Soutenance mémoire
INFLUENCE DES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES DES SOLS
Facteur liés aux eaux interstitielles a- Concentration en sels
La dispersion dépend aussi de la composition chimique des eaux interstitielles, ce qui affecte la géométrie de la double couche diffuse et la charge électrique. En effet, si la concentration en sel augmente, l’épaisseur de la double couche diminue jusqu’à une certaine concentration au-dessus de laquelle les forces attractives sont dominantes et les particules ne peuvent pas se disperser. Par conséquence, si la concentration en sels dans l’eau d’érosion augmente, la dispersion diminue. b- PH.
Le PH de l’eau est dépend à sa concentration en ion H+, il à aussi une influence sur la dispersion du sol par la modification de chargement électrique des feuillets d’argile. Lorsque le pH est faible, les ions H+ sont attirés en grand nombre vers la surface des feuillets produisant une diminution du chargement électrique négatif (Olphen. V, 1963 cité par Tarog, 2000), les forces d’attraction entre les charges de différents signes apparaissent, ce qui diminue la dispersion de l’argile. D’où la capacité de dispersion augmente avec l’augmentation du PH.
Identification des sols dispersifs
L’identification des argiles dispersives est actuellement exigée avant la construction des ouvrages en terre, et nécessaire pour les structures en terre existantes. Certains sols argileux naturels disperse (ou déflocule) en présence de l’eau relativement pure et sont donc très sensibles à l’érosion. La tendance à l’érosion d’un sol dispersif dépend de plusieurs variables telles que la minéralogie, la chimie de l’argile, les sels dissous dans l’eau interstitielle du sol et de l’eau d’érosion (Sherard et Decker, 1977). L’identification des argiles dispersives peut commencer par l’observation visuelle in situ du sol; au laboratoire, il faudrait un certain nombre d’essais spécifiques et adéquats.
Essai d’émiettage (Crumb test – ASTM D 6572-00)
Cet essai est considéré comme la plus simple méthode pour identifier les sols dispersifs, il basé uniquement sur des observations qualitatives directes. Comparativement aux autres essais, qui estiment la susceptibilité des argiles à se disperser, le processus de dispersion est effectif dans le cas de Crumb Test. L’essai n’est pas applicable pour des sols dont le pourcentage des fines (<0,005 mm) est inferieur à 12% ; ainsi pour les sols dont l’indice de plasticité est inferieur à 8%. Le test Crumb est souvent utilisé comme un complément à d’autres tests pour identifier les argiles dispersives (Holmgren et Flanagan, 1977). La procédure donnée par la norme ASTM est basée sur deux méthodes : Méthode A : pour les sols non remaniés : Un échantillon de sol sous forme approximative, d’un cube de dimension de 15 mm de chaque coté et préservé à sa teneur en eau naturelle, si ces échantillons ne sont pas disponibles, des enchantions cubiques de plus petite taille peuvent être utilisés, mais ils ne doivent pas être inferieur a 7 mm de coté. Méthode B : pour les sols remaniés : consiste à reconstituer un échantillon de sol qui passe dans le tamis 2 mm, par une légère compression des cubes d’environ 15 mm de coté. Soigneusement placer les échantillons de sol dans un bêcher contenant de l’eau distillée (250 ml). L’échantillon doit être prélevé et posé sur le fond du bêcher. La tendance des particules de sol à se disperser en une suspension colloïdale se fait par observation du nuage formé au bout de 2 minutes, 1 heure et 6 heures. Selon le degré de turbidité du nuage, le sol est classé dans un des quatre niveaux de dispersion suivants :
Classe 1 (Non-dispersif, figure 1.20.a) : aucun nuage n’est apparu ;
Classe 2 (moyennement dispersif, figure 1.20.b) : formation d’un nuage limité autour de l’échantillon ;
Classe 3 (dispersif, figure 1.20.c) : formation d’un nuage appréciable qui ne couvre pas toute la bordure du fond du récipient ;
Classe 4 (fortement dispersif, figure 1.20.d) : formation d’un nuage qui recouvre toute la bordure du fond du récipient, éventuellement toute l’eau devient trouble.
