Chapitre 1: Etude bibliographique
3. Dispositifs expérimentaux pour étudier l’érodabilité des sols
Pour évaluer la sensibilité à l’érosion du sol soumis à un écoulement, le plus important c’est de trouver la relation entre le taux d’érosion (la masse érodée du sol par unité de surface et par unité de temps) et la contrainte de cisaillement effective (qui dépend de la charge hydraulique appliquée par l’écoulement sur le sol).
De nombreuses recherches (Chapuis, 1986b ; Hanson et Cook, 1997 ; Hanson et Simon, 2001 ; Hanson et al., 2002 ; Branford et Blanchar, 1999 ; Wan et Fell, 2002, 2004) montrent qu’il existe un seuil d’érosion, c'est-à-dire que l’érosion est supposée se produire si la contrainte de cisaillement appliquée dépasse une valeur caractéristique du sol dans un certain état. Cette valeur s’appelle la contrainte de cisaillement critique . Si la contrainte de cisaillement appliquée est inférieure à celle-ci, l’érosion ne se produit pas. Donc une relation commune largement utilisée jusqu’à présent est l’équation (1). Dans ce paragraphe, nous présentons les approches expérimentales
L’objectif des essais d’érosion est d’évaluer l’érodabilité du sol, d’observer et de mieux comprendre les phénomènes d’érosion. On peut effectuer des essais au laboratoire sur des échantillons préparés ou in-situ sur l’ouvrage (voire à l’échelle 1/1) comme dans l’essai d’érosion de conduit sur un barrage en terre homogène de Wahl et Erdogan (2008) ou l’essai d’érosion de contact dans le cas d’une digue en limon homogène sur une fondation en gravier de Béguin (2011). Pour les essais effectués sur l’ouvrage, les principaux obstacles sont les coûts techniques, humains, ainsi que le respect de conditions de sécurité, ce qui suppose un lieux adéquat pour ce type de manipulation. Il est aussi difficile de maîtriser les conditions d’environnement. Par ailleurs, dans le travail de Hanson et al (2010), il a été montré que les résultats obtenus à partir des essais in-situ et au laboratoire ne sont pas très différents.
Figure 1.20: Essai d’érosion de conduit, 9minutes après l’initiation de la rupture de conduit (Wahl et Ergodan, 2008)
Figure 1.21a: Schéma de l’ouvrage de l’essai 4 (Béguin, 2011)
Selon la classification de l’érosion, on peut regrouper les essais d’érosion en deux groupes principaux: Essais d’érosion externe ou de surface et essais d’érosion interne.
- Groupe 1: Essais d’érosion externe
o Essai d’érosion en canal ou « hydraulic flume test », o « Erosion Function Apparatus (EFA) »,
o Essai d’érosion par cylindre tournant, o Essai d’érosion par jet.
o Essai à l’érodimètre à jets mobiles
- Groupe 2: Essais d’érosion interne:
o Essai d’érosion de trou et érosion de rainure, o Essai d’érosion au triaxial,
o Essai d’érosion de contact.
Essai d’érosion en canal ou « Hydraulic flume test »
Ce type d’essai est basé sur l’écoulement à la surface d’un canal ou d’un échantillon. Le schéma du dispositif est représenté sur la figure 1.22. Pour cet essai, la contrainte de cisaillement est calculée par la vitesse d’écoulement, et le taux d’érosion est défini comme la proportion de la masse érodée par unité de surface et unité du temps. La masse érodée est la différence entre la masse de sol sec avant et après l’essai. Cet essai permet de mesure directement l’érosion et c’est l’un des plus ancien pour la mesure de l’érosion.
Pour ce type d’essai, plusieurs chercheurs ont essayé de trouver l’influence de différents paramètres sur l’érosion du sol tels que: Gibbs (1962), Lyle et Smerdon (1965), Kandiah et Arulanandan (1974), Shaikh et al. (1988a), Shaikh et al (1988b), Chebreiyessus et al. (1994).
