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Relation entre la capacité de débit dans le plan et
l’épaisseur à long terme des géotextiles
J. Diab
To cite this version:
J. Diab. Relation entre la capacité de débit dans le plan et l’épaisseur à long terme des géotextiles. Sciences de l’environnement. 2010. �hal-02595011�
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI
Conservatoire National des Arts et Métiers
Mémoire de Master en première année
de sciences et technologies
Mention : Sciences de l'univers, environnement, écologie
Parcours : Géosciences – Géomatériaux
Relation entre la capacité de débit
dans le plan et l'épaisseur à long
terme des géotextiles
Présenté et soutenu par
DIAB Jad
Responsables de stage
Roland Gallo,
Nathalie Touze-Foltz
Année universitaire 2009-2010
CemOA : archive ouverte d'Irstea / CemagrefUniversité Pierre et Marie Curie - Paris VI
Conservatoire National des Arts et Métiers
Mémoire de Master en première année
de sciences et technologies
Mention : Sciences de l'univers, environnement, écologie
Parcours : Géosciences – Géomatériaux
Relation entre la capacité de débit
dans le plan et l'épaisseur à long
terme des géotextiles
Présenté et soutenu par
DIAB Jad
Responsables de stage
Roland Gallo,
Nathalie Touze-Foltz
Année universitaire 2009-2010
CemOA : archive ouverte d'Irstea / CemagrefRemerciements
Je tiens tout d’abord à remercier Mme Cécile LOUMAGNE, chef de l’unité de recherche hydrosystèmes et bioprocédés au Cemagref d’Antony (HBAN), pour m’avoir accueilli au sein de son unité et avoir fait en sorte que ce travail puisse se réaliser dans les meilleures conditions.
Je remercie tout particulièrement Madame Nathalie TOUZE-FOLTZ, conseillère scientifique, et Monsieur Roland GALLO, responsable technique du laboratoire géosynthétiques, pour l’encadrement de ce travail, pour l’intérêt et le suivi qu’ils y ont apporté, pour leur disponibilité et pour les nombreux conseils qu’ils ont su me prodiguer.
J’adresse ensuite mes remerciements à M. Christian DUQUENNOI, chef de l'équipe technologie et impact de stockage des déchets, pour le partage de son bureau ainsi que l’attention qu’il a apporté dans la préparation et le suivi de ce travail.
Je remercie Didier Croissant et Alain Thomas, chargés d'essais ainsi que toute l'équipe du laboratoire géosynthétiques, pour leur disponibilité, leur professionnalisme et surtout pour leur bonne humeur permanente.
Je tiens également à remercier le producteur de géomembrane Siplast Icopal pour la visite guidée de leur usine fortement enrichissante.
J'ai aussi des pensées affectueuses pour Guillaume, Anne-Charlotte, Gregory, Nolwenn et toutes les personnes avec qui j'ai passé ces 2 mois et demi, pour la bonne ambiance quotidienne et les moments de détente.
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Relation entre la capacité de débit dans le plan et l'épaisseur
à long terme des géotextiles
Jad DIAB
Université Pierre et Marie Curie – Master SDUEE – Géologie Géotechnique - Juin 2010 -
- Résumé -
Depuis l'apparition des géotextiles dans les années soixante, le nombre et la variété des produits ne cessent d'augmenter. Face à cette diversité de l'offre, il s'avère indispensable de réaliser une certification des géotextiles, assurée par l'ASQUAL, afin de promouvoir la qualité des produits. Le laboratoire d'essai Géosynthétiques du Cemagref d'Antony fait partie des quatre laboratoires COFRAC de l'ASQUAL.
Cette certification repose sur l'analyse d'échantillons selon plusieurs essais, parmi lesquels, les essais d'identification (masse surfacique et épaisseur), les essais hydrauliques (perméabilité à l'eau, ouverture de filtration, capacité de débit dans le plan) et les essais mécaniques (traction, perforation dynamique, poinçonnement et fluage en compression).
Les géotextiles assurent essentiellement cinq fonctions : la filtration, la séparation, le renforcement, la protection et le drainage/filtration. Ce mémoire traitera uniquement de la fonction drainante des géotextiles, plus précisément, la notion de performance à long terme. Cette notion permet de remplacer lors des calculs de dimensionnement, les coefficients de sécurité empiriques par des coefficients partiels déduits d'essais de laboratoire. La procédure serait de définir la relation entre la diminution de l'épaisseur sous une contrainte constante (fluage en compression) et la capacité de débit dans le plan, accompagnée d'une étude sur l'extrapolation afin de prévoir le comportement à long termes des produits utilisés.
Les essais d'épaisseur après fluage en compression étant extrêmement long, les échantillons sélectionnés constituent une gamme de produit traité entre 2005 et 2009 qui représente une base de travail pour les essais de mesure d'épaisseur ainsi que les essais de capacité de débit dans le plan.
