Circulation de l’eau dans les sols

Circulation de l’eau dans les sols

Les sondes TDR

Cette méthode se base sur la mesure du temps de propagation d’ondes électromagnétiques émises à partir d’un générateur. Ces ondes sont guidées à l’aide de tiges (Photo 2.5) qu’on enfonce dans le sol. Le temps de réponse dépend de la constante diélectrique du milieu, ellemême fortement liée à l’humidité du sol. Utilisée à l’origine pour tester des câbles de circuit électrique, la méthode TDR (Times Detection Reflectory) s’est développée rapidement à partir des années 1980 car elle est d’un emploi relativement simple et permet une mesure de l’humidité volumique avec une précision inférieure à plus ou moins 2% (Whalley, 1993). Elle présente aussi une bonne résolution spatiale et temporelle et sa calibration est rapide. Parmi les sondes disponibles sur le marché, les géométries bi-tiges et tri-tiges sont d’usage courant, mais leur mise en place pour le suivi des profils hydriques suppose généralement l’ouverture d’une fosse, ce qui perturbe assez fortement le milieu. La nécessité de suivre les profils d’humidité a poussé les chercheurs à développer une nouvelle génération de sondes : Les sondes « Tube Trime ». Ce type de sondes sont analogues aux sondes TDR décrites précédemment mais pour lesquelles l’électronique a été développée (l’instrument de mesure est intégré à la sonde, facilité de mise en réseau, etc.) et auxquelles un capteur de températures à été intégré. La sonde tube se compose d’un corps cylindrique en PVC muni de part et d’autre de deux plaques en aluminium servant de guide d’ondes. La figure 2.5 suivante donne un schéma de fonctionnement de ce type de sonde ainsi que le volume concerné par la mesure.

Les techniques de mesure de la succion au laboratoire

Pour des valeurs de succion inférieure à 100 kPa, on peut utiliser le tensiomètre à eau (Figure 2.7 ci-dessous). Il est constitué d’un réservoir d’eau séparé par une pierre poreuse semi-perméable (plaque en céramique, laissant passer l’eau et pas l’air) en contact avec le sol. L’eau du réservoir se met en équilibre avec la phase liquide du sol par transfert à travers la pierre poreuse. Un capteur de pression permet de mesurer la pression de l’eau à l’intérieur du réservoir. Une autre technique dite méthode psychrométrique peut être utilisée pour mesurer la succion. Ces instruments (Figure ci-dessous) sont munis de deux thermomètres (ou capteurs de température) : Le premier mesure la température de l’air ambiant et le second, constamment mouillé à l’aide d’une couche de mousseline, mesure la température de l’eau qui s’évapore. La différence de température est reliée à l’humidité relative et celle-ci est reliée à la succion totale par la loi de Kelvin. Cette méthode est très délicate mais reste fiable pour les succions comprises entre 300kPa et 8 MPa avec une plus grande imprécision aux faibles succions du fait d’une plus forte dépendance des variations de température dans cet intervalle. Pour la même raison, les psychromètres ne sont pas très recommandés pour la mesure de la succion totale in situ.

Une troisième méthode très simple, dite méthode du papier filtre, peut être utilisée pour mesurer soit la succion totale (Energie pour déplacer la molécule d’eau par évaporation) soit la succion matricielle (Energie pour déplacer la molécule d’eau sous forme liquide). La succion matricielle est mesurée en incorporant des papiers filtre entre des parties d’un échantillon de sol. Le principe repose sur le fait qu’à l’équilibre hydrique, le potentiel de l’eau de l’échantillon de sol (ou succion matricielle) et le potentiel matriciel de l’eau du papier filtre sont les mêmes. Cette méthode permet de balayer une large gamme de succion allant de 103 Pa à 106 Pa. La succion totale (Energie pour déplacer la molécule d’eau par évaporation) est mesurée quand le papier filtre n’est pas en contact avec le sol. Dans les deux cas, il faut utiliser la courbe d’étalonnage approprié du papier filtre pour chaque cas.

