Essai d’émiettage ou « Crumb Test »

Le « Crumb Test » est un essai pour mesurer la dispersion du sol. Il a été développé à l’origine par Emerson en 1964, et s’intitulait alors « essai de cohésion des agrégats ». L’essai considérait alors sept catégories de dispersion pour classer les sols. Sherard et al. (1977) ont simplifié l’essai en combinant certaines catégories pour limiter leur nombre à 4. L’essai a ensuite fait l’objet de la norme ASTM D6572-00.

Le « Crumb test » consiste à immerger un cube de sol remanié de petite taille (15 mm de côté) dans un volume d’eau distillée beaucoup plus important (250 ml). L’échantillon est posé sur le fond d’un récipient cylindrique, à côté du bord. La tendance des particules du sol à se disperser en suspension colloïdale est estimée par observation du nuage formé à 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 (Figure I.31) :

Niveau 1 – Non dispersif : il ne se produit pas de réaction entre le sol et l’eau. Le sol se désagrège, diffuse et déborde mais aucune turbidité n’est observée autour de l’échantillon. Toutes les particules sédimentent pendant la première heure.

s’étendre de manière telle qu’il n’est plus possible de distinguer l’interface entre l’échantillon et la suspension colloïdale.

Le Crumb Test est un essai très simple et aisément reproductible. Il donne une bonne et rapide indication sur la dispersion de l’argile. L’essai n’est pas coûteux, il ne demande pas des appareils complexes et il peut être utilisé dans n’importe quel laboratoire ainsi que sur site.

Cependant comme l’essai se base sur l’observation, l’indication donnée est qualitative. Les résultats dépendent en effet de la couleur de l’argile, de la lumière dans le laboratoire mais aussi de l’opérateur. Une autre limite du « Crumb Test » vient du fait que cet essai n’est applicable qu’aux sols dont l’indice de plasticité est supérieure à 8.

Figure I.31 – Essais typiques de « Crumb test », a) niveau 1 : non dispersif, b) niveau 2 : intermédiaire, c) niveau 3 : dispersif, d) niveau 4 : très dispersif (source ASTM D6572-00).

5.4.2.1 « Minicrumb Test Arrays »

Afin de pouvoir étudier une large plage de configuration Holmgren et Flanagan (1977) ont proposé de réaliser des « Crumb Test » à l’échelle réduite et de comparer les images après 2 heures d’insertion des « miettes » de sol dans l’eau (Figure I.32). Les récipients utilisés contiennent 3 ml d’eau avec des propriétés physico-chimiques différentes et un échantillon de sol d’environ 2 mm de diamètre.

Figure I.32 – Exemple d’essai de « Minicrumb Test Arrays » pour des échantillons séchés à l’air (les lignes correspondent aux différentes concentrations et les colonnes aux différents pH), (source Holmgren et Flanagan 1977)

Ils ont classé les comportements selon les images acquises en quatre catégories : 1) pas de changement 2) effondré 3) fracturé 4) dispersé (le sol couvre entièrement le fond du récipient).

5.4.2.2 Nouvel essai d’émiettage

Afin d’améliorer les mesures et les rendre plus répétables, Pham et al. (2008) ont mis au point un appareillage qui permet de mesurer le gonflement et l’affaissement d’un échantillon de sol au cours du temps (Figure I.33). Un palpeur est utilisé pour mesurer le gonflement ou l’affaissement du sol tandis qu’une cible positionnée au fond du récipient sert à mesurer l’élargissement de l’échantillon de sol au cours de sa désagrégation. Cette cible permet d’évaluer le diamètre de l’échantillon à sa base. La méthode de préparation des ’échantillons a également été améliorée. Au lieu des échantillons cubiques préparés à la main, le sol est compacté statiquement dans un moule cylindrique.

Figure I.33 – Nouvel essai d’émiettage (a) échantillons classique et nouveau (b) moule de compactage et récipient d’eau (c) palpeur mécanique et fond gradué (source Pham et al. 2008).

