3.1 Caractérisation de l’érosion mécanique
L’érodabilité d’un sol est définie, dans la littérature, comme une relation entre le taux d’érosion (ε, la masse de sol érodée par unité de temps et par unité de surface) et la vitesse de l’écoulement (v) proche de la surface de l’eau (Heize 1975). Cette définition n’est pas satisfaisante car la vitesse varie en intensité et en direction dans le champ d’écoulement. Autrement dit, la vitesse est nulle à l’interface fluide-solide. Une définition plus rigoureuse de l’érosion est la relation entre le taux d’érosion et la contrainte de cisaillement (
τ
) à l’interface eau-sol :( )τ
ε
= f [1.12]L’équation [1.12] représente la loi constitutive des sols vis-à-vis de l’érosion. C’est l’analogue des lois de contrainte-déformation pour des problèmes de tassement par exemple. La définition par rapport à la contrainte de cisaillement est une forme améliorée de la définition par rapport à la vitesse. Cependant, elle n’est pas complète car la contrainte de cisaillement,
d’après le mécanisme décrit à la section précédente, n’est pas la seule contrainte qui contribue à l’érosion. Une description plus complète a été proposée par Briaud (2008) :
p w n w m w c u u u u ∆ + ∆ + − = 2 2 2 ρ σ δ ρ τ β ρ τ τ α ε [1.13]
où ε est le taux d’érosion, u : la vitesse longitudinale de l’écoulement,
τ
: la contrainte de cisaillement hydraulique,τ
c : la contrainte critique d’érosion en deçà de laquelle l’érosion n’a pas lieu,ρ
w : la densité de l’eau, ∆ : les fluctuations de la contrainte de cisaillement τhydraulique, ∆ : les fluctuations de la contrainte normale hydraulique. Les autres variables σ
sont des paramètres qui caractérisent le sol. Le modèle [1.13] reste à ce jour empirique et il n’est pas pratique de déterminer les six paramètres en jeu
(
α,β,δ,m ,,n p)
. Shan (2010) a développé un dispositif d’essai dénommé « Ex situ Scour Test Device » (ESTD) pour la mesure directe des contraintes globales de cisaillement et normales qui sera discuté dans la section suivante. Cependant, il n’existe pas encore de méthode appliquée pour la quantification des contraintes locales et les fluctuations du modèle [1.13]. C’est la raison pour laquelle nous nous basons toujours sur le modèle de Shields (1936) connu également sous le nom de la « loi d’érosion » dont la forme est :(
c)
er k
τ τ
ε
= − [1.14]avec k le coefficient d’érosion et er
τ
c : la contrainte critique.Cette relation est aussi connue sous le nom de loi de Partheniades (1965) en sédimentologie.
Shields (1936) a également proposé une formule qui porte son nom et qui permet de calculer le diamètre minimal des particules pour éviter l’érosion et la contrainte de cisaillement que produit le mouvement des particules. Il faut noter que Hjulström (1935) cité par Briaud (2008) avait proposé une telle courbe pour les sols granulaires et les sols fins. Cependant, ses recommandations pour les sols fins se sont avérées trop simples (Briaud 2008).
n’existe pas de corrélation directe entre la dispersivité et l’érodabilité. Pourtant, la dispersion est souvent reconnue comme une cause d’arrachement des particules dans l’érosion interne (Blais 2004).
Le dispersivité des sols est étroitement liée à la nature des argiles qu’ils contiennent et leur réactivité face à l’eau. Pour mieux expliquer la perturbation qui apparaît à l’intérieur de la microstructure argileuse et qui favorise la dispersion des particules, quatre mécanismes distincts interviennent dans l’érosion par dispersion : l’hydratation, la désaération, le gonflement et finalement la dispersion proprement dite (Holmgren et Flanangan, 1977).
L’hydratation et la désaération sont les premiers processus physiques qui conduisent à la désintégration d’un grumeau de sol non saturé, qui est constitué par un assemblage de particules. L’assemblage est détruit violemment quand l’eau moléculaire arrive à sa position d’équilibre, du point de vue énergétique, à la surface des particules. De plus, si le front d’hydratation pénètre à l’intérieur du sol, l’air subit une compression qui engendre une pression. Les deux processus, hydratation et désaération, continuent jusqu’au moment où l’argile est complètement mouillée et que toutes les bulles d’air se sont échappées (sol complètement saturé). Le matériau qui en résulte perd sa structure initiale. Ces processus sont généralement très rapides, habituellement ils durent quelques minutes là où le sol est effectivement en contact avec l’eau.
Le gonflement et la désagrégation constituent la deuxième étape du phénomène de destruction d’un sol par dispersion. Le gonflement apparaît lorsque la concentration ionique à l’intérieur de la phase solide (matrice de sol) est plus grande que celle de la solution qui l’entoure (liquide d’érosion). Autrement dit, les micelles argileuses étant entourées d’un essaim d’ions retenus par attraction électrostatique, il existe une différence de concentration en électrolytes entre la solution et le voisinage immédiat des particules. L’eau a, par conséquent, tendance à réagir en vue d’une égalisation des concentrations. Il se produit en quelque sorte une pénétration de l’eau dans les pores, ce qui se traduit par une pression osmotique plus élevée, qui provoque la dilatation de la masse de sol.
La concentration ionique dans la solution interstitielle du sol a deux origines : l’existence de sels libres (ions non liés électrostatiquement à des micelles d’argile) dans l’eau interstitielle et l’existence d’ions neutralisés par les charges électriques localisées à l’intérieur des particules. Le gonflement développé par les sels libres diminue au fur et à mesure que ces sels sont lavés par l’action de l’eau (dissolution). Les ions liés ne peuvent pas être libérés par diffusion. Par conséquent, les particules de sol retiennent de l’eau et des sels. Le sol s’imprègne d’eau et gonfle, les particules se séparent progressivement et les forces d’attraction diminuent en intensité. Le résultat de ce processus est la fissuration de la masse solide.
(feuillets) constituant le sol. Selon le comportement observé on qualifiera cette dispersion comme une défloculation ou une dissolution.