Erosion Function Apparatus (EFA)
Ce dispositif de mesure d’érosion a été conçu et développé par Briaud et al. (2001) pour mesurer le taux d’érosion d’un sol fin ou d’un sol grossier prélevé sur le site notamment au niveau du pied des piles de ponts. Le schéma du dispositif est représenté sur la figure 1.23 suivante:
(a) Schéma conceptuel de l’éprouvette dans le dispositif
(b) Photo de la section d’essai
Figure 1.23: Schéma du dispositif d’EFA (Briaud, 2001)
L’érosion se produit à la surface d’un échantillon cylindrique qui se trouve 1 mm au dessus de la base de canal. Lors des essais, la vitesse de l’écoulement et le temps nécessaire pour éroder 1 mm de hauteur de l’échantillon sont enregistrés. Le taux d’érosion (
t h
Z = ) est le rapport entre la hauteur érodée et le temps correspondant. La contrainte de cisaillement est calculée à partir de la vitesse de l’écoulement par l’expression (18) ci-dessus. Pour chaque vitesse on a un taux d’érosion et la loi d’érosion est tracée point par point. Les résultats obtenus montrent que le taux d’érosion augmente avec la contrainte de cisaillement appliquée (ou la vitesse de l’écoulement), et le taux d’érosion diminue avec la contrainte de cisaillement critique ( c) c’est à dire que, plus la contrainte de cisaillement critique du sol est élevée, plus son taux d’érosion est faible.
Figure 1.24: Classification de l’érodabilité des sols et des roches en fonction de la contrainte de cisaillement (Briaud, 2008)
Essais d’érosion par cylindre tournant ou « Rotating Cylinder Test »
Ce type d’essai permet de mesurer le taux d’érosion et la contrainte de cisaillement. Ici, l’essai consiste à mettre en rotation le cylindre extérieur en maintenant fixe le cylindre intérieur qui contient l’échantillon de sol (figure 1.25).
Figure1.25: Schéma de l’essai d’érosion par le cylindre tournant (Tarog, 2000)
Moore et Masch (1962), ont utilisé l’essai d’érosion par cylindre tournant qui a été développé par Masch pour mesurer la résistance à l’érosion du sol cohérent (60% d’argile montmorillonite et 40% de sable). La contrainte de cisaillement est produite par le fluide d’érosion sur la surface d’un échantillon cylindrique, elle est la même pour tous les points sur la périphérie de l’échantillon. La vitesse de rotation est augmentée jusqu’à ce que
l’érosion soit observée. Le moment de torsion est enregistré pour calculer la contrainte de cisaillement. ω µ τ 2 1 2 2 2 2 2 R R R − = m
Où: R1, R2 sont les rayons des cylindre intérieur et extérieur; est la vitesse angulaire imposée au cylindre extérieur; est la viscosité dynamique du fluide.
Arulanandan et al (1973, 1975) ont utilisé l’essai d’érosion par cylindre tournant amélioré (figure 1.26) afin d’étudier l’influence de la composition du fluide interstitiel et de la concentration en sel du fluide d’érosion sur l’érodabilité d’un sol saturé remanié.
Figure 1.26: Vue en coupe transversale du Rotating Cylinder Test (Arulanandan et al, 1973)
Le taux d’érosion est la pente de la courbe érosion-temps, il augmente linéairement avec la contrainte de cisaillement (ε =m
(
τ −τc)
). Le taux d’érosion et le facteur m augmentent avec le taux d’absorption du sodium (Sodium Adsorption Ratio – SAR). Le rôle de la teneur en eau n’a pas été abordé et les auteurs n’ont pas pris en compte la densité sèche en tant que paramètre de contrôle.Chapuis et Gatien (1986) ont amélioré l’essai d’érosion par cylindre tournant (figure 1.27). Chapuis et Gatien (1986) et Chapuis (1986) ont utilisé ce dispositif pour étudier l’érosion d’un sol argileux en testant les échantillon intacts ou remaniés. Le taux d’érosion peut être mesuré et la contrainte de cisaillement est déterminée par la mesure du moment de torsion enregistré en cours d’essai.
