performed under saturated and partially saturated conditions. Different stress-strain responses were observed in the vegetated soil at different hydraulic states, due to different roots failure mechanisms and to the combination of water availability and the suction within the soil. Results were interpreted with several constitutive stress expressions for partially saturated soils to consider these state and stress variables. Larger compression deformations on shearing were systematically observed on rooted samples. Roots slightly affected the friction angle but generated an increase in soil cohesion. These observations were confirmed by direct tensile tests performed at different roots growth stages and hydraulic states. A constitutive expression was proposed to predict the increase in cohesion knowing the properties of roots and the soil hydraulic state.Concerning the hydraulic behaviour, roots induced a systematic increase in soil water-saturated permeability. Water retention properties were also affected, with a decrease in the retention capacity as roots volume increased. Micro-CT tomography and mercury intrusion porosimetry were carried out at different soil hydraulic states on samples including plant individuals; to obtain information about changes in soil microstructure. Reconstructed information from the two techniques showed that roots were generally increasing macropores (larger than 100 micrometres) due to fissuring and soil-root interface phenomena while reducing smaller pores (below 5 micrometres) due to mucilage clogging. The opening of fissures was enhanced on concurrent soil and roots shrinkage upon drying. The alterations generated by roots growth on the soil structure allowed explaining not only the different soil hydraulic responses but also the soil volume change behaviour. A good agreement between the volume of fissures and the volume of roots was found and allowed calibrating and validating a model able to predict the soil water retention properties and permeability values based on the microstructural changes observed.Results were used to simulate the effect of different periods of plants growth on the hydro-mechanical behaviour of the monitored embankment during a rainfall event. The vegetated slopes remained stable throughout the simulation, even when completely saturated, thanks to the mechanical reinforcement of the roots. Nevertheless, the higher permeability within the vegetated soil had a negative consequence, which was evidenced by a drastic drop in the slope stability safety factor at the early stages of the hydraulic event.La thèse vise à caractériser le comportement multi-échelles et hydromécanique du sable silteux pénétré par des racines de Cynodon Dactilon. L'étude permettra d’évaluer l'impact de la végétation sur ce sol compacté utilisé dans un remblai expérimental en extérieur. La littérature s'accorde à dire que les racines améliorent les propriétés de résistance au cisaillement du sol, tandis que des résultats contrastés ont été obtenus en ce qui concerne leur effet sur le comportement hydraulique. De plus il existe peu d'information sur la façon dont les racines affectent la microstructure du sol et leurs conséquences à l'échelle macroscopique. Un protocole de compactage du sol et de croissance de racines a été suivi pour la préparation de tous les échantillons testés. Le sol a été légèrement compacté, mouillé pour favoriser la croissance des plantes, puis séché jusqu'à différents états hydrauliques. Les plantes et la densité d'ensemencement ont été les mêmes que ceux utilisés dans le remblai. Plusieurs techniques ont été exploitées pour évaluer les caractéristiques géométriques et mécaniques des racines.Des essais de cisaillement tri-axial et direct ont été effectués avec des équipements de grande dimension dans des conditions saturées et partiellement saturées. Différentes réponses de contrainte-déformation ont été observées pour le sol végétalisé à différents états hydrauliques, en raison de différents mécanismes de rupture des racines. Les résultats ont été interprétés à l'aide de plusieurs lois de comportement pour les sols partiellement saturés afin de tenir compte des variables d'état et de stress. Des déformations de compression plus importantes lors du cisaillement ont été observées sur des échantillons avec racines. Les racines ont généré une augmentation de la cohésion du sol. Ces observations ont été confirmées par des essais de traction directe effectués à différents stades de croissance des racines. Une loi de comportement a été proposée pour prédire l'augmentation de la cohésion en connaissant les propriétés des racines et l'état hydraulique du sol. En ce qui concerne le comportement hydraulique, les racines ont induit une augmentation de la perméabilité saturée en eau du sol et une diminution de la capacité de rétention à mesure que le volume des racines augmentait. La tomographie microCT et la porosimétrie par intrusion de mercure ont été effectuées à différents états hydrauliques du sol sur des échantillons avec racines pour obtenir des informations sur les changements de la microstructure du sol. L'information reconstruite à partir des deux techniques a montré que les racines augmentaient généralement les macropores (plus de 100 micromètres) en raison de phénomènes de fissuration et des interfaces sol-racine tout en réduisant les pores plus petits (moins de 5 micromètres) en raison du colmatage dû au mucilage. L'ouverture des fissures a été augmentée par le retrait simultané du sol et des racines lors du séchage. Les altérations générées par la croissance des racines sur la structure du sol ont permis d'expliquer les différentes réponses hydrauliques du sol et aussi son changement de volume. Un bon accord entre le volume des fissures et le volume des racines a été trouvé et a permis de calibrer et de valider un modèle capable de prédire les propriétés de rétention d'eau et les valeurs de perméabilité du sol à partir des changements micro-structurels observés.Les résultats ont été utilisés pour simuler l'effet de différentes périodes de croissance des plantes sur le comportement hydromécanique du remblai lors d'une chute de pluie. Les pentes végétalisées sont restées stables tout au long de la simulation, même complètement saturées, grâce au renforcement mécanique des racines. Néanmoins, la perméabilité plus élevée dans le sol végétalisé a eu une conséquence négative, qui a été mise en évidence par une baisse drastique du facteur de sécurité de stabilité de la pente aux premiers stades de l'événement hydraulique

Multi-scale effects on the hydraulic behaviour of a root-permeated and compacted soil

While roots have been generally proved to be beneficial to soil mechanical behaviour, different and counterposed results have been found when investigating their effects on soil hydraulic response. Roots affect the hydro-mechanical and chemical properties of soils at different scales. In this regard, the paper focuses on studying the macroscopic hydraulic properties of root-permeated and compacted soils considering microstructural features coming from mercury intrusion porosimetry and X-ray micro-tomography. The results are interpreted bearing in mind the influence of the different soil hydraulic states on roots structure and physiology. The analysis of the results shows that roots growing in a compacted soil at low stresses are opening fissures while decreasing micropore volume inside aggregates due to chemical effects. This response has important effects on the hydraulic behaviour of the soil

Large cell triaxial tests of a partially saturated soil with vegetation

International audienceThe use of vegetation roots as a nature-based solution against landslides and erosion requires the definition of sample preparation protocols and adoption of equipment that allows testing representative elementary volumes of the whole soil-root system. For this purpose, large cell triaxial compression tests were carried out on fallow and vegetated samples at different degrees of saturation. Samples were prepared by static compaction of a silty sand and seeded with Cynodon dactylon. The hydraulic state during plants growth was controlled and reproduced on bare soil samples. After isotropic compressions, the shearing phase was carried out at very low confining stresses (i.e., below 50 kPa). Tests were deemed to be comparable by assessing the normalised volume of roots with respect to soil, after shearing. For a given confining stress, soil samples with higher matric suction exhibited higher shear strength, furtherly increased by roots. The stress-strain behaviour observed in the vegetated soil systematically changed, when comparing tests at low and high matric suction values, due to the different mechanisms of vegetation reinforcement depending on the hydraulic state at the soil-root interface. The results were successfully interpreted within a failure criterion and skeleton stress framework for partially saturated soils, considering soil suction, degree of saturation, soil microstructure and the normalised volume of roots