L’essai est aisément reproductible, n’est pas coûteux, il ne demande pas des appareils et il peut être réalisé dans le laboratoire ainsi sur site, mais avec des capacités limitées, car son interprétation comparative n’est basée que sur des observations visuelles. 1.6.3.2 Essai de trou d’épingle (Pinhole test – ASTM D 4647 – 93)
L’essai consiste à provoquer une circulation d’eau par un trou de diamètre 1 mm pratiqué dans un échantillon d’argile bien compacté (approximativement 95 % de la densité maximale) de 38 mm de longueur Dans la phase initiale, la circulation se fait sur une charge de 50 mm. Pour les argiles résistantes, l’écoulement est parfaitement clair ou devient clair quelques secondes après le début de l’écoulement. La charge est augmentée par palier 180 mm, 380 mm, 1020 mm, chaque palier est maintenu pendant 5 min. L’essai est arrêté quand le débit d’écoulement atteint des valeurs indiquées dans la procédure d’essai de la norme. L’essai est applicable uniquement aux sols qui ont plus de 12% de fines (<5μm) et dont la plasticité est supérieure à 4. De plus, les résultats obtenus sont uniquement d’ordre qualitatif. Les résultats de l’essai sont évalués, en tenant compte de l’aspect de l’eau recueillie (la couleur), du débit d’écoulement et du diamètre final du trou. La procédure d’essai est identique pour les trois méthodes, à l’exception de quelques modifications dans la classification, les critères de classification des sols dispersifs sont résumés dans le tableau 1.1 :
Cependant, dans notre étude nous avons utilisés la méthode A de l’essai de trou d’épingle.
Essai de sédimentation en parallèle (Double hydromerer test D 4221-99)
L’essai consiste à établir la granulométrie de l’argile de deux manières (figure 1.22).
La première est effectué en utilisant un essai standard, dans lequel l’échantillon d’argile est dispersé à l’aide d’un agent chimique (hexamétaphosphate de sodium) et par l’agitation mécanique. La deuxième manière de sédimentomètrie est effectuée sans agent dispersant et sans agitation mécanique. La différence entre les deux granulométries ainsi obtenues, montre la tendance à la dispersion naturelle de l’argile testée. L’essai est applicable uniquement aux sols qui ont plus de 12% de fines (<5 μm) et dont la plasticité est supérieure à 4.
L’essai conduit à établir le taux de dispersion D, défini par le rapport entre les pourcentages de fines inférieures à 5 microns dans les deux cas spécifiques d’essai :
Selon la norme ASTM, si D est proche de 100%, le sol étudié est complètement dispersif, autrement dit, l’argile déflocule naturellement dans l’eau. En revanche, si D est très faible, proche de zéro, le matériau est parfaitement non-dispersif, c’est à dire que l’argile reste floculée en condition normale (sans agent dispersant et sans agitation mécanique) dans l’eau. D’autres auteurs utilisent différents classifications comme montre dans le tableau 1.2.
Essai chimiques
Le terme «sels solubles» couvre un éventail d’anions et de cations présents dans le sol sous forme solide cristallisé ou sous forme dissoute dans la solution du sol – à l’exception de la matière organique soluble. Les sels solubles du sol sont souvent assimilés à un ensemble d’éléments majeurs comprenant les cations : Na+, K+, Ca++, et Mg++ et les anions Cl-, HCO3-, CO3-2, SO4-2.
Il s’agit des essais sur l’eau interstitielle, dans lesquels les quantités des principaux sels en solution (Pansu and Gautheyrou, 2006). La détermination au laboratoire des sels solubles du sol passe par trois étapes :
Leur extraction par l’eau sous différents rapports sol/solution (extrait saturé, extrait aqueux 1/1, 1/5, 1/10,….) ;
La mesure de la concentration globale en sels de l’extrait (conductivité électrique, matière solide dissoute) ;
Le dosage des différents cations contenant dans l’extrait.
Identification sur le terrain et d’autres facteurs
Bien que les essais de laboratoire soient un moyen utile d’identifier les sols dispersifs, En peut les déterminés on observant le comportement des sols sur terrain, par exemple :
La présence de ravine profonde et la rupture par renard dans les petits barrages existants indique généralement la présence des sols dispersive;
L’érosion des coupe de route, l’érosion du tunnel le long des lignes ravin peut indiquer la présence des sols potentiellement dispersives ;
La présence d’eau trouble dans les barrages agricoles et les flaques d’eau après la pluie indique le sol dispersif.
