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Essais sur colonne 1 (Petite échelle)
Introduction
Cette étude est réalisée sur une petite colonne afin d’examiner l’effet de la configuration de l’hétérogénéité (aval, centrale et distribuée), et l’effet du type de particules fines et du taux d’hétérogénéité sur l’initiation et le développement de la suffusion. Ce processus est étudié en utilisant des échantillons de sol reconstitués, soumis à un écoulement horizontal unidirectionnel dans une colonne de suffusion. Différents types de fines (Kaolinite, Illite, Limon) sont utilisés et trois configurations (centrale, aval, et distribuée) impliquant différents taux d’hétérogénéité par l’introduction de sable grossier dans un mélange de sable fin et de particules fines sont testées. Deux taux d’hétérogénéité de 20% (faible hétérogénéité) et 60% (forte hétérogénéité) ont été utilisés, et les résultats sont comparés à ceux obtenus avec le sol homogène pris comme référence (sable fin + fines). L’analyse des résultats est effectuée à travers les mesures de la masse érodée cumulée et de la conductivité hydraulique.
Matériaux et méthodes
Matériaux
Dans le cadre de cette étude à échelle réduite, les essais de suffusion sont réalisés sur des matériaux reconstitués au laboratoire pour reproduire les différentes configurations d’hétérogénéité : aval (A), centrale (C), distribuée (D) le long de la colonne, et un essai homogène de référence (R). Le sol homogène est un mélange de 93% sable Hostun HN34 (Sifraco, France) représentant la matrice du sol avec 7% des fines (Illite, Kaolinite, ou Limon).
Dans les configurations de sol hétérogène, on remplace une partie du sable d’Hostun (HN34) par du sable grossier (400μm/800μm), selon plusieurs pourcentages (20%, 60%) et selon différentes configurations (Distribuée, centrale, avale). Le Tableau 3.1 présente les caractéristiques physico-chimiques du sable d’Hostun. Ce sable est composé des particules fines de silice, de forme arrondie avec une granulométrie qui s’étale de 100 μm à 400 μm.
Le Tableau 3.2 présente les principales propriétés physico-chimiques des particules fines utilisées : Kaolinite, l’Illite, et le Limon. Il est nécessaire de mentionner que la pesanteur joue un rôle secondaire dans le mouvement des particules argileuses, et que les forces dominantes qui conditionnent le mécanisme de transport sont les forces électrostatiques de surface. Les particules fines sont décrites comme suit :
Kaolinite : Chaque particule argileuse est composée de 30 feuillets. Chaque feuillet est constitué d’une superposition d’une couche de silice avec une couche d’alumine qui sont en contact par des liaisons hydroxyles (OH-) avec oxygène (O2-). La liaison entre les différents feuillets est faite par des liaisons hydrogènes et de Van der Waals. L’épaisseur de chaque feuillet est de 0,1 mm avec une largeur de 1mm.
Illite : La structure de l’Illite est composée de 10 feuillets. Chacune est composée d’une couche d’alumine entre deux couches de silice. La liaison entre les différentes couches est assurée par les ions Si4+ avec les ions Al3+. La compensation entre ces des charges est faite grâce au ions K+ qui renforcent les liaisons entre les différents feuillets. Cette liaison rend l’Illite plus stable et moins dispersive.
Limon : Ce matériau est principalement composé de quartz, un peu de feldspaths, avec une petite partie argileuse qui contient dans sa majorité de l’Illite-muscovite et de la montmorillonite avec quelques particules de Kaolinite. Il présente une faible cohésion avec un comportement peu plastique.
La distribution granulométrique de ces matériaux est présentée dans la . L’Illite (I) avec une granulométrie plus petite est fourni par Argiletz (France), et la Kaolinite (K) de granulométrie intermédiaire est produite par Ceratera (France). La Kaolinite est plus dispersive que l’Illite (Pham 2008). Le Limon (L) collecté à Jossigny (Paris) présente les plus grosses particules parmi les fines utilisées. L’analyse granulométrique des particules fines est effectuée en utilisant un granulomètre laser Multisizer. Tous les mélanges ont été réalisés avec 7% de fines.
Figure 3.1 (a) Matériaux utilisés A : sable Hostun , B : sable grossier, C :Kaolinite, D : Limon , E : Illite ; (b) Courbe granulométrique des matériaux utilisés
Colonne de suffusion
Les essais sont réalisés dans une colonne transparente en plexiglass de 12 cm de longueur et de 4,5 cm de diamètre, marquée par 3 lignes pour assurer une répartition en 3 couches lors de son remplissage (Figure 3.2) selon les configurations à tester. La colonne (perméamètre) est positionnée horizontalement, elle est reliée à un réservoir dont le niveau d’eau est constant (1,5 m). En amont de l’échantillon, une couche de billes de verre permet d’assurer la diffusion uniforme de l’écoulement, et repose sur un filtre géotextile destiné à retenir et séparer les particules de l’échantillon de sol des billes de verre. En aval, une grille métallique de 100 μm d’ouverture permet de retenir les particules grossières qui constituent le squelette granulaire et de laisser passer les fines. Les particules érodables dans notre étude sont les particules fines (Kaolinite , Illite, Limon). Cette colonne est équipée de deux tubes piézométriques permettant de mesurer les niveaux piézométriques à l’entrée et sur l’interface des couches centrale-avale de l’échantillon. Ces mesures interviennent dans le calcul du gradient hydraulique et de la conductivité hydraulique. Elle est reliée à un réservoir d’eau de charge constante (1.5 m) en utilisant un trop plein.
