Experimental study and numerical modelling of soil-roots hydro-mechanical interactions
Authors:   , Fraccica Alessandro 
Published: July 2023

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 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.