La géologie de la région peut aussi être un guide des sols dispersive. Sherard et Decker (1977) indiquent que :
Beaucoup des argiles dispersives sont d’origine alluviale. (L’expérience des auteurs est similaire, mais il ya beaucoup des argiles alluvionnaires non dispersive. Certaines argiles de ruissellement pluvial sont également dispersives) ;
Certains sols issus de schistes et argiles prévue dans un environnement marin sont également dispersive ;
Les sols dérivés de l’altération des roches ignées et métamorphiques sont presque tous non dispersif (mais peuvent être sensibles à l’érosion, par exemple: sable limoneux issus de grandiorite);
Les sols à forte teneur en matière organique sont peu susceptibles d’être dispersive.
Conclusion
Le sol est constitué de trois phases distinctes : l’eau, l’air et la phase solide. L’arrangement de ces trois phases et les interactions entre elles régissent le comportement mécanique des sols fins. L’érosion interne est un phénomène très complexe lié à la fois à la nature des sols et au fluide d’érosion.
Le Crumb test est le plus simple essai a réalisé (in situ ou au laboratoire), il donne des résultats rapides mais elles restent qualitative, donc l’essai peut utiliser come indicateur rapide pour caractérisé la dispersion des sols. Le Pinhole test est l’essai le plus fiable qui modélise le phénomène de l’érosion en faisant intervenir les effets mécaniques de l’écoulement qui évoluent au cours du test. Le double hydrometer test donne généralement des résultats similaires a ceux de pinhole test, alors que les essais chimiques est un bon indicateur de la dispersion de sols par la quantification de pourcentage de sodium qui est considérés le facteur principal du phénomène de dispersion. Des dispositifs ont été développés pour mieux étudier le phénomène d’érosion des sols, l’essai d’érodimètre à jet mobile qui caractérise l’érosion de surface et qui permet de quantifier l’érosion par la mesure de la masse de sol érodé, ainsi l’essai d’érosion de trou qui est basé sur la mesure de turbidité de l’effluent qui travers le trou pour quantifié la masse érodée et donc le développement du diamètre de trou pendant l’essai.
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Table des matières
REMERCIEMENTS
RESUME
ABSTRACT
ملخص
LISTE DES NOTATIONS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I – EROSION ET DISPERSION DES SOLS : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1 Introduction
1.2 Minéralogie des argiles et interaction eau-argile
1.2.1 Minéralogie des argiles
1.2.2 Interaction entre l’eau et les minéraux d’argile
1.3 Compactage du sol
1.4 Ecoulement de l’eau dans le sol
1.5 Erosion du sol : définition et type
1.5.1 Erosion externe
1.5.2 Erosion interne
1.5.3 Essais caractérisant l’érosion des sols
1.5.3.1 Érodimètre à jets mobiles
1.5.3.2 Essai d’érosion de trou
1.5.3.3 Essai triaxial d’érosion
1.6 Dispersion de sol
1.6.1 Mécanisme de dispersion
1.6.2 Facteurs influençant le phénomène de dispersion
1.6.3 Identification des sols dispersifs
1.7 Conclusion
CHAPITRE II – L’EROSION INTERNE DANS LES BARRAGES EN REMBLAIS
2.1 Introduction
2.2 Rupture des barrages en remblai
2.3 Typologie des désordres et mécanismes de rupture
2.3.1 Surverse
2.3.2 Erosion externe
2.3.3 Erosion interne
2.3.4 Rupture d’ensemble
2.4 Analyse pathologique de l’érosion interne
2.4.1 Causes liées au compactage
2.4.2 Causes dues à la mauvaise liaison du noyau avec le contour
