Ressemblances et différences morphologiques

Les caractéristiques d’une interface d’étanchéité composite ont été présentées dans le premier chapitre. Nous avons vu que l’interface est comprise entre une surface supérieure constituée par la géomembrane et une surface inférieure correspondant à la surface du sol argileux compacté. Il s’agit donc d’un vide, d’une discontinuité, délimitée par deux surfaces non-planes.

Une fracture rocheuse est définie comme l’espace vide créé par la rupture mécanique d’un bloc ou d’un massif rocheux. La dimension d’une fracture peut être d’échelle microscopique comme macroscopique. Cependant, dans les travaux bibliographiques présentés dans ce chapitre, les fractures dont il est question sont d’ouverture infra- millimétriques. La fracture est matériellement composée de deux surfaces qui peuvent être partiellement en contact ou ne pas se toucher. Les deux surfaces délimitant la fracture sont appelées lèvres ou épontes lorsqu’elles sont considérées en une dimension et parois ou surfaces en 2 ou 3 dimensions. En raison de la genèse mécanique de la fracture dans le milieu naturel, il est justifié de considérer que les parois de la fracture ne seront jamais des surfaces planes.

Nous allons étudier par la suite les différences et les analogies entre une interface d’étanchéité composite et un plan de fracture.

2.1.1 Différences entre interface et plans de fracture

La première différence notable entre une interface et une fracture rocheuse réside dans la nature des matériaux formant les limites physiques des discontinuités : la fracture rocheuse possède des parois de topographie semblables, voir identiques, formées dans le même matériau alors que les limites de l’interface sont très distinctes. Dove (1996) a analysé la rugosité de géomembranes PEHD et a mesuré un relief maximal de 1,6 µm, ce qui correspond à de la micro-topographie. Par conséquent, la géomembrane formant la limite supérieure d’une interface peut être considérée parfaitement lisse à l’échelle décimétrique ou métrique, les seuls facteurs affectant sa planéité étant les ondulations liées à la flexibilité du matériau et la présence de plis liés à la pose (cf. Figure I-11).

A la limite inférieure de l’interface, les irrégularités de la surface du sol existent à plusieurs échelles. A échelle réduite, inférieure au millimètre, la non-planéité de la surface de l’argile compactée est liée à la composition et à la granulométrie du sol. A l’échelle macroscopique, les irrégularités de la surface sont dues aux traces des engins de compactage et des engins de chantier qui ont circulé sur la surface de la barrière minérale. Ceux-ci ont laissé localement des traces caractéristiques sur la surface, correspondant à des marques de chenilles ou de pneumatiques, organisées et périodiques.

Chapitre III – Modélisation des écoulements dans les interfaces non-uniformes

d

c

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Figure III-1 : Photographies d’états de surfaces de barrières minérales juste avant la pose des géosynthétiques (clichés F.Cartaud)

De nombreuses visites de chantier d’installation de systèmes d’étanchéité ont permis d’observer des états de surface de barrières d’argile compactées, tels que ceux présentés sur les Figures III-1 et III-2. Nous avons constaté qu’invariablement la surface d’une barrière en fond de casier d’ISD présentait des hétérogénéités au moins sur une partie de sa superficie. En effet, la surface laissée par le compacteur à la fermeture de la couche ne peut pas être parfaitement plane, ne serait-ce qu’en raison du matériau compacté lui-même. La photographie de la figure III-1-a montre par exemple une barrière minérale de très bonne qualité de compactage, de surface assez plane, mais sur laquelle on observe par endroits (Figure III-1-b) des zones d’orniérage assez important. Le site correspondant à la figure III-1- c possède lui aussi un état de surface de barrière minérale marqué, avec des traces d'engin à chenilles (détail III-1-d) Sur d’autres sites, les marques créées par la circulation d’engins affectent l’intégralité de la surface de la barrière, comme le montrent les figures III-2-d et f.

Chapitre III – Modélisation des écoulements dans les interfaces non-uniformes

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Figure III-2 : Photographies d’états de surfaces de barrières minérales juste avant la pose des géosynthétiques (clichés F.Cartaud)

Chapitre III – Modélisation des écoulements dans les interfaces non-uniformes

Les états de barrières que nous avons relevés sur sites peuvent être classés selon deux catégories :

• Les zones marquées par la circulation d’engins de chantier. Il s’agit en général des traces de pneus de l’essieu arrière du compacteur, qui laissent sur le sol des marques en forme de losange de faible profondeur (Figure III-2-c). On relève ensuite les traces de véhicule de levage (Figure III-2-e) ou les traces de chenilles de pelle mécanique. Les raisons de la circulation d’engins après la fermeture de la barrière sont généralement dues à l’acheminement des matériaux géosynthétiques (géomembrane, géotextile, géosynthétique bentonitique) sur la zone de pose, trop lourds pour être transportés sans un engin. La profondeur du marquage lors du passage est liée à la plasticité du matériau argileux. Sur les chantiers visités, le marquage reste limité à quelques centimètres de profondeur généralement.

• Les zones non marquées par les engins, qui présentent une qualité variable : l’état de surface est compris dans une gamme allant d’une grande qualité (cf. figure III-2-b), très plane et très lisse (la rugosité du sol est alors liée à la granularité de l’argile et à sa pureté) à une faible qualité (cf. figure III-2-a), avec des zones de dépression par arrachement et la présence d’éléments granulaires argileux ou allochtones à la surface de la barrière.

La proportion des zones marquées et non marquées par les engins est extrêmement variable et ne peut être établie arbitrairement, elle peut représenter un faible pourcentage de la surface du casier sur certains sites comme plus de la moitié de la surface pour d’autres. Cependant, les zones marquées sont présentes sur tous les fonds de casier d’ISD visités, quelle que soit l’argile utilisée en étanchéité, et constituent donc une sorte de « dénominateur commun » à tous les états de surfaces de barrière passive.

Dans ce sens, ces zones marquées semblent constituer la source de non-uniformité typique d’une barrière minérale compactée en fond de casier d’ISD.

Les deux limites de l’interface sont donc de nature très différente en comparaison des limites d’une fracture en milieu rocheux.

Une seconde différence indéniable existe entre fracture rocheuse et interface d’étanchéité composite : un plan de fracture peut présenter des degrés divers de contact, suivant la pression de confinement tendant à rapprocher les deux parois. Lorsque les forces extérieures à la fracture opèrent en traction, il peut n’y avoir aucun contact entre les parois. Or ce cas ne peut pas exister dans le cas des interfaces d’étanchéité composite. En effet, le poids de la géomembrane puis des matériaux empilés au-dessus font que la surface de contact entre le sol argileux et la géomembrane est nécessairement importante.

Les différences énoncées n’interdisent pas conceptuellement l’emploi des outils mis au point pour les milieux fracturés dans le cas des écoulements d’interface. Cependant, nous allons voir que certains modèles de transport dans les fractures ne pourront pas être envisagés car ils sont développés à partir des propriétés auto-affines ou même fractales d’une fracture naturelle, qu’une interface de dispositif d’étanchéité composite ne possède pas.

Chapitre III – Modélisation des écoulements dans les interfaces non-uniformes

2.1.2 Analogies entre interface et plans de fracture

Les similarités entre une fracture et une interface résident (1) dans la complexité de la géométrie de l’espace, même si elles ne possèdent pas des propriétés identiques, et (2) dans la nature de l’écoulement de fluide qui y a lieu. L’emploi des modèles développés pour simuler numériquement les écoulements dans les fractures est surtout basé sur les analogies physiques entre l’écoulement dans une fracture et une interface, qui sont illustrées dans le paragraphe