Comparaison et conclusion

La mesure de la succion dans les sols s’appuient sur diverses techniques plus ou moins directes et sont de façon générale assez délicates, ce qui explique un certain retard dans l’acquisition des résultats expérimentaux relatifs aux sols non saturés, tant sur les aspects concernant le transfert de fluides (eau et air), que le comportement mécanique. Si les techniques de contrôle de la succion, qui proviennent de la science du sol, sont bien maîtrisées et disponibles dans un nombre croissant de laboratoires, les techniques de mesure de succion font encore l’objet de recherches. L’extension récente de la tensiométrie à des valeurs de succion aussi élevées que 1,5 MPa constitue, à cet égard, un acquis important, qui mérite d’être consolidé en améliorant la fiabilité et la facilité de la mesure. La méthode du papier-filtre, plus ancienne, est d’un abord plus aisé et connaît un développement manifeste. Il est vrai qu’elle pourrait être davantage utilisée dans la pratique, sur des prélèvements de sols intacts, et donner d’intéressantes informations complémentaires, en particulier sur les problèmes de gonflement-rétraction de fondations, ou sur l’état initial d’un massif compacté d’ouvrage en terre ou de barrière de confinement.

Ce chapitre a été réservé à une brève revue des techniques de mesure de la perméabilité, de la teneur en eau et de la succion dans le sol non saturé. On aura noté que les techniques de mesure de la perméabilité varient selon les différents types de sols. Les techniques adaptées pour les matériaux cohérents ne le sont pas pour les matériaux pulvérulents. Les techniques in situ sont adaptées pour les sols plus ou moins perméables car les mesures sont effectuées pour le court terme. Pour les techniques de laboratoire, il y’a surtout le problème de prélèvement et de représentativité des échantillons. Les techniques de mesure de la succion font encore l’objet de recherches. L’extension récente de la tensiomètrie à des valeurs de succion aussi élevées que 1,5 MPa constitue, à cet égard, un acquis important, qui mérite d’être consolidé en améliorant la fiabilité et la facilité de la mesure.

Le corps du réservoir Le corps du réservoir permet de stocker de l’eau et de mesurer sa sortie pendant le fonctionnement du perméamètre. Pour les sols à faible perméabilité, des argiles par exemple, on n’utilise que le réservoir interne pour avoir des mesures suffisamment précises du débit. Pour des sols de perméabilité moyenne à forte, des sables ou des terreaux bien structurés, on utilise l’ensemble du réservoir. Le réservoir interne est gradué en centimètres pour mesurer dans les deux cas le départ d’eau. Les raccords sont aux extrémités du réservoir. Ils permettent de remplir et de sélectionner le réservoir adéquat. Le Perméamètre de Guelph est fermé lorsque l’embout d’arrivée d’air est collé contre le joint. Grâce à l’élévation du tube à air entraînant celle de l’embout d’arrivée d’air et de la charge hydraulique, l’eau s’écoule depuis le réservoir jusqu’au puits en passant par le tube support et l’embout de sortie d’eau. La charge de l’eau dans le puits est en relation avec la position de l’embout d’arrivée d’air. Elle est indiquée par le témoin de charge hydraulique sur le tube gradué. La base du réservoir comprend une vanne. Elle relie les réservoirs interne et externe au tube support. Pendant l’utilisation, la vanne du réservoir avec une petite encoche règle l’écoulement de l’eau. Quand l’encoche est vers le bas, seul le réservoir interne fonctionne.

La variation de la perméabilité et du potentiel hydrique pour chaque rangée Une fois l’ensemble des essais réalisés et les paramètres déterminés, une analyse de la variation de la perméabilité et du potentiel hydrique pour chaque rangée a été effectuée. Ainsi les figures suivantes 4.19 montre que les trous R1A, R1B et R1E ont la même perméabilité ainsi que le potentiel hydrique. Ce qui indique qu’on a le même type de sol (perméabilité faible et potentiel hydrique fort). En plus, ces endroits respectent le principe de la relation entre les deux variables (plus la perméabilité est faible plus le potentiel hydrique fort). Le trou R1C présente une perméabilité forte et un potentiel hydrique fort et le trou R1D présente une faible perméabilité ainsi qu’un très faible potentiel hydrique. Les résultats obtenus pour ces deux derniers trous ne respectent pas le principe généralement admis. Nous attribuons ces différences à des hétérogénéités locales ou à des erreurs liées aux mesures. La figure 4.20 suivante représente la variation de la perméabilité et du potentiel hydrique de la rangée 2. Les résultats montrent que les trous R2B, R2D et R2E ont même perméabilité et même potentiel hydrique. Ces valeurs semblent indiquer que le sol dans ce coin du site est de type limono-sableux à grains fins. Le trou R2A présente une très faible perméabilité et un très fort potentiel hydrique, ce qui indique que le sol est plutôt de type limono argileux. Les paramètres du trou R2C semble indiquer la présence d’un sol de type limono-sableux à grains moyens (le potentiel hydrique varie dans le sens inverse des diamètres des grains du sol).