Mots-clés
– Géotextile – Capacité de débit dans le plan – Drainage – Fluage en compression –
Cemagref Groupement d’Antony
Parc de Tourvoie BP44 – 92163 Antony Cedex Travaux encadrés par M. Rolland GALLO
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Relation between water flow capacity in the plane and
thickness on the long term for geotextils
Jad DIAB
University of Pierre et Marie Curie – Master SDUEE – Geology Geotechnics - June 2010 -
- Abstract -
Since the appearance of geotextiles in the sixties, their number and variety kept rising and growing. As a response to this diversity, it became essential to make a certification, guaranteed by ASQUAL, in order to promote the quality of products. The geosynthetic tests laboratory of Cemagref is one of the four COFRAC laboratories from ASQUAL.
This certification is based on the analysis of several samples, among which identification test (surface mass, thickness), hydraulic tests (permeability, filtration opening, and water flow capacity in the plane) and mechanical tests (traction, dynamic perforations, stamping, compressive creep).
Geotextiles ensure mainly five functions: filtration, separation, reinforcement, protection and drainage/filtration. This dissertation will only deal with the drainage function of geotextiles, and more deeply, their long term performance. This notion allows replacing, during the designing calculation process, the empiric security coefficient by partial coefficient deduced from laboratory tests. The process consists of finding a relationship between thickness reduction under constant stress (compressive creep) and water flow capacity in the plane, followed by a study on possible extrapolation with a view to forecast the long term behavior of tested products.
Considering that compressive creep tests are extremely long, tested products have been chosen on a basis of existing data (between 2005 and 2009) representing an important range of products for thickness tests and in plane flow capacity tests.
Keywords
– Geotextiles – Water flow capacity in the plane – Drainage – Compressive creep –
Cemagref Antony Group
Parc de Tourvoie BP44 – 92163 Antony Cedex Work supervised by M. Rolland GALLO
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Sommaire
I. Introduction ...- 7 -
II. Présentation du Cemagref ...- 8 -
III. Description des essais...- 9 -
III.1 Essai de fluage en compression...- 9 -
III.2 Essai de mesure d'épaisseur...- 10 -
III.3 Essai de capacité de débit dans le plan...- 11 -
IV. Résultats obtenus...- 12 -
IV.1 Extrapolation ...- 12 -
IV.2 Essai de mesure d'épaisseur...- 16 -
IV.3 Essai de capacité de débit dans le plan...- 16 -
V. Conclusion...- 19 - CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Liste des figures
Figure 1 : Banc d'essai de mesure de fluage en compression………....…- 9 - Figure 2 : Appareil de mesure d'épaisseur à pression spécifiée…...………..…...- 10 - Figure 3 : Banc d'essai de capacité de débit dans le plan……….……- 11 - Figure 4 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 1008 heures (42 jours) - 13 - Figure 5 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 1008 heures (42 jours), avec une courbe de tendance logarithmique de 4 minutes à 42 jours (la partie grisée représente la compression et non le fluage ...- 14 - Figure 6 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 168 heures (7 jours), avec une courbe de tendance logarithmique de 4 minutes à 7 jours (les parties grisées ne sont prises en compte) ...- 14 - Figure 7 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 168 heures (7 jours) jusqu'à 1008 heures (42 jours) par extrapolation...- 15 - Figure 9 : Abaque de la capacité de débit dans le plan sous 20kPa en fonction du temps pour une épaisseur comprise entre 3 et 5,5 mm...- 18 -
Liste des tableaux
Tableau 1 : Résultat d'extrapolation des valeurs mesurées de 168 heures (7 jours) à
1008heures (42 jours)... 15
-Liste des abréviations
ASQUAL : ASsociation pour la promotion de la QUALité de la filière habillement textile. COFRAC : COmité FRançais d'ACcréditation.
AFNOR : Association Française pour la NORmalisation.
EPST : Etablissements Publics à caractère Scientifique et Technique. HBAN : Hydrosystèmes et Bioprocédés d'ANtony.
GPAN : Génie des Procédés frigorifiques d'ANtony.
TSAN : Technologies pour la Sécurité et les performances des agroéquipements d'ANtony.
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I. Introduction
Les géotextiles sont des matériaux textiles composés de fibres synthétiques se présentant sous la forme de nappes perméables à l'eau et aux gaz, souples, résistantes et filtrantes, utilisés dans les domaines de la géotechnique et du génie civil. Ils sont mis en contact avec le sol ou d'autres matériaux de construction.
Ils sont classés selon leur fonction et leur mode de fabrication (le type de polymère (constitué essentiellement du polypropylène ou du polyester), le type de fibre et le mode d'assemblage). Au cours de mon stage, je me suis intéressé uniquement aux géotextiles non-tissés aiguilletés, qui remplissent la fonction de drainage/filtration.
Les géotextiles employés dans les Installations de Stockage des Déchets (ISD) doivent répondre à certains critères pour assurer la filtration et le drainage du lixiviats. En effet, les géotextiles installés au fond des ISD sont soumis à de fortes contraintes mécaniques liées à la pression exercée par la colonne de déchets, certaines décharges peuvent dépasser 50m de hauteur (soit environ 500 kPa). Dans ce cas de figure, deux caractéristiques essentielles sont mises en jeu : La diminution de l'épaisseur du géotextile par fluage en compression ainsi que la diminution des propriétés hydrauliques à long terme caractérisée par la capacité de débit dans le plan. Le dimensionnement de ces deux points constitue un aspect fondamental à considérer, et constitue l'objet de mon mémoire.
