Soil deterioration and crack formation during drying. Mitigation strategies

Abstract

(English) This thesis investigates the cracking behaviour of deformable soils undergoing moisture exchange with the environment. The research combines experimental approaches, evaluates proposed models, and includes the evaluation of numerical modelling to understand the properties controlling soil cracking during desiccation. The experimental work encompasses four main areas: soil deformation measurement, suction measurement, soil-atmosphere interaction evaluation, and soil cracking assessment. Three methodologies were employed to assess soil deformation: direct measurement, volume displacement, and digital image analysis (DIA). DIA proved particularly effective, offering simplicity and rapidity in acquiring soil shrinkage curves (SSC) while providing additional information on soil colour changes due to water content variations. The collected data validated a proposed model capable of capturing various curve shapes, including J-shaped and S-shaped, with physically meaningful parameters. Suction measurements employed multiple techniques, including high-capacity tensiometers (HCTs), conventional tensiometers, water potential sensors, hygrometers, and filter paper. HCTs stood out for their extensive range and good overlap with methods estimating suction from relative humidity. These measurements facilitated the construction of soil water retention curves (SWRC) for different soil specimens. The volumetric and suction measurements at unconfined conditions, through SSC and SWRC, allowed the construction of part of the state surface (e-s-p). This data improves current constitutive models for unsaturated soils by considering the non-linear behaviour of suction-induced stiffness. An analytical solution for the e-s curve was derived from the proposed model, which aims to extend to confined conditions and link soil deformational behaviour with constrained swelling and swelling pressure. Soil-atmosphere interaction tests were conducted in an open atmosphere, environmental chamber, and large-scale field settings. These experiments evaluated soil evaporation stages and tested a model considering diffusion resistance and relative humidity at the soil surface. The impact of these factors varied with soil type: diffusion resistance significantly affected granular soils, relative humidity influenced high-plasticity clay, and low-plasticity soil was affected by both. A capillary barrier using a geosynthetic layer was evaluated as a mitigation strategy, demonstrating effectiveness in reducing evaporation and preventing cracking below the barrier. Soil cracking was assessed using two approaches: surface evaluation with DIA and X-ray computed tomography (CT) for depth analysis. Results showed good agreement with SSC, revealing that cracking represented a percentage of volume changes during induced shrinkage, depending on soil type and initial water content. X-ray CT revealed the influence of pre-existing flaws on crack formation and demonstrated incomplete crack sealing during wetting cycles. Fibre addition was tested as a crack reduction method, showing effectiveness in the first drying cycle but reduced efficacy in subsequent cycles. X-ray CT observations highlighted the persistence of sealed cracks as weak points, leading to crack reopening along previous paths. Finally, numerical modelling focused on simulating soil deformation in selected soil-atmosphere interaction tests. The models emphasised the importance of boundary conditions, particularly mass and heat transfer coefficients, in representing soil-atmosphere interaction. The simulations corroborated the capillary barrier effect of geosynthetics as an effective strategy for moisture preservation and crack prevention. (Català) Aquesta tesi investiga el comportament de fissuració dels sòls sotmesos a l'intercanvi d'humitat amb l'entorn. La investigació combina enfocaments experimentals i modelatge numèric per entendre les propietats que controlen la fissuració del sòl durant els cicles de dessecació i humectació. El treball experimental abasta: mesura de la deformació, mesura de la succió, avaluació de la interacció sòl-atmosfera i anàlisi de la fissuració del sòl. La deformació del sòl es va avaluar utilitzant: mesura directa, desplaçament de volum i anàlisi d’imatges digitals (DIA). El DIA va resultar efectiu, oferint simplicitat i rapidesa en l’adquisició de corbes de contracció del sòl (SSC), a més de proporcionar informació addicional sobre els canvis de color del sòl a causa del contingut d’aigua. Les dades recollides van validar un model proposat capaç de capturar diverses formes de corbes, incloses les corbes en forma de J i S, amb paràmetres físicament significatius. Les mesures de succió van utilitzar diverses tècniques, incloent-hi tensiòmetres d’alta capacitat (HCT), tensiòmetres convencionals, sensors de potencial hídric, higròmetres i paper de filtre. Els HCT van destacar per la seva àmplia gamma i la seva bona