2.4.3 Causes liées à la fissuration du remblai
2.4.4 Causes provoquées par la conduite de vidange
2.5 Modes de rupture par l’érosion interne
2.5.1 Érosion interne à travers le remblai
2.5.2 Érosion interne à travers la fondation
2.5.3 Érosion interne du remblai dans/à la fondation
2.6 Processus de l’érosion interne
2.7 Développement du l’érosion interne
2.8 Méthodes de détection de l’érosion interne
2.8.1 Auscultation des barrages en remblais
2.8.2 Dispositif d’auscultation
2.8.3 Méthodes Géophysiques
2.9 Conclusion
CHAPITRE III – ESSAI D’ERODIMETRE A JET MOBILE SUR DES DIGUES EXPERIMENTALES
3.1 Introduction
3.2 Appareillage et principe des essais
3.3 Protocole d’essai
3.3.1 Protocole classique
3.3.2 Protocole modifié
3.4 Campagne d’essais in-situ
3.4.1 Ouvrage en sol non traité
3.4.2 Ouvrage en sol traité à la chaux
3.5 Conclusion
CHAPITRE IV- ESSAI D’EROSION DE TROU SUR DES ECHANTILLONS INTACTS
4.1 Introduction
4.2 Appareillage et principe des essais
4.2.1 Appareillage
4.2.2 Echantillons d’essai
4.2.3 Protocole d’essai
4.2.4 Mesure du volume final du trou
4.3 Modèle d’interprétation
4.3.1 Loi d’érosion
4.3.2 Détermination du rayon instantané du trou
4.3.3 Détermination expérimentale de la masse finale érodée Mf
4.3.4 Calcul du rayon R(t)
4.3.5 Tracé de la loi d’érosion
4.4 Résultats typiques et obtention de la loi d’érosion
4.4.1 Paramètres mesurés
4.4.2 Courbe typique de la loi d’érosion
4.4.3 Automatisation de l’exploitation des résultats
4.5 Application de l’essai sur des échantillons intact ou peu remaniés
4.5.1 Echantillons du Canal du Nord
4.5.2 Echantillons du CER Rouen
4.5.2.1 Ouvrage non-traité
4.5.2.2 Ouvrage traité
4.6 Conclusion
CHAPITRE V – STABILISATION DES ARGILES DISPERSIVES PAR L’AJOUT DE LAIT DE CHAUX
5.1 Introduction
5.2 Utilisation des sols dispersifs dans les barrages en remblais
5.2.1 Problèmes avec les sols dispersifs
5.2.2 Construction avec les sols dispersifs
5.3 Stabilisation des sols par l’utilisation des agents chimiques
5.3.1 Chaux
5.3.2 Ciment
5.3.3 Cendres volantes
5.3.4 Alun
5.4 Stabilisation des sols dispersifs
5.4.1 Chaux
5.4.2 Ciment
5.4.3 Cendres volantes
5.4.4 Alun
5.5 Utilisation de lait de chaux pour l’amélioration des caractéristiques des sols dispersifs
5.5.1 Localisation du site
5.5.2 Identification géotechnique
5.5.3 Propriété de l’additif (lait de chaux)
5.5.4 Effet de lait de chaux sur les paramètres physiques
5.5.2 Effet sur le caractère dispersif
5.6 Conclusion
CHAPITRE VI – INFLUENCE DES PARAMETRES PHYSICO-CHIMIQUES DES SOLS SUR LE CARACTERE DISPERSIF
6.1 Introduction
6.2 Principe de corrélation
6.2.1 Corrélation et régression
6.2.2 Coefficient de corrélation
6.3 Compagne d’essais
6.3.1 Localisation des matériaux et étude géotechnique
6.3.2 Caractérisation de la dispersion des échantillons
6.4 Application des corrélations simples
6.4.1 Relation entre l’indice de dispersion et l’activité de sol
6.4.2 Relation entre le SAP et l’indice de plasticité
6.4.3 Relation entre le SAP et la surface spécifique
6.4.4 Relation entre le pourcentage de sodium et l’indice de plasticité
6.4.5 Relation entre le pourcentage de sodium et la surface spécifique
6.5 Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
ANNEXE A
Fiche des essais d’Erodomètre à Jet Mobile
ANNEXE B
Fiche technique de lait de chaux
ANNEXE C
Courbes granulométriques des essais de doubles sédimentations des sols utilisés dans l’étude des corrélations
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