Les mesures s’effectuent de manière régulière à plusieurs moments pour donner l’évolution du sol au cours du processus de dispersion. Les paramètres mesurés sont : la hauteur du gonflement ou gonflement/affaissement de l’échantillon et son rayon d’élargissement. Les mesures sont notées à 30 secondes, 1, 2, 4, 5, 10, 20, 40, 80 minutes, 4 heures et 6 heures. La durée totale de l’essai est identique à celle du « Crumb test » original.

contient 3,75 litres (1 gallon) d’eau distillée. L’éprouvette de sol est photographiée au 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32 et 64 minutes.

Figure I.34 – Dispositif expérimental du « Sand Castle Test » (en haut) et déroulement de l’essai (en bas) (source Park 2003).

5.4.4 « Pinhole Test »

Le « Pinhole test » est une méthode pour identifier les caractéristiques dispersives des sols argileux. Par rapport au « Crumb Test » et le « Double Hydrometer Test », le pinhole test donne les meilleures corrélations entre les résultats de l’essai et la manifestation de l’érosion dans la nature. Le dispositif est présenté sur la Figure I.35.

Cette méthode d’essai est à l’origine des nombreux essais d’érosion de conduite, présentés précédemment. En revanche, les résultats obtenus sont uniquement d’ordre qualitatif. Les mesures se basent sur la teinte de l’effluent prélevé au cours de l’essai. Il s’agit de former, à l’aide d’une aiguille de 1 mm d’épaisseur, un canal dans un échantillon d’argile, compacté à 95% de l’optimum Proctor (ASTM D1557 2009e1), et d’exercer différentes pressions d’eau à l’intérieur du canal pour simuler des écoulements internes. A la sortie du dispositif, la teinte de l’eau prélevée et le débit de sortie sont analysés. La taille du canal en fin d’essai est également mesurée. Ces données permettront de déterminer la dispersivité du sol selon la classification proposée dans la norme.

Figure I.35 – Schéma du dispositif expérimental du « Pinhole Test » (d’après ASTM D4647 2006e1).

Cette méthode présente cependant quelques limitations : la difficulté d’interprétation des résultats repose sur la difficulté d’évaluation de la section exacte du trou pendant l’essai, la couleur de l’eau à la sortie de l’essai est appréciée à l’œil nu par l’opérateur de manière qualitative et subjective. Ainsi, cette méthode n’offre pas la possibilité de caractériser l’évolution du phénomène.

6 Conclusions

L’érosion est la cause principale de la rupture d’ouvrages hydrauliques comme les digues et les barrages en terre. Elle touche également les remblais d’infrastructure de transport et les fondations de piles de ponts. Par conséquent, il est indispensable de caractériser la sensibilité des matériaux à l’érosion. Les phénomènes généralement rassemblés sous le nom d’érosion sont complexes et dépendent de plusieurs paramètres : hydrauliques, physico-chimiques, géotechniques etc. Cependant, les études effectuées afin de corréler propriétés physiques et résistance mécanique des matériaux à leur sensibilité à l’érosion ont démontré qu’il existe une très faible corrélation entre les paramètres classiques et l’érodabilité du sol. Il est ainsi nécessaire de caractériser les différents aspects des processus érosifs au travers d’essais

II. Chapitre 2. Caractérisation de l’érosion d’interface à

l’intérieur d’un massif de sol par l’essai d’érosion de trou

(HET)

L’essai d’érosion de trou « Hole Erosion Test (HET) » reproduit l’érosion autour d’un chemin d’écoulement initialement formé à l’intérieur de la masse de sol. Ceci se traduit par l’érosion d’un trou à l’intérieur d’une éprouvette de sol hydrauliquement sollicité par un écoulement généralement turbulent. Cet essai permet de trouver des grandeurs caractéristiques de l’érosion, plus particulièrement, dans une configuration interne au voisinage d’une faiblesse (un chemin d’écoulement préférentiel). Ce type d’essai peut être appliqué sur des éprouvettes de sol peu remaniées afin de caractériser la sensibilité des ouvrages face à l’érosion et la résistance de matériaux en place à la propagation des dommages une fois l’érosion initiée.

L’article « Improvement of Hole Erosion Test and Results on Reference Soils », reproduit à la fin de ce chapitre, décrit en détail le protocole d’essai et la méthode d’interprétation. Nous proposons dans ce chapitre de revenir sur le développement de l’appareillage et la réalisation d’essais peu développés dans l’article et de présenter une campagne d’essais croisés avec le « Ex Situ Erosion Test Device ».