superposició amb mètodes que estimen la succió a partir de la humitat relativa. Aquestes mesures van facilitar la construcció de corbes de retenció d’aigua en el sòl (SWRC) per a diferents mostres de sòl. Les mesures volumètriques i de succió en condicions no confinades, a través de SSC i SWRC, van permetre la construcció d’una part de la superfície d’estat (e-s-p). Aquestes dades milloren els models constitutius per a sòls no saturats en considerar el comportament no lineal de la rigidesa induïda per la succió. Es va derivar una solució analítica per a la corba e-s a partir del model proposat, que té com a objectiu estendre’s a condicions confinades i vincular el comportament deformacional del sòl amb l'inflament confinada i la pressió de l'inflament. Les proves d’interacció sòl-atmosfera es van fer en un ambient obert, en una cambra ambiental i en gran escala. Aquests experiments van avaluar les etapes d’evaporació del sòl i van provar un model que considera la resistència a la difusió i la humitat relativa a la superfície del sòl. L’impacte d’aquests factors va variar segons el tipus de sòl: la resistència a la difusió va afectar significativament els sòls granulars, la humitat relativa va influir les sòl plastics. Es va avaluar una barrera capil·lar utilitzant un geosintètic com a estratègia de mitigació, demostrant la seva efectivitat en la reducció de l’evaporació i la prevenció de la fissuració sota la barrera. La fissuració del sòl es va avaluar utilitzant dos enfocaments: avaluació superficial amb DIA i tomografia computeritzada (CT) de raigs X per a l’anàlisi de profunditat. Els resultats van mostrar una bona concordança amb SSC, revelant que la fissuració representava un percentatge dels canvis de volum durant la contracció induïda, depenent del tipus de sòl i el contingut inicial d’aigua. Les CTs van revelar la influència de defectes preexistents en la formació d’esquerdes i va demostrar un segellat incomplet de les esquerdes durant els cicles d’humectació. Es va provar l’addició de fibres com a mètode de reducció de fissures, mostrant efectivitat en el primer cicle de dessecació però amb eficàcia reduïda en cicles posteriors. Les observacions de la CT de raigs X van destacar la persistència de les esquerdes segellades com a punts febles, cosa que va conduir a la reobertura d’esquerdes al llarg de les trajectòries prèvies. El modelatge numèric es va centrar a simular la deformació del sòl en proves d’interacció sòl-atmosfera. Els models van emfatitzar la importància dels coeficients de transferència de massa i calor, en la representació de les condicions de contorn. Les simulacions van corroborar l'efectivitat dels geosintètics per a la preservació de la humitat i la prevenció de fissures. (Español) Esta tesis investiga el comportamiento de agrietamiento de suelos sometidos al intercambio de humedad con el ambiente. La investigación combina enfoques experimentales, e incluye la evaluación de un modelo numérico para entender las propiedades que controlan el agrietamiento del suelo durante desecación. El trabajo experimental abarca cuatro áreas principales: medición de la deformación, medición de la succión, evaluación de la interacción suelo-atmósfera y análisis del agrietamiento del suelo. La deformación del suelo se evaluó utilizando: medición directa, volumen desplazado y análisis de imágenes digitales (DIA). El DIA resultó particularmente efectivo, ofreciendo simplicidad y rapidez en la adquisición de curvas de retracción del suelo (SSC), además de proporcionar información adicional sobre los cambios de color del suelo debido al contenido de agua. Los datos recopilados validaron un modelo propuesto capaz de capturar diversas formas de curvas, incluidas las curvas en forma de J y S, con parámetros con significado físico. Las mediciones de succión emplearon múltiples técnicas: tensiómetros de alta capacidad (HCT), tensiómetros convencionales, sensores de potencial hídrico, higrómetros y papel filtro. Los HCT destacaron por su amplio rango y su buena superposición con métodos que estiman la succión a partir de la humedad relativa. Estas mediciones facilitaron la construcción de curvas de retención de agua en el suelo (SWRC) para diferentes muestras de suelo. Las mediciones volumétricas y de succión en condiciones no confinadas, a través de SSC y SWRC, permitieron la obtención de la superficie de estado (e-s-p). Estos datos mejoran los modelos constitutivos para suelos no saturados al considerar la rigidez por succión como no lineal. Se derivó una solución analítica para la curva e-s a partir del modelo propuesto, que tiene como objetivo extenderse a condiciones confinadas y vincular propiedades del suelo como el hinchamiento confinado y la presión de hinchamiento. Los ensayos de interacción suelo-atmósfera se realizaron en un ambiente abierto, en una cámara ambiental y a gran escala. Estos ensayos evaluaron las etapas de evaporación del suelo y probaron un modelo que considera la resistencia a la difusión y la humedad relativa en la supe