Figure 1.27: Essai d’érosion par cylindre tournant amélioré (Chapuis et Gatien, 1986) (1) Cylindre tournant extérieur, (2) Echantillon de sol, (3)Fluide d’érosion dans l’espace
annulaire, (4) Arbre à guidage pour l’installation, (5) Système de mesure de moment de torsion, (6) tête, (7) base, (8) accès à nettoyage, (9) le drainage par gravité
A partir des résultats de son travail, Chapuis (1986) a montré que la contrainte de cisaillement critique ( c) augmentait avec la pression de consolidation pour un sol remanié et que le taux d’érosion (ε ) diminuait lorsque la pression de consolidation du sol augmentait (figure 1.28b), et même lorsque la contrainte de cisaillement était inférieure à la contrainte de cisaillement critique c le taux d’érosion augmentait avec la contrainte de cisaillement hydraulique.
Il a conclu que la préparation de l’échantillon influençait les résultats et que la contrainte de cisaillement dépendait de la rugosité de la surface. Pour l’échantillon préparé dans la cellule triaxiale la contrainte de cisaillement critique est plus élevée que dans dans l’échantillon naturel intact ; le taux d’érosion est plus élevé pour l’échantillon coupé même si < c.
Figure 1.28: Taux d’érosion en fonction de la contrainte de cisaillement hydraulique (a) Ancien appareil (échantillon remanié),
(b) Appareil décrit par Chapuis (échantillon intact et remanié) (Chapuis et Gatien, 1986)
Lim (2006, 2009) a conçu et développé un nouveau dispositif de mesure sur la base des dispositifs de Arulanandan et al. (1973) et Chapuis et Gatien (1986). Les principales améliorations concernent une conception simplifié avec moins de pièces d'assemblage, une amélioration des unités de contrôle et de mesure, une plus grande stabilité du système de rotation, en particulier à des vitesses élevées, une mesure précise des contraintes de cisaillement appliquées à l'échantillon, l'amélioration du système de montage de l'échantillon, et une capacité à tester des échantillons intacts et remaniés dans les états saturés et insaturés. En outre, la conception permet une détermination précise des paramètres de mesure à différentes vitesses de rotation - un aspect crucial qui manque dans les modèles précédents de RCT. Il a utilisé cet appareil pour étudier l’érosion de sols saturés et non saturés. Il a conclu que le taux d’érosion augmente avec la contrainte de cisaillement appliquée et que la forme de la courbe d’érosion dépend du type de sol. Il a proposé deux notions: la contrainte de cisaillement critique ( c) inférieure à laquelle l’érosion ne se produit pas ou est négligeable et la contrainte de cisaillement seuil ( T) après laquelle la pente de la courbe d’érosion change de façon importante (figure 1.29). Il a proposé un indice appelé « Indice de taux d’érosion - IRCT » IRCT = -log(Serosion), où Serosion est la pente de la courbe d’érosion (figure 1.31). Pour le sol non saturé, l’indice de taux d’érosion augmente avec le degré de saturation S et la teneur en eau, ce qui signifie que la
résistance à l’érosion du sol augmente avec le degré de saturation. et la teneur en eau. L’indice de taux d’érosion augmente avec l’énergie de compactage et la teneur en argile.
Figure 1.29: Définition des paramètres d’érosion utilisés (Lim, 2006)
Les résultats obtenus lors des essais montrent que le sol saturé est moins érodable que le sol non saturé. Pour le sol saturé, le taux d’érosion est faible et le changement de taux d’érosion avec la contrainte de cisaillement est faible aussi. Il n’y a pas de changement significatif de la structure de la surface avant et après l’essai.
Essai d’érosion par jet d’eau ou « Jet Erosion Test »
Ce type d’essai permet de générer un écoulement perpendiculaire à la surface de l’échantillon en forme de jet d’eau. Dès que le jet d’eau touche la surface de l’échantillon, le courant perpendiculaire se transforme en courant parallèle à la surface qui engendre la contrainte de cisaillement qui érode le sol (figure 1.30).
Figure 1.30 Schéma de la distribution des contraintes de cisaillement sous un jet axisymétrique immergé.
La technologie de découpe par jet d’eau des sols remonte aux années 60 avec les recherches des compagnies mettant en place les câbles transocéaniques. Celles-ci souhaitaient découper efficacement les sols pour enfouir les câbles à l’abri des chaluts. Afin de développer cette technologie, de nombreuses études ont été réalisées pour exploiter au mieux le pouvoir d’érosion de l’eau pour créer la tranchée recevant le câble (Mellor, 1973 ; Sundaram et Liu, 1978 ; Rockwell, 1981 ; Atmatzidis et Ferrin, 1983 ; Machin, 2000 ; Dabbagh, 2002).
Des recherches plus spécifiquement dédiées à l’érosion ont démarré dans les années 80 et des essais d’érosion au moyen de jets ont été mis au point pour étudier le phénomène d’érosion de surface du sol. Dans ces essais, la surface du sol est attaquée par des jets d’eau soit fixes soit mobiles, perpendiculaires à la surface, soit dans l’air, soit immergés.
Dunn (1959) a proposé d’utiliser le Jet Erosion test pour mesurer la résistance à la traction d’un sol cohérent provenant du fond d’un canal. La charge hydraulique est augmentée peu à peu jusqu’à ce que l’érosion soit observée. La contrainte de cisaillement maximum est mesurée en remplaçant la surface du sol par une plaque en métal recouverte de grains de sol, qui contient une plaque de cisaillement de 1 pouce (2.54 cm) carrée. Il a montré que la contrainte de cisaillement à l’initiation de l’érosion était linéaire, proportionnelle à la résistance non drainée.
Lors d’essais de ce type, Moore et Masch (1962) ont effectué une série de tests à l’Université du Texas pour étudier la résistance à l’érosion et l’influence des paramètres sur la profondeur d’érosion. Ils ont mesuré la perte de masse du sol toutes les 10 minutes et la profondeur d’érosion moyenne. Ils ont trouvé que la profondeur d’érosion varie en fonction de quelques paramètres tels que la distance entre l’orifice du jet et la surface du sol, le diamètre du jet, la vitesse du jet, le temps d’application du jet, la densité du fluide
mesurer la résistance à l’érosion relative mais qu’il n’est pas un test pour mesurer la contrainte de cisaillement à la surface du sol.
Hanson (1990) de l’Agricultural Research Service a proposé un nouvel appareil dont le jet perpendiculaire est immergé dans l’eau (figure 1.31). Il a effectué des essais pour étudier l’influence du nombre de Reynolds, du facteur-temps, du facteur d’érodabilité sur le facteur d’érosion (la proportion entre la racine cubique du volume de sol érodé et la distance entre l’orifice du jet et la surface). Il a établi une relation pour estimer le facteur d’érosion et le coefficient d’érosion kD.
Par la suite, Hanson (1991, 1992) a étudié l’érosion de sols cohérents et non cohérents. Il a trouvé que le pic de la contrainte om (Pa) le long de la frontière du sol immergé est uniquement fonction de la vitesse du jet Uo (cm/s) à l’orifice:
5 . 1 . 0014 . 0 o om = U τ
La profondeur d’érosion maximale Ds est déterminée au cours de l’essai. Il a constaté que Ds augmente avec le temps de jet t et, pour un temps donné, plus la vitesse est élevée plus la profondeur est grande. A partir des résultats obtenus, il a trouvé une relation entre Ds/t et Uo: 931 . 0 1 − = t t U J t D o i s
Où: Ji - coefficient adimensionnel, appelé l’indice de jet ou Jet Index, t1 –temps de référence égal à 1 s
La valeur du Ji est la pente de la courbe entre t Ds et 931 . 0 1 − t t Uo . En traçant la courbe de log(kD) (dans l’équation 1) en fonction de log(Ji), il a trouvé le coefficient d’érosion par l’équation:
i
J
e k =0.003 385
Cette équation implique que si Ji est grand, k est grand. Ce dispositif d’essai et la méthode pour la détermination de l’indice de jet sont décrits dans la norme ASTM D5852 (2003).
Hanson (2004) a décrit en détail un appareil amélioré sur la base de celui développé en 1990 (Figure 1.32).
Figure 1.32: Schéma de JET immergé (Hanson et Cook, 2004)
Ce dispositif présente quelques changements pour augmenter sa commodité d’emploi et sa flexibilité en l’utilisant au laboratoire aussi bien qu’in-situ. Toutefois cet appareil ne
en fermant le jet par le déflecteur situé à la base de la buse, mais non le volume d’érosion ni la profondeur aux autres points. En plus, la tige de mesure de la profondeur est située dans la cellule d’injection (figure 1.32), ce qui peut influencer le jet. Hanson a donné une procédure pour mesurer directement les paramètres d’érosion (kD et c) présents dans l’équation 1 : le taux d’érosion peut être déterminé selon l’équation
dt dJ
=
ε . Hanson (2001) a développé une procédure pour estimer kD et c. Cette procédure, appelée « méthode de Hanson », est présentée en détail dans le paragraphe 6 ci-dessous.
Figure 1.33: Schéma de l’appareil JET amélioré (Hanson et Hunt, 2007)
Cet appareil et sa méthodologie ont été utilisés pour déterminer les paramètres d’érosion de sols cohérents (Hanson, 1999 ; Hanson et Simon, 2001 ; Simon et Thomas, 2002 ; Clark et Wynn, 2007 ; Hanson et Hunt, 2007 ; Pham, 2008 ; Thoman, 2008 ; Wahl et Erdogan, 2008 ; Regazzoni, 2008, 2009).
Hanson et Simon (2001) ont effectué une série d’essais in-situ sur les canaux du Midwest-USA. A partir des résultats obtenus pour le coefficient d’érosion et la contrainte de cisaillement critique ils ont proposé une classification de l’érosion (Figure 1.34).
Figure 1.34: Classification de l’érodabilité des sol (Hanson et Simon, 2001)
Pour surmonter quelques limitations du dispositif développé par Hanson et aussi changer facilement quelques paramètres d’essai, nous avons conçu et développé un nouveau dispositif de mesure de laboratoire qui sera présenté en détail dans le chapitre 2.
Mazurek (2001), Mazurek et Rajaratnam (2001) ont utilisé le JET immergé avec des diamètres de jet de 4 mm ou 8 mm pour étudier l’érodabilité d’un sol argileux (figure 1.35). Dans les essais effectués, la profondeur d’érosion maximale, la profondeur d’érosion au centre de l’échantillon et le volume du cône d’érosion sont mesurés dès le début de l’essai à des temps d’environ 2 min, 5 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 h, 4 h, 8 h, 24 h, 72 h et 96 h, en fonction des changements de la courbe d’érosion et puis à des intervalles de 24 h jusqu’à la profondeur d’équilibre ou l’érosion ne se produit plus. Les échantillon sont préparées à une teneur en eau et une densité sèche constantes.
Figure 1.35: Schéma du JET immerge (Mazurek et Rajaratnam, 2001)
La mesure de volume se fait en remplissant d’eau le cône d’érosion, la profondeur d’érosion au centre, la profondeur d’érosion maximale et les autres paramètres du cône d’érosion sont mesurés. Toutefois, pour chaque mesure, on doit arrêter le jet par l’arrêt de pompe, vider l’eau du dispositif. Cela peut influencer les paramètres des étapes d’essai suivantes et il peut aussi être difficile de contrôler la charge hydraulique pour qu’elle reste constante. En outre, il faut beaucoup de temps pour atteindre la profondeur d’équilibre. Ces auteurs ont trouvé que les dimensions du cône d’érosion sont fonction du temps de jet, de la hauteur d’impact et de la distance entre l’orifice du jet et la surface de l’échantillon, de la viscosité et de la densité du fluide érodant, de la contrainte de cisaillement critique.
Al-Madhhachi et al. (2013) ont développé une nouvelle version miniature de JET appelé « mini Jet » qui est facile à utiliser au laboratoire aussi bien qu’in-situ (Figure 1.36).
Figure 1.36: Schéma de l’appareil de Mini JET (Al-Madhhachi et al, 2013) (a) Appareil JET original; (b) Appareil Mini JET; (c)Plaque rotatif de Mini JET
La méthode de mesure de la profondeur d’érosion et d’estimation des paramètres d’érosion est similaire à celle proposée par Hanson (2004) mais les auteurs ont rajouté un coefficient Cje tel que
( )
(
e i)
m o i e je J J J J C / /= ; où Ji est la profondeur initiale, l’indice « o » signifie que les paramètres sont obtenus à partir de l’appareil original, l’indice « m »
signifie que les paramètres sont obtenus à partir de l’appareil modifié. Alors la contrainte de cisaillement critique est déterminée selon l’équation suivante:
2 = e je P o c J C J τ τ Essai d’érodimètre à jets mobiles
Hénensal (1985) a conçu et développé la première version d’un dispositif appelé érodimètre à jets mobiles LCPC ou Mobile Jets Erosion Test au Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. L’appareil est de forme rectangulaire (5.2 x 10 x 27 cm) et comporte 7 gicleurs démontables disposés régulièrement et un réservoir.
Ce dispositif d’essai permet d’étudier à la fois l’impact des gouttes de pluie et le transport par ruissellement. Toutefois l’appareil étant statique, Hénensal constate que l’érosion se fait principalement en profondeur et non superficiellement et que le déplacement longitudinal de l’érodeur à la main est possible mais qu’il est dépendant de l’opérateur. Alors, en 1986, un nouveau prototype a été construit avec un mouvement circulaire continu. Ce dispositif comporte 6 jets d’eau identiques qui sont mis en rotation par un moteur (figure 1.37).
Le travail de Hénensal et Duchatel (1990) a porté sur la sensibilité à l’érosion du limon d’Orly compacté à différentes teneurs en eau (12,8; 17 et 20%) et énergies (30; 55 et 110 coups par couche) et du sable de Fontainebleau. Ces auteurs ont étudié l’influence de la pente, de l’énergie de compactage, de produits structurants ou de traitement, du gonflement et de la végétalisation sur la résistance à l’érosion.
Figure 1.37: Schéma de l’érodimètre à jets:(a) Au laboratoire sur une briquette, (b) Au laboratoire sur un galette de sol, (c) Sur le terrain (Hénensal et Duchatel, 1990)
Jet Erosion test horizontal ou “Horizontal wall jet”
Rajaratnam et Berry (1977), Rajaratnam (1981) ont développé un dispositif appelé « Horizontal wall jet » pour étudier l’érosion d’un sable. Ce type d’essai crée un jet parallèle à la surface de l’échantillon au lieu d’un jet perpendiculaire comme dans le JET. Ils ont trouvé que la dimension du cône d’érosion est fonction du nombre de Froude, du diamètre du jet. Ils ont aussi constaté que la profondeur d’érosion maximale, la distance de