La quantification des particules érodées (Kaolinite, Illite, ou Limon) dans le flux sortant est obtenue à l’aide d’un turbidimètre installé à la sortie. Le turbidimètre, de marque Kobold, mesure la turbidité en se basant sur le principe de l’émission et de la réception des rayons lumineux. Il est connecté au système d’acquisition, dont les valeurs sont corrélées à la concentration des particules par un étalonnage préalable. La Figure 3.3 présente la courbe d’étalonnage pour la Kaolinite.
Figure 3.3 Etalonnage du Kaolinite
Carte d’acquisition des données : La transmission du signal de sortie du turbidimètre se fait avec le logiciel LabVIEW qui assure la connexion entre l’ordinateur et le dispositif expérimental par l’intermédiaire de la carte d’acquisition. La fréquence d’échantillonnage est fixée à 1.
Procédure d’essais
Le matériau homogène est un mélange de 93% de sable Hostun HN34 (Sifraco, France), représentant la matrice du sol, et 7% de fines (Illite, Kaolinite, ou Limon), humidifié à une teneur en eau de 6% en utilisant la technique de damage humide (Figure 3.4). Cette technique a été utilisée dans plusieurs études surtout pour les sols présentant une discontinuité granulaire (Chang et Zhang 2011, Ke et Takahashi 2012, Benamar 2014). Elle permet de créer une cohésion capillaire entre les particules, éviter le phénomène de ségrégation locale, et assurer l’homogénéité de l’échantillon.
Pour créer l’hétérogénéité de l’échantillon, une fraction de sable grossier (400/800 μm) est introduite. L’échantillon de sol hétérogène est alors un mélange de sable grossier-sable Hostun (93%) et de fines (7%). La matrice représentant 93% du sol est composée d’un mélange de sable d’Hostun (80% et 40%) et de sable grossier (20% et 60%) pour étudier respectivement l’effet d’une faible et d’une forte hétérogénéité. Après la préparation du sol dans ces deux configurations, il est conservé 24h dans un sac fermé hermétiquement afin d’assurer une teneur en eau homogène du matériau. Les mélanges sont déposés ensuite par couches successives dans la colonne.
Figure 3.4 Mélange sable d’Hostun avec Limon
La distribution granulométrique des sols reconstitués est présentée sur la Figure 3.5. L’effet des hétérogénéités apparait sur la forme de la courbe granulométrique. L’introduction d’hétérogénéités conduit à l’apparition d’une discontinuité granulométrique entre 315 μm et 400 μm et augmente la concavité de la courbe granulométrique. La différence entre les courbes de sols présentant 20% et 60% d’hétérogénéité apparait sur la forme de la courbe granulométrique. En effet, plus de particules sont affectées avec une hétérogénéité de 60%. De plus, l’effet du type des fines apparaît dans la partie gauche de la courbe de 0 à 100 μm dont le tamisat cumulé correspond à la teneur en fines (7%). Il est également nécessaire de prendre en compte le type des particules fines qui intervient dans le mécanisme de suffusion.
Remplissage de la colonne
Après la préparation des différents mélanges, une couche de billes de verre (fixée entre 2 géotextiles) est mise en place pour assurer la diffusion uniforme de l’écoulement. La colonne est remplie soigneusement, en position verticale en 3 couches compactée avec un dameur gradué. La densité sèche cible est fixée à 1,6.
Dans tous les essais, la même procédure de remplissage est suivie en gardant la densité comme paramètre constant, mais en changeant les matériaux constituant chaque couche en fonction de chaque configuration. En effet, l’échantillon reconstitué est divisé en 3 parties, amont, centre et aval. Pour la configuration d’hétérogénéité distribuée (D) et la configuration de référence (R), toute la colonne est remplie avec le même mélange. Pour la configuration d’hétérogénéité aval (A), seule la couche aval de l’échantillon de référence est remplie d’un mélange hétérogène (à un pourcentage de 20% ou 60% de sable grossier). Pour la configuration d’hétérogénéité centrale (C), la couche centrale du sol homogène de référence (R) est remplacée par une couche hétérogène (Figure 3.6).
Figure 3.6 Les configurations d’hétérogénéité testées : Centrale, Avale, Référence, Distribuée
Pour chaque type de fines (Kaolinite, Illite, Limon), 7 essais sont réalisés : 2 essais (pourcentage d’hétérogénéité de 20% et 60%) pour chaque configuration (A, C, et D), et 1 essai de référence homogène (R). Le Tableau 3.3 ci-dessous fournit un récapitulatif de toutes les configurations testées avec les matériaux constituant chaque compartiment (amont, milieu, aval).
Saturation de l’échantillon
L’échantillon est saturé en position verticale, sous une charge hydraulique très faible en contrôlant le niveau d’eau dans le réservoir, de façon à ne pas perturber la structure et ne pas créer de mouvement de particules dans l’échantillon avant le début de l’essai.
On vérifie durant cette étape, qu’il n’y a pas de particules fines qui sortent de l’échantillon. La réalisation de cette phase est importante pour évacuer l’air et empêcher la migration des particules avant de commencer l’essai (Liang et al. 2019). Généralement, elle prend deux heures et elle est effectuée par un réservoir dédié. Le robinet d’eau qui sature l’échantillon est fermé quand l’eau sort de la colonne, pour commencer les essais.
Essai d’érosion
Après la saturation de l’échantillon, la colonne est placée en position horizontale pour commencer l’essai en maintenant la saturation du sol. Le chargement hydraulique consiste à appliquer un gradient constant de 12.5, correspondant à un niveau d’eau égale à 1.5 m, pendant toute la durée de l’essai. La température de l’eau est supposée constante pendant l’essai (23°C). La durée de l’essai qui est de 3 heures et 30 minutes, est suffisante pour atteindre une érosion complète (turbidité de l’effluent très faible). L’évaluation de la susceptibilité à la suffusion des différentes configurations est basée sur deux paramètres : la masse érodée cumulée et la conductivité hydraulique.
L’érosion est quantifiée par un nombre de paramètres fondamentaux dont le plus important est la cinétique d’érosion q(t) (Figure 3.7.c) représentant la masse érodée des particules fines par unité de temps. Cette cinétique (g/s) est le produit de la concentration de l’effluent (g/l) déduite de la turbidité (Figure 3.7.a) et du débit (l/s) (Figure 3.7.b), qui sont enregistrés en continu. La masse érodée cumulée de particules fines m(t) (Figure 3.7.d) est obtenue en intégrant la cinétique d’érosion q(t) au cours du temps. Cette masse cumulée est utilisée pour évaluer la susceptibilité à la suffusion des différentes configurations testées: ?(?)=∫?(?)??
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Table des matières
Introduction générale
Partie I; Synthèse bibliographique
Chapter 1 : Approches expérimentales
1.1 Introduction
1.2 Typologie de l’érosion
1.3 Essai de suffusion en laboratoire
1.3.1 Dispositif d’essais
1.3.2 Charge hydraulique
1.3.3 Critères d’instabilité interne à la suffusion
1.3.4 Paramètres agissant sur la suffusion
1.3.5 Quantification de la suffusion
1.4 Les hétérogénéités induites dans le sol et leurs effets sur la suffusion
1.4.1 Processus de suffusion hétérogène induit
1.4.2 Hétérogénéité structurale du milieu
1.5 Conclusion
Chapter 2 : Approches numériques
2.1 Introduction
2.2-Méthode des éléments discrets (DEM)
2.2.1 Cycle de calcul
2.2.2 Loi de contacts
2.2.3 Conditions de stabilité
2.3 Couplage CFD-DEM
2.4 Simulation numérique de la suffusion
2.5 Modèle analytique
2.6 Conclusion
Partie II; Etude expérimentale de la suffusion
Chapter 3 Essais sur colonne 1 (Petite échelle)
3.1 Introduction
3.2 Matériaux et méthodes
3.3 Résultats et discussions
3.4 Conclusion
Chapter 4 Essai sur colonne 2 (grande échelle)
4.1 Introduction
4.2 Matériaux et Méthodes
4.3 Résultats et discussions
4.4 Conclusion
4.5 Synthèse générale
Chapter 5 : Etude de la suffusion à l’échelle du pore
5.1 Introduction
5.2 Essai de suffusion sur un milieu granulaire modèle
5.2.1 Matériaux et méthodes
5.2.2 Résultats et discussions
5.3 Etude à l’échelle micro par tomographie X
5.3.1 Tomographe à rayons X
5.3.2 Traitement d’images
5.3.3 Profil vertical de la porosité
5.3.4 Microstructure pré/post suffusion
5.4 Conclusion
Partie III; Modélisation numérique de la suffusion
Chapter 6 : Modélisation par éléments discrets (DEM) de la suffusion dans un milieu granulaire
6.1 Introduction
6.2 Modélisation de la suffusion par DEM-CFD
6.2.1 Paramètres du modèle
6.2.2 Modélisation de la phase solide
6.2.3 Modélisation de la phase fluide
6.2.4 Résultats et discussion
6.3 Comparaison des résultats numériques et expérimentaux
6.3.1 Modélisation physique
6.3.2 Résultats et discussions
6.4 Conclusion
Conclusions générales et perspectives
Références bibliographiques
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