Theoretical modelling of coupled chemo-hydro-mechanical behaviour of unsaturated expansive clays

• Main Author: Lei, Xiaoqin
• Other Authors: Lyon, INSA
• Language: en
• Published: 2015
• Subjects: Génie civil; Argile gonflante; Thermodynamique; Comportement mécanique; Comportement hydraulique; Composition chimique; Porosité; Civil engineering; Expansive clay; Thermodynamics Stability; Mechanical behaviour; Hydraulic behaviour; Chemical composition; Porosity; 624.176 072
• Online Access: http://www.theses.fr/2015ISAL0074

Expansive clays used in engineering practice are usually unsaturated and are sensitive to chemical composition of the in-pore solution. To analyse the complex coupled problems involved, an efficient mathematical model which can account for these chemo-hydro-mechanical behaviours has been developed. In this thesis, expansive clays are conceptualised into three-phase multi-species porous media. Based on the modified mixture theory and irreversible thermodynamics, a thermo-electro-chemo-hydro-mechanical framework has been developed. The Clausius-Duhem inequality, which governs the dissipations associated with mechanical work, phase transformation, mass transport and thermal transport, is rigorously derived. Based on this thermodynamic framework, constitutive laws for bulk liquid and salt mass transport, free and adsorbed water inter-phase mass transfer, and the chemo-elastic-plastic deformations of soil skeleton have been developed. The model has been implemented into the FEM software Bil and validated by simulating available experimental data on Boom Clays. What’s more, the salt infiltration process into an unsaturated expansive clay layer has been simulated to illustrate the applicability of the model. === Argiles gonflantes utilisées dans la pratique de l'ingénierie sont généralement insaturés et sont sensibles à la composition chimique de la solution dans les pores. Pour analyser les problèmes complexes couplés impliqués, un modèle mathématique efficace qui peut expliquer ces comportements chimio-hydro-mécanique a été développé. Dans cette thèse, argiles gonflantes sont conceptualisés dans triphasés multi-espèces de milieux poreux. Sur la base de la théorie de mélange modifié et thermodynamique irréversible, un cadre thermo-électro-chimio-hydro-mécanique a été développé. L'inégalité de Clausius-Duhem, qui régit les dissipations associés au travail mécanique, transformation de phase, le transport de masse et le transport thermique, est rigoureusement dérivée. Basé sur ce cadre thermodynamique, lois de comportement pour liquides en vrac et le sel de transport de masse, transfert de masse de l'eau entre en phase libre et adsorbé, et les déformations chimio-élastique-plastique de squelette du sol ont été développés. Le modèle a été mis en œuvre dans le logiciel FÉM Bil et validé en simulant les données expérimentales disponibles sur les argiles de Boom. Qui plus est, le processus d'infiltration de sel dans une couche d'argile gonflante insaturés a été simulée pour illustrer l'applicabilité du modèle.