Les essais ont été réalisés au laboratoire du Cemagref d'Antony (92). On consacre dans la suite une première partie à la présentation du Cemagref, pour présenter les différentes recherches, ainsi que le domaine auquel je suis relié.
Cette présentation sera suivie par une deuxième partie sur la description des différents essais réalisés et/ou utilisés pour résoudre notre problématique. Je commencerai par l'essai de fluage en compression qui permet de quantifier la diminution en fonction du temps de l'épaisseur d'un matériau soumis à une charge de compression constante. Ensuite, je décrirai l'essai de mesure d'épaisseur, qui permet dans le cadre de ce stage de déterminer les contraintes représentatives des différentes épaisseurs après fluage en compression. Je finirai cette partie par l'essai de capacité de débit dans leur plan qui représente le débit volumétrique d'eau et/ou d'autres liquides, dans le plan d'un produit, par unité de largeur d'éprouvette, pour des gradients définis. Le gradient hydraulique exprimé sera constant et aura une valeur de 1, raison pour laquelle nous pourrons utiliser aussi le terme de transmissivité au lieu de capacité de débit dans le plan.
Enfin, je consacrerai une troisième partie à la présentation de l'interprétation des résultats obtenus. Les premiers résultats découlent d'une étude d'extrapolation réalisée sur de nombreux essais de fluage en compression accompagnée d'une étude statistique pour réduire la durée des essais de fluage en compression de 1008 heures (42jours) à 196 heures (7 jours). Ensuite, j'expliquerai le principe de dépouillement de l'essai de mesures d'épaisseur, afin de montrer comment calculer les valeurs de contraintes relatives aux différentes épaisseurs de fluage. Ces valeurs seront utilisées pour compléter l'essai de capacité de débit dans le plan et ainsi mesurer les propriétés hydrauliques d'un géotextile en fonction de la contrainte appliquée. L'interprétation de ces résultats mènera vers une corrélation entre la capacité de débit dans le plan et le temps puis à des extrapolations de la capacité de débit dans le plan sur 30 ans, pour prévoir le comportement du géotextile à long terme.
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II. Présentation du Cemagref
Le Cemagref d'Antony (92) crée en 1981est un institut public de recherche finalisée sur des enjeux liés au développement durable. Il représente un des neuf Etablissements Publics à caractère Scientifique et Technique (EPST). Ses travaux portent essentiellement sur les systèmes environnementaux continentaux dans la perspective de la gestion durable des eaux et des territoires ainsi que l'écotechnologie. Les innovations et les méthodes technologiques constituent une aide à la décision et la gestion des milieux naturels et des systèmes de production associés.
Le Cemagref est placé sous la double tutelle des ministères chargés de la recherche et de l'agriculture. Son budget annuel est de 103 M€ et les recettes provenant des contrats s'élèvent à 25,6 M€. Il emploie environ 1400 personnes dont plus de 950 permanents pour moitié chercheurs et ingénieurs. Il accueille plus de 200 doctorants, 40 post-doctorants et chercheurs étrangers, ainsi qu'environ 250 stagiaires de niveau master. De plus, ses recherches ne se limitent pas à la France. En effet, le Cemagref est un membre actif de deux réseaux européens d'organismes de recherche sur l'eau (EURAQUA) et sur l'environnement (PEER).
Les recherches sont organisées en neuf thématiques traitant le cœur des enjeux du développement durable :
- la gestion de l'eau et des services publics associés ; - les risques liés à l'eau ;
- les technologies et procédés de l'eau et des déchets ; - la qualité des systèmes écologiques aquatiques ; - les systèmes écologiques terrestres ;
- l'agriculture multifonctionnelle et les nouvelles ruralités ; - les technologies pour des systèmes agricoles durables ;
- les méthodes pour la recherche sur les systèmes environnementaux ; - les technologies et procédés physiques pour la sûreté des aliments.
Le stage s’intègre dans la thématique "les technologies et procédés de l'eau et des déchets".
Le centre d'Antony regroupe 3 unités de recherche dans les domaines de l'eau (HBAN), du génie frigorifique (GPAN) et des agroéquipements (TSAN).
Au cours de ce stage, j’ai été intégré dans l'unité de recherche "Hydrosystèmes et Bioprocédés" d'ANtony (HBAN). Mon travail s’inscrit dans les activités de recherche sur le fonctionnement des installations de stockage de déchets du point de vue des transferts d'eau et de lixiviats, de l'influence de ces transferts sur l'évolution de déchets et de la gestion durable du risque environnemental associé. J’ai travaillé avec l'équipe du laboratoire de géosynthétiques sous la direction de mon maitre de stage Roland GALLO.