Table des matières

Résume
Abstract
الملخص
Notations
Liste des figures
Liste des tableaux
Introduction générale
Chapitre 1
1. Introduction
2. Circulation de l’eau dans les sols
I.2.1. Généralités
I.2.2. La loi empirique de Darcy
I.2.3. Généralisation de la loi de Darcy
I.2.4. Généralisation de la loi de Darcy aux sols non saturés
I.3. Les contraintes dans les sols
I.3.1. Contraintes dans les sols saturés -Approche de Terzaghi
I.3.2. Contraintes dans les sols non saturés
I.3.2.1. Relation de Bishop
I.3.2.2. Succion dans les sols
I.4. Conclusion
Chapitre 2
1. Introduction
2. Les techniques de mesure de la permeabilite
2. 1. Les techniques de mesure de la perméabilité au laboratoire
2.1.1. Cas de matériaux perméables
2.1.2. Cas des matériaux relativement imperméables
2. 2. Les techniques de mesure in situ de la perméabilité
II.2.2.1. Généralités
II.2.2.2. L’essai de pompage de Dupuis
II.2.2.3. L’essai d’injection
II.2.3. Comparaison et conclusion
3. Les techniques de mesure de la teneur en eau
3. 1. Les techniques de mesure de la teneur en eau au laboratoire
3.1.1 Détermination de la teneur en eau pondérale
3.1.2. Détermination de la teneur en eau volumique
3. 2. Les techniques de mesure de la teneur en eau In situ
3. 2.1. Les sondes TDR
3. 2. 2. Les sondes à neutrons
II.3.3. Comparaison et conclusion
4. Les techniques de mesure de la succion
4.1. Les techniques de mesure de la succion au laboratoire
II.4.2. Les techniques de mesure de la succion In situ
II.4.3. Comparaison et conclusion
II.5. Conclusion
Chapitre 3
III. 1. Introduction
III. 2. Présentation du site de l’étude
III. 3. Mesure de la teneur en eau
III. 3. 1. Dispositif de mesure
III. 3. 2. Lecture des résultats
III. 3. 3. Précision de lecture
III. 4. Mesure de la perméabilité
III. 4. 1. Dispositif de mesure
III. 4. 2. La description des éléments de l’appareillage
III. 4. 2. 1. Le trépied
III. 4. 2. 2. Le tube support et les raccords du tube à air inférieur
III. 4. 2. 3. Le corps du réservoir
III. 4. 2. 4. Le couvercle du réservoir
III. 4. 2. 5. Le tube gradué et les raccords du tube à air
III. 4. 2. 6. Les outils auxiliaires
III. 5. Mesure de succion
III. 5. 1. Généralités
III. 5. 2. Description de l’appareillage
III. 6. Conclusion
Chapitre 4
1. Introduction
2. Analyse des résultats de la perméabilité
2.1. Etude de la variation des paramètres hydrauliques
2. 1. 1. Exemple du 1ier trou : le Trou R4C
2. 1. 2. Exemple du 2ième trou : le Trou R3E
2. 1. 3. Exemple d’application de l’analyse de Richards : Trou R4C
2.2. La variation de la perméabilité et du potentiel hydrique pour chaque rangée
2.3. La variation de la perméabilité et du potentiel hydrique pour l’ensemble du site
2.4. Carte de la perméabilité
2.5. Carte du potentiel hydrique
2.6. Carte de l’absorption
2.7. La superposition des cartes
IV.3. Analyse des résultats de la succion
IV.3.1. Courbes de succion
IV.3.1.1. L’influence de la température
IV.3.1.2. L’influence de la pluie
IV.3.1.3. L’influence des racines
IV.4. Analyse des résultats de la teneur en eau
IV.4.1. Courbes de variation journalière de la teneur en eau
IV.4.2. Courbes de variation de la teneur en eau en fonction de la profondeur
IV.4.3. Cartes de la teneur en eau
IV.5. Corrélation entre teneur en eau et succion
IV.6. Mesure en laboratoire
IV.6.1. Variation de la succion au cours du temps pour différentes profondeurs
IV.6.2. Variation de la teneur en eau au cours du temps pour différentes profondeurs
IV.6.3. Relation entre la teneur en eau et la succion
IV.7. Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie
Annexe 1 : Calcul des teneurs en eau
Annexe 2 : Calcul de la perméabilité
Annexe 3 : Valeurs de la succion

Télécharger le rapport