Succion dans les sols non saturés

Observant les sols non saturés, la première remarque est que le sol se trouve dans un état tri phasique : la phase solide, la phase liquide et la phase gazeuse, contrairement aux sols saturés où le sol est un matériau bi phasiques eau – solide.

Dans un milieu poreux l'existence conjointe d'une phase gazeuse et d’une phase liquide provoque le développement de ménisques capillaires air – eau. Dans ce cas la pression de l'eau est négative, du fait de la tension gravitaire exercée sur l'eau, ce qui donne des différences significatives par rapport aux sols saturés où la pression interstitielle est positive. Donc on estime que le développement de ménisques capillaires dans la structure du sol, est la caractéristique principale de non saturation (Delage, 1988). La pression négative de l'eau est appelée la succion. La succion indique un déficit de pression de l'eau du sol par rapport à la pression d'air. La valeur de la succion peut varier dans un intervalle très large, entre 0 et plusieurs centaines de MPa et on peut distinguer différentes composantes de la succion. 1.3.1.1 Définition de la succion

« La succion dans les sols a été définie en géotechnique en 1965, dans un contexte thermodynamique, comme une énergie potentielle comparable à la charge hydraulique dans les sols saturés. Pour amener, à l'altitude constante, de l'eau libre de l'infini jusqu'au sol non saturé, il faut fournir une énergie pour résister à l'attraction exercée ; il s'ensuit, par définition, que la valeur du potentiel capillaire ou matriciel est négative. Ce potentiel est égal

à "la quantité de travail par unité de volume d'eau pure, nécessaire pour transporter de façon réversible, isotherme, à l'altitude constante et à la pression atmosphérique, une quantité infinitésimale d'eau depuis un état d'eau pure loin du sol, à celui d'eau interstitielle dans le sol non saturé". » (d’après Delage & Cui 2000).

Les différentes composantes du potentiel de l'eau d'un sol non saturé comprennent, comme pour la charge hydraulique des sols saturés, les potentiels de pression externe (sp), gravitaire (sg), les termes de potentiels capillaire et d'adsorption (dont la somme forme le potentiel matriciel (sm)), et le potentiel osmotique (so). On a par definition :

s = sp + sg + sm + so (I – 13)

On peut exprimer la succion soit en unité de pression soit en hauteur d'eau. Dans cette étude on a gardé le même symbole s pour la succion.

On peut exprimer en conditions atmosphériques une autre définition de la succion totale à partir cette fois de la thermodynamique en utilisant l’expression donnée par la loi de Kelvin qui définit la relation entre la pression de vapeur d'eau de la phase gazeuse Pv au voisinage du ménisque eau – air et la succion :

) ln( gM RT = vs v P P s (I – 14) Où :

s : la succion totale (kPa)

R : la constante des gaz parfaits(R= 8,3143 J/mol°K) T : la température absolue (°K)

M : la masse molaire de l'eau (M=18,016 g/mol) g : l'accélération de la pesanteur (g= 9,81 m/s2₎

Pvs : la pression de vapeur saturante à la température T (kPa) Pv : la pression partielle de vapeur (kPa)

Cette relation montre que la température est un des facteurs qui contrôlent le comportement des sols non saturés. On remarque que la relation entre l'humidité ambiante et la succion correspondante est indépendante du sol.

1.3.1.1.1 Succion matricielle

On observe le phénomène de tension de surface au moment du contact entre l'eau et l'air, du à l'action des forces intermoléculaires, sur les molécules d'eau à l'interface air – eau. Une molécule d'eau à l'interface air – eau est soumise à une force résultante non nulle dirigée vers l’intérieur du liquide (Figure I - 15), car la molécule d’eau est attirée par les molécules de sa propre phase par une force plus grande que celles qui l'attirent vers l'air ; en contrepartie afin de maintenir un équilibre, l'interface génère une tension de surface sur sa longueur. Cette tension agit tangentiellement à la surface et sa grandeur est une fonction de la température (Fredlund & Rahardjo 1993).

Figure I - 15. Tension de surface a) Forces intermoléculaires sur l'interface et dans l'eau; b) Pressions et tension de surface agissant à l'interface (Fredlund & Rahardjo, 1993)

La propriété de tension de surface permet donc d'expliquer le phénomène d'ascension capillaire. Le mécanisme est généralement représenté par le schéma de la Figure I - 16, décrivant la remontée de l'eau dans un tube de rayon r petit. Dans l'hypothèse de pores cylindriques, la loi de Jurin donne la relation entre le rayon du ménisque dans le tube et la différence de pression entre les phases gazeuses et aqueuses (ou la succion matricielle) :

Figure I - 16. Remontée capillaire dans un tube, (Delage et Cui, 2000)

r cos 2 = u - ua w θ σ_s (I – 15)

Où :

ua, uw : respectivement les pressions de la phase gazeuse et de la phase aqueuse σs : la tension de surface eau – air qui vaut 0,073N/m pour l'eau

r : le rayon du tube

θ : l'angle de raccordement entre le ménisque et le solide qui est pris souvent égal à zéro pour l'eau

Cette relation montre que plus le rayon de courbure est petit, plus la pression capillaire (ou succion) est élevée.

1.3.1.1.2 Succion d’adsorption

Dans les sols fins non saturés, contrairement aux sols grenus, l'action d'attraction de l'eau par le sol n'est pas seulement due à la capillarité, mais aussi aux actions d'adsorption physico – chimique. Pour les sols fins, le terme du potentiel de l'eau correspond à l'action combinée de la capillarité et de l'adsorption sous le terme potentiel matriciel.

1.3.1.1.3 Succion osmotique

Dans le cas de l'eau interstitielle contenant du sel, il peut exister également un potentiel osmotique dû à la tendance des ions à s'hydrater et à l'existence de différences de concentration entre différents points du sol. En géotechnique elle n'est en général pas pris en compte, car son influence serait négligeable (Fredlund & Rahardjo 1993 ; Delage 1999).