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III. Description des essais
Cette première partie a pour objectif de familiariser le lecteur avec les différents essais normalisés sur lesquels j'ai travaillé dans le cadre de mon stage afin d'étendre les connaissances sur les relations qui relient le fluage en compression et la capacité de débit dans le plan. Je commencerai d'abord par décrire l'essai de fluage en compression. Cet essai étant très long (42 jours), il n'a pas été pratiqué au cours de mon stage. J'ai récupéré les données obtenues pour des essais réalisés sur une gamme de produits entres les années 2005 et 2009. Ensuite, je décrirai l'essai de mesure d'épaisseur qui m'a permis d'exprimer l'évolution de la diminution d'épaisseur due au fluage en contraintes de compression. Enfin, je décrirai l'essai de capacité de débit dans le plan, qui utilise le résultat de l'essai précédent pour déterminer la propriété hydraulique du géotextile testé.
III.1
Essai de fluage en compression
Cet essai permet de déterminer le comportement en compression des produits géosynthétiques selon la norme NF EN ISO 25619 (Afnor, 2009).
Après le mesurage de l'épaisseur initiale de l'éprouvette, sous une contrainte normale de 2 kPa, la même éprouvette est installée dans l'appareillage d'essai de compression.
L'éprouvette de géosynthétique est disposée symétriquement sur une plaque fixe munie d'un plateau supérieur de chargement (voir figure 1).
L'éprouvette est soumise à une combinaison de charge de compression normale et de forces de cisaillement horizontales. Les contraintes horizontales représentent un cinquième des contraintes verticales. La variation d'épaisseur est enregistrée en fonction du temps.
Après l'application de la contrainte requise, une mesure
d'épaisseur est enregistrée aux temps suivants : 1 min, 2 min, 4 min, 15 min, 30 min, 60 min, 2 h, 4 h, 8 h, 24 h, 2 jours, 4 jours, 7 jours, 14 jours, 28 jours, 42 jours.
L'essai est mis à terme au bout de 1008 heures (42 jours), ou lorsque l'épaisseur enregistrée de l'éprouvette est inférieure à 10% de l'épaisseur nominale.
Figure 1 : Banc d'essai de mesure de fluage en compression
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III.2
Essai de mesure d'épaisseur
L'essai de mesure d'épaisseur sous compression simple permet d'obtenir la contrainte équivalente à l'épaisseur du géotextile après 42 jours de fluage en compression. La préparation des échantillons se fait grâce à une presse hydraulique de découpe et d'un emporte-pièce circulaire de diamètre 200mm. Une grande partie des produits étudiés ont été testés en suivant la norme NF EN ISO 1897 (Afnor, 1999) sous une épaisseur initiale de 5 kPa, préalablement à la réalisation de ce stage. Néanmoins toutes les mesures d'épaisseur dans le cadre du stage ont été réalisées conformément à la norme NF EN ISO 9863-1 actuellement en vigueur sous 2 kPa. Les échantillons testés étant hétérogènes, cette mesure d'épaisseur est accompagnée d'une incertitude. Ceci dit, il est important de préciser que l'essai de mesure d'épaisseur sous compression simple ne
tient compte que des contraintes en compression, sans mentionner les contraintes de cisaillement qui peuvent provoquer jusqu'à 40% de déformation supplémentaire (Gallo et Jarousseau, 2004). La contrainte équivalente à l'épaisseur après 42 jours de fluage est donc surestimée, ce qui constitue une importante marge de sécurité.
Par la suite, l'échantillon est placé sous un pied presseur (diamètre de 112,84mm), actionné par un anneau dynamométrique gradué en divisions, qui permet de définir la contrainte à appliquer (voir figure 2). L'éprouvette a une dimension minimale supérieure à 1,75 fois le diamètre de la surface du pied presseur. Les échantillons sont testés sous deux contraintes, égales à 20 et/ou 100 kPa. Cette contrainte augmente toute les 30 secondes de manière progressive par paliers de 10 ou 20 kPa respectivement pour les essais à 20 ou 100 kPa. La variation de l'épaisseur du géotextile est observée grâce à un comparateur numérique. L'essai est terminé lorsque l'épaisseur est inférieure ou égale à l'épaisseur après 42 jours de fluage.
