Mesures directes de la conductivité hydraulique saturée 1. Méthodes en laboratoire

La mesure de ks des sols granulaires peut être effectuée en laboratoire et in situ. Les essais en laboratoire sont principalement utilisés pour des raisons de simplicité et de rapidité de mise en œuvre, maitrise des conditions expérimentales et aussi pour des raisons économiques. In situ, les conditions de saturation sont difficiles à assurer pour déterminer la conductivité hydraulique (les sols sont souvent non saturés).

Partie II – Chapitre 2 : Estimation de la conductivité hydraulique saturée

Il y a deux façons de réaliser la mesure de k_s en laboratoire :

1. En maintenant une charge constante pour atteindre un régime permanent ; c’est la méthode la plus employée dont le schéma de fonctionnement se rapproche de l’essai Darcy, ce type de méthode ayant été adopté par de nombreux pays avec quelques variantes [Cho05].

2. En régime variable en établissant une charge qui va varier au cours du temps.

Ces deux techniques de mesure ont donné naissance à des méthodes couramment utilisées et que l’on trouve dans la littérature sous des appellations telles que :

- La méthode du perméamètre cylindrique à paroi rigide ou méthode du cylindre qui est la plus fréquemment utilisée avec des sols remaniés et non remaniés [Cho05]. - La méthode de Vergière qui correspond à un type de perméamètre à charge

constante, de grande dimension, et qui est principalement utilisée par les agronomes pour la détermination des caractéristiques hydrodynamiques pour le drainage agricole et aussi pour la circulation de l’eau et des solutés [Cho05].

- La méthode triaxiale, qui est utilisée principalement par les géotechniciens. Son intérêt réside dans le fait qu’il est possible avec un appareil triaxial de modifier les contraintes imposées à l’échantillon aussi bien horizontalement que verticalement durant l’essai de conductivité hydraulique.

- La méthode par centrifugation à charge constante et à charge variable introduite aux Etats Unis par Nimmo et al [Nim87].

Notre étude expérimentale s’appuie principalement sur l’utilisation du perméamètre cylindrique type Darcy (norme [PR NF X30-441]) et sur un test d’infiltration proposé par « Grant » Lie00] qui a été développé principalement pour mesurer la conductivité hydraulique des sables de filtration. La méthode de Darcy, très classique, est présentée annexe 2, celle de Grant, moins connue, est présentée ci-après.

Test d’infiltration de Grant

La version du test retenue dans notre étude est celle inspirée par le bureau d’étude SINT (Société d’Ingénierie Nature et Technique). Ce test reprend le principe du test utilisé par Grant [Lie00] au Royaume-Uni où les Britanniques sont également confrontés au problème de choix de sables pour des lits à macrophytes. Le mode opératoire suivi est similaire à celui de Grant mais le matériel utilisé est légèrement différent, il est décrit à la Figure 18.

Partie II – Chapitre 2 : Estimation de la conductivité hydraulique saturée

Figure 18 : Test d’infiltration de Grant

Le sable à tester est mis en place sur une hauteur de 20 cm dans une colonne cylindrique de 10 cm de diamètre et de 30 cm de hauteur. Cette mise en place est réalisée par couches de 1 à 6 cm qui sont progressivement imbibées d’eau, sans perturber la surface et en évitant une ségrégation entre les grains de différentes tailles, afin que le sable se tasse uniformément sur toute la hauteur. La hauteur exacte de sable introduit « Hs exp » (en mm) est mesurée précisément a posteriori. Deux membranes perméables sont posées au fond et en surface de la colonne afin d’éviter l’entrainement du sable par le bas et de creuser la surface de l’échantillon en haut.

Le sable est ensuite inondé pendant une dizaine de minutes par plusieurs apports d’eau claire non mesurés afin que le sable soit complètement saturé et stable sur toute la hauteur. Cinq essais sont ensuite conduits en enregistrant les temps d’infiltration d’un volume d’eau de 500 ml ; leur moyenne (texp en s) représente le temps d’infiltration caractéristique du sable. Ce test nous permet donc d’étudier l’écoulement à charge variable dans la colonne.

Ce test d’infiltration nous permet de déterminer la conductivité hydraulique à saturation à travers la mesure d’un temps appelé temps de Grant « tg ». Le calcul de ks est réalisé par la loi de Darcy en transposant les conditions expérimentales (dimensions de la colonne) à celles de Grant [Gue00].

L’équation 10 permet de calculer ks avec un dispositif qui n’est pas strictement identique à celui décrit par Grant :

exp exp exp exp exp ln , t H D V H t k ^s s g s         + ⋅ ⋅ = = ^⋅ ⋅ ¹ 4 0553 0 π ² Équation 10 tg : temps de Grant en (s),

Hs exp : hauteur de la couche de sable mesurée expérimentalement (m), V_exp : volume d’eau versé mesuré expérimentalement (m³),

20 cm de sable Disques éponge à récurer

500 ml d’eau claire

Colonne transparente

Partie II – Chapitre 2 : Estimation de la conductivité hydraulique saturée

t_exp : temps de passage du volume V_exp mesuré expérimentalement en (s), Dexp : diamètre intérieur de la colonne mesuré expérimentalement en (m).

Grant et al [Lie00] ont utilisé le temps tg pour étudier plusieurs sables afin de proposer une gamme de sables adaptés à la filtration des eaux usées. Ces travaux ont permis de définir des seuils de t_g de 50 et 150 secondes représentant k_s compris entre 3,7×10^-4 et 1,1×10^-3 (m/s). Les auteurs soulignent aussi que l’utilisation de sables présentant des valeurs d’infiltration en limite du domaine de définition ci-dessus est plus risquée.

Ce test d’infiltration présente l’avantage de permettre la connaissance sur site de ks d’un matériau de filtration avant sa mise en place dans la fouille. Il est réalisé avec un matériel très simple et un coût négligeable. Par contre, ce test n’a pas été validé par des travaux de recherche approfondis ; il a été simplement utilisé comme essai dans plusieurs travaux, sans que les auteurs posent la question de la validité du protocole et des hypothèses de calcul de k_s.

Dès la première lecture du protocole et des hypothèses de ce test, il apparait que l’hypothèse de saturation de l’échantillon est peu réaliste à cause de la discontinuité de l’apport en eau (bâchée). Dans le paragraphe 2.3 de ce chapitre 2, nous discuterons des limites de ce test et remettrons en question la validité des seuils de ks définis par Grant.

2.2.3.2. Méthodes in situ

La plupart des méthodes de mesure in situ de ks sont anciennes. La tendance actuelle est seulement d’adapter ces anciennes méthodes ou de les mettre en œuvre grâce à des moyens électroniques et informatiques.

Les mesures de la conductivité hydraulique in situ se font pratiquement toujours par injection ou par pompage d’eau dans le sol. Les deux essais les plus employés sont l’essai ponctuel de type Lugeon (norme NF P94-131) utilisé pour les roches et Lefranc (norme NF P94-132) utilisé pour les sols. D’autres essais (cités par [Cho05]) existent également mais ne font pas l’objet d’une norme française ; il s’agit entre autres des méthodes du trou de tarière, du piézomètre, du piézomètre cône perméamètre, du tube crépiné, des puits multiples…

Le lien entre toutes ces méthodes est qu’elles sont réalisées à partir d’un forage de quelques centimètres à quelques décimètres de diamètre qui doit être poursuivi bien au-dessous du niveau de la nappe. Les méthodes employées dans le cadre de la reconnaissance géotechnique sont réalisées sur les nappes dites superficielles (entre la surface du sol et une dizaine de mètres de profondeur).

On peut classer ces diverses méthodes selon la nature de la charge hydraulique qui peut être :

1. Variable : dans ce cas, la charge va évoluer pendant la mesure, les méthodes qui correspondent à ce type d’essai étant dénommées hydrodynamiques.

2. Constante : dans ce cas, le niveau de charge est maintenu constant durant la mesure ; on parle alors de mesure hydrostatique.

Partie II – Chapitre 2 : Estimation de la conductivité hydraulique saturée

Lorsqu’il s’agit d’une injection d’eau, on observe soit le régime transitoire, soit le régime permanent de l’injection pour en déduire la conductivité hydraulique apparente du terrain au point de mesure.