Figure 2 : Appareil de mesure d'épaisseur à pression spécifiée
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III.3
Essai de capacité de débit dans le plan
La capacité de débit dans le plan Q(i,σn) d’un géosynthétique correspond au débit
volumétrique de l’eau par unité de largeur évacué dans le plan du géosynthétique : elle varie avec les conditions d’utilisation du géosynthétique caractérisées par le gradient hydraulique i de l’écoulement, la contrainte de compression σn s’exerçant sur le géosynthétique, et son
mode d’application, et la durée de service requise. Cet essai permet de quantifier l'évolution temporelle de la capacité de débit sous charge hydraulique constante dans le plan du géotextile. Il est réalisé conformément à la norme NF EN ISO 12958 (Afnor, 1999). Les éprouvettes sont découpées dans le sens de production avec un emporte pièce rectangulaire (200x320 mm), ensuite trempées dans l'eau avec un mouillant pour une durée minimum de 12 heures avant de commencer l'essai. L'épaisseur initiale est mesurée (sous 2 kPa) sur trois points du géotextile, afin d'obtenir une valeur moyenne. Il existe deux modes opératoires. Dans le premier cas on utilise de part et d'autre de l'échantillon deux plaques de mousse de 10 mm d'épaisseur chacune permettant de simuler la présence d'un sol sur les deux faces (voir figure 3). Dans le second cas on utilise une plaque de mousse et une plaque rigide permettant de simuler une couche de sol avec un support rigide (ex : support en béton). Afin d'intégrer la compressibilité du produit, le géotextile est placé entre deux plaques de mousse. Le gradient hydraulique est mesuré grâce à deux tubes piézométriques installés en amont et en aval du géotextile. Pour un gradient de i = 1, la distance entre les deux niveaux piézométriques doit être égale à 30 cm ce qui correspond à la longueur du
géotextile testé. Le pied presseur génère la contrainte normale en compression "σn". Etant
donné que l'eau traverse le géotextile continuellement, l'écoulement représente la capacité de débit dans le plan. Ce dernier est quantifié par pesée en mesurant le volume d'eau écoulé en 10 minutes. Trois mesures successives de débit sont réalisées ; leur moyenne est prise comme étant le volume d'eau recueilli.
Le protocole se répète pour les différentes valeurs de contraintes recherchées, représentant l'évolution de l'épaisseur du géotextile dans le temps, l'essai est mis à termes si les valeurs sont inférieures à 0,01 m² s-1. Les contraintes recherchées sont calculées à partir des résultats d'essai de mesure d'épaisseur sous compression équivalente à l'épaisseur mesurée dans l'essai de fluage en compression à 2 min, 4 min, 1 heure, 48 heures, 1008 h, ainsi que celle à 30 ans (calculée par extrapolation).
Figure 3 : Banc d'essai de capacité de débit dans le plan CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
IV. Résultats obtenus
IV.1
Extrapolation
Les essais de fluage en compression étant très longs (la durée de l'essai est de 1008 heures, soit 42 jours), il serait intéressant, pour une gamme de produits définie, de vérifier la possibilité d'une potentielle réduction de la durée de l'essai à 7 jours. Pour cela, il faut étudier l'évolution du fluage dans le temps, dans l'objectif de réaliser des extrapolations et de les comparer aux valeurs mesurées. Si ces valeurs sont similaires, il pourrait être envisageable de diminuer la durée de l'essai pour la gamme de produits définis. C'est ce point qui a été étudié dans le cadre du stage.
La gamme de produits utilisée est constituée de 71 échantillons de géotextiles non tissés aiguilletés, testés entre les années 2005 et 2009. Avant de commencer l'extrapolation une étude sur le coefficient de détermination (R²) est réalisée. Ce coefficient de détermination représente une courbe de tendance de l'évolution du fluage dans le temps suivant une équation logarithmique. Quand celui-ci est proche de 1, cela signifie que la courbe mesurée lors de l'essai respecte l'équation ; il est donc possible de réaliser une extrapolation.
En calculant la moyenne des coefficients de détermination (R²) des 71 échantillons, sur les valeurs de 4 min à 42 jours (voir figure 5), les statistiques donnent une valeur moyenne de R² égal à 0,9925 ± 0,0022 pour un risque d'erreur α=5%. Les valeurs obtenues pour des temps inférieurs à 2 minutes ne sont pas prises en compte car elles représentent la compression et non pas le fluage. Le nombre d'échantillons étant supérieure à 30, on considère que les coefficients de détermination suivent une loi normale de Gauss. L'intervalle de confiance est calculé avec l’équation suivante :
(1) où (2) et (3) + − = n m n m IC εα σˆ ; εα σˆ 1 ² ˆ − × = n n s σ 1 ² 2 − ∑ − ∑ = n n X Xi s CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
Avec :
IC : Intervalle de confiance
m : moyenne des coefficients de détermination
α
ε : 1,96 pour un risque α = 5% σˆ : L'écart type estimé
n : le nombre d'échantillons s² : la variance observé Xi : l'échantillon numéro "i"
L'intervalle de confiance se situe entre [0,9903 ; 0,9946].
Le coefficient de détermination de cette gamme de produits étant strictement supérieure à 0,99, il est donc possible de réaliser une extrapolation.
L'extrapolation se fait en utilisant une courbe de tendance logarithmique par la méthode des moindres carrées sur la courbe des valeurs mesurées de 4 minutes à 7 jours (voir figure 6). Par la suite, l'équation de la courbe de tendance est utilisée pour déterminer les valeurs extrapolées de 7 jours à 42 jours et celles-ci sont comparées aux valeurs mesurées
(voir tableau 1). Un résultat d'essai est joint ci-dessous afin de montrer les différentes étapes réalisées ; on remarque que les valeurs d'extrapolation à 42 jours et les valeurs mesurées sont identiques avec un écart inférieur à 1% (voir tableau 1 et figure 7).
Il serait donc envisageable, pour cette gamme de produits, de réaliser les essais de fluage en compression sur une durée de 7 jours au lieu de 42 jours.
Résultats d'essais
Produit n° 05.060 : Essai de fluage en compression sur géotextile non tissé aiguilleté
Voici ci-dessous un résultat brut d'un essai de fluage en compression après 1008 heures)
Figure 4 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 1008 heures (42 jours)
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Figure 5 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 1008 heures (42 jours), avec une courbe de tendance logarithmique de 4 minutes à 42 jours (la partie grisée représente la compression et
non le fluage
Figure 6 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 168 heures (7 jours), avec une courbe de tendance logarithmique de 4 minutes à 7 jours (les parties grisées ne sont prises en compte)
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Produit n° 05.060 : Résultats de mesure de capacité de débit dans le plan et du calcul par extrapolation
Tableau 1 : Résultat d'extrapolation des valeurs mesurées de 168 heures (7 jours) à 1008heures (42 jours)
Figure 7 : Courbe d'épaisseur en fonction du temps obtenue après 168 heures (7 jours) jusqu'à 1008 heures (42 jours) par extrapolation
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IV.2
Essai de mesure d'épaisseur
L'essai de mesure d'épaisseur est utilisé afin d'obtenir les contraintes équivalentes à l'épaisseur d'un géotextile après 2 minutes, 4 minutes, 30 minutes, 1 heure, 48 heures et 42 jours de fluage en compression. Ces valeurs permettent de déterminer l'évolution temporelle de la contrainte verticale lors d'un fluage en compression. Le nombre d'échantillons étant élevé, j'ai mis en place un algorithme sous tableur Excel (voir annexe 1) qui permet d'automatiser le processus de dépouillement. Le dépouillement consiste à rechercher les bornes supérieures et inférieures de l'épaisseur désignée, ainsi que leurs contraintes respectives, en vue de déterminer la contrainte équivalente à cette épaisseur, par interpolation des valeurs trouvées. Il suffit de rentrer les données pour obtenir les contraintes équivalentes à 2 minutes, 4 minutes, 30 minutes, 1 heure, 48 heures et 42 jours. Ce tableur est accompagné d'un convertisseur précis de divisions graduées sur l'anneau dynamométrique en kPa et vice versa.
IV.3
Essai de capacité de débit dans le plan
Cet essai me permet d'étudier l'impact du fluage en compression d'un géotextile sur sa capacité de débit dans le plan. L'objectif étant de réaliser un abaque qui relie la capacité de débit dans le plan, le temps et l'épaisseur du géotextile, pour les contraintes de 20 et 100 kPa, afin de permettre au géotechnicien d'avoir une idée de la pérennité de la fonction drainante du géotextile.
Les échantillons choisis sont des géotextiles non tissés aiguilletés, qui ont pour fonction le drainage/filtration.
Les contraintes déterminées lors de l'essai de mesure d'épaisseur seront utilisées pour déterminer la capacité de débit dans leur plan des géotextiles après 2 minutes, 4 minutes, 30 minutes, 1 heure, 48 heures et 42 jours de fluage en compression. Sur les 71 échantillons étudiés lors des précédents essais, seuls ceux qui présentent des valeurs pour ces 6 temps seront choisis. En effet, l'essai de capacité de débit dans le plan étant très long, il est impossible de réaliser l'essai sur tous les échantillons. Cela réduit le nombre d'échantillon à 11.
Cela me permet de tracer une courbe de capacité de débit dans le plan en fonction du temps, ainsi que de réaliser une extrapolation en utilisant la méthode des moindre carré des valeurs au-delà de 7 jours jusqu'à 30 ans afin de prédire, si possible le comportement à long terme du produit testé (voir figure 8). La valeur de 30 ans correspond à la durée de surveillance obligatoire des exploitants d'installations de stockage de déchets après la fin de l'exploitation des sites, elle représente donc une durée importante.
Malheureusement, les résultats d'essais de capacité de débit dans le plan de ce type de produits indiquent clairement que leur fonction drainante est très faible ou inexistante. En effet, les débits deviennent rapidement inférieurs à 10-7 m² s-1 qui est considéré comme le seuil de mesurabilité par la norme NF EN ISO 12958 (Afnor, 1999). Par conséquent, je ne dispose que d'un seul résultat (N° de produit : 07.075) sur les 11 produits testés, ce qui m'empêche de réaliser un abaque.
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Produit N° : 07.075
y = 7E-06x-0,034 R2 = 0,9932 y = -2E-07Ln(x) + 6E-06 R2 = 0,9698 0,0E+00 1,0E-06 2,0E-06 3,0E-06 4,0E-06 5,0E-06 6,0E-06 7,0E-06 8,0E-06 9,0E-06 0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00 10000,00 100000,00 1000000,00 Temps (heures) C a p a c it é d e d é b it d a n s l e p la n ( m ² s -1 ) Mesures 2010, 07.075 ; e = 4,51 mm Mesures 2005, 07.075 ; e = 3,87 mm Extrapolation Extrapolation 2005Puissance (Mesures 2010, 07.075 ; e = 4,51 mm) Logarithmique (Mesures 2005, 07.075 ; e = 3,87 mm)
La figure 8 présente le résultat d'essai de capacité de débit dans le plan sur un échantillon du produit n° 07.075. En effet, on observe bien une diminution temporelle de la capacité de débit dans le plan. Une extrapolation a été réalisée sur les valeurs comprises entre 2 minutes et 42 jours. Les valeurs d'extrapolation sont très proches des valeurs mesurées, la différence est de l'ordre de 10-7 m² s-1, ce qui est négligeable. Des essais ont déjà été réalisés en 2007, uniquement 2 produits présentaient des valeurs de capacité de débit dans le plan mesurable. Parmi ces deux produits figurait le n° 07.075 ainsi qu'un autre produit pour lequel on ne dispose plus d'échantillon au laboratoire. Ainsi, j'ai réalisé une comparaison de l'évolution temporelle de la capacité de débit dans le plan sur le produit testé en 2005, dont l'épaisseur moyenne (sur 3 points de l'échantillon) est de 3,87 mm, et du produit que j'ai testé en 2010, dont l'épaisseur moyenne est de 4,51 mm. On remarque sur la figure 8, que la capacité de débit dans le plan de l'échantillon plus épais est plus importante, ce qui est cohérent car un échantillon plus épais contient une porosité et indice des vides plus importants. On remarque aussi que la différence de capacité de débit dans le plan des deux échantillons est plus ou moins constante au cours du temps. Cette démarche pourrait être utilisée sur d'autres échantillons ou encore d'autres produits de la même gamme pour réaliser un abaque reliant la capacité de débit dans le plan à l'épaisseur et le temps, sous une contrainte donné au t0, l'instant initiale (ici 20 kPa). Il serait aussi intéressant de remplacer la mesure
d'épaisseur par une mesure du nombre de constriction suivant la norme XP G 38-030 (mesure le diamètre moyen des fibres) pour vérifier si le diamètre des fibres ou leur homogénéité pourrait influencer la capacité de débit dans le plan.
Il pourrait être intéressant d'étendre le champ d'investigation à d'autres matériaux apparentés aux géotextiles comme les géocomposites de drainage. En effet, en plus de leurs fonctions drainantes, ces produits ont la qualité d'avoir des épaisseurs homogènes, ce qui
Figure 8 : Courbe qui représente l'évolution temporelle de la capacité de débit dans le plan de 2 échantillons du produit n° 07.075 ainsi que l'extrapolation de valeurs mesurées de 1008 heures (42 jours) à 262260 heures (30 ans).
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facilite l'intégration de la notion d'épaisseur dans un abaque. En réalisant de nombreux essais, il serait donc possible de vérifier s'il existe une relation entre l'épaisseur du géocomposite et la capacité de débit dans le plan. Ainsi, il serait envisageable de tracer un abaque de la capacité de débit dans le plan d'une gamme de produit apparenté en fonction du temps, pour différentes épaisseur, sous 20 et 100 kPa. J'ai réalisé un abaque avec des valeurs fictives pour donner une meilleure idée sur la réalisation de l'abaque (voir figure 9). Cet Abaque représente la capacité de débit dans le plan en fonction du temps d'une gamme de produit de produit dont l'épaisseur est comprise entre 3 et 5,5 mm. Les essais sont réalisés sous 20 kPa de fluage en compression. Ainsi, il est possible de prévoir le comportement à long terme des capacités hydrauliques d'un géotextile appartenant à cette gamme de produit.
0,0E+00 2,0E-06 4,0E-06 6,0E-06 8,0E-06 1,0E-05 1,2E-05
1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02 1,0E+03 1,0E+04
Temps (heures) C a p a c it é d e d é b it d a n s l e p la n ( m ² s -1 ) e =5,5 e =5 e =4,5 e =4 e =3,5 e =3
Figure 9 : Abaque de la capacité de débit dans le plan sous 20kPa en fonction du temps pour une épaisseur comprise entre 3 et 5,5 mm 104 103 102 10 1 10-1 10-2 2,0 10-6 0,0 4,0 10-6 6,0 10-6 8,0 10-6 1,0 10-5 1,2 10-5 e = 5,5 e = 5,0 e = 4,5 e = 4,0 e = 3,5 e = 3,0 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref
V. Conclusion
Le fluage des géotextiles sous contrainte de compression constitue un facteur très important qui influence majoritairement la diminution de la capacité de débit dans le plan. Le but de ce stage était principalement d'étudier deux caractéristiques des géotextiles à savoir le fluage en compression et la capacité de débit dans le plan pour la fonction de drainage. Ce travail a été mené dans l'optique de réduire la durée des essais de fluage en compression de 1008 heures (42 jours) à 196 heures (7 jours) et de définir une méthode d'extrapolation de la capacité de débit en fonction du temps pour une période de 30 ans.
L'étude s'est appuyée sur une base de données préexistantes constituée d'un total de 71 essais de fluage en compression/cisaillement à 42 jours réalisés entre 2005 et 2009. Cette étude accompagnée d'une étude statistique a mené vers une proposition de réduction de la durée d'essai de fluage en compression de 42 jours à 7 jours. Les données étudiées ont été utilisées pour réaliser des essais de mesure d'épaisseur sous compression, ce qui a permis d'obtenir les contraintes équivalentes aux épaisseurs mesurées après 2 minutes, 4 minutes, 30 minutes, 1 heure, 48 heures et 42 jours de fluage en compression. Ensuite, j'ai réalisé des algorithmes sur tableur Excel pour accélérer le processus de dépouillement. A partir des données obtenues par ces deux essais, j'ai réalisé un essai de capacité de débit dans le plan sur les 11 produits qui présentent des valeurs pour ces 6 temps. Les résultats de ces essais montrent que la plupart des échantillons testés sur cette gamme de produits deviennent rapidement non conformes aux critères attribués à la fonction de drainage/filtration (débit supérieur ou égal à 10-7 m² s-1 qui est considéré comme le seuil de mesurabilité par la norme NF EN ISO 12958 (Afnor, 1999)). Ainsi, je ne dispose plus que d'un seul résultat, du produit n° 07.075. Un échantillon de ce produit à déjà été testé en 2007. J'ai donc utilisé ces données pour les comparer avec l'échantillon que j'ai testé (légèrement plus épais). Les résultats d'extrapolation de ces deux échantillons se sont révélés très positifs et ont montré des valeurs très proches de la capacité de débit dans le plan mesurée. Une comparaison basée sur l'épaisseur des échantillons montre que l'épaisseur influence la capacité de débit dans le plan. Un produit plus épais présente une porosité plus importante, ainsi il annonce une meilleure capacité de débit dans le plan.
Il reste pour pouvoir étendre ces résultats à réaliser dans la suite, des essais de capacité de débit dans le plan sur plus d'échantillons de la même gamme de produit, pour des épaisseurs différentes, ainsi qu'accompagner cette étude par des mesures de constrictions afin de comprendre l'influence du diamètre des fibres ou de leur homogénéité. De plus, il serait intéressant d'étendre le champ d'investigation à d'autres matériaux apparentés aux géotextiles comme les géocomposites de drainage. Ces produits présentent des épaisseurs plus homogène ce qui simplifie l'intégration de la notion d'épaisseur ainsi qu'une capacité drainante plus importante ce qui facilite les mesures de capacité de débit dans le plan.
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Références bibliographiques
AFNOR (1999) NF EN ISO 12958 "Géotextiles et produits apparentés, Détermination de la capacité de débit dans leur plan", 12 pages
AFNOR (2005) NF EN ISO 9862 "Géosynthétiques : Echantillonnage et préparation des éprouvettes", 5 pages
AFNOR (2006) NF EN ISO 9863-1 "Géosynthétiques : Détermination de l'épaisseur à des pressions spécifiées, Couches individuelles", 14 pages
AFNOR (2006) NF EN ISO 10318 "Géosynthétiques : Termes et définitions", 34 pages
AFNOR (2008) NF XP G 38-030 "Détermination du nombre de constriction", 6 pages
AFNOR (2009) NF EN ISO 25619-1 "Géosynthétiques : Détermination du comportement en compression, Propriétés du fluage en compression", 27 pages
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ANNEXE
Je présente ci-dessous les différentes étapes de dépouillement en détail de l'essai de mesure d'épaisseur.
Les épaisseurs mesurées lors de l'essai sont rentrées en ordre dans une première colonne (Mem). En face d'elles leurs contraintes relatives (qui augmentent par palier de 10 ou
de 20 kPa respectivement pour les essais de fluage en compression sous 20 ou 100 kPa) dans une deuxième colonne (Mc). Enfin, les épaisseurs après "i" temps de fluage en compression
sont rentrées dans une troisième colonne (Mef).
On recherche les valeurs d'épaisseur qui entourent l'épaisseur mesurée après "i" heures de fluage en compression.
Borne inférieure d'épaisseur mesurée après "i" heures de fluage en compression :
Biem (i) = PETITE.VALEUR (Mem ; NB.SI (Mem ; "<"& Mef (i)))}
Borne supérieure d'épaisseur mesurée après "i" heures de fluage en compression :
Bsem (i) = PETITE.VALEUR (Mem ; NB.SI (Mem ; "<"& Mef (i)) + 1)}
PETITE.VALEUR (matrice ; k) : Renvoie la k-ième plus petite valeur d'une série de données.
NB.SI (plage ; critère) : Compte le nombre de cellules à l'intérieur d'une plage qui répondent à un critère donné.
Mem : matrice à une colonne qui présente de manière ordonnée l'ensemble des valeurs d'épaisseur mesurée. Mef (i): valeur d'épaisseur après "i" heures de fluage en compression.
Les contraintes correspondantes aux bornes inférieures et supérieures d'épaisseur mesurée après "i" heures de fluage en compression sont retrouvée grâce à une recherche verticale.
Bic (i) =RECHERCHEV (Biem (i) ; Mem : Mc ; 2 ; 0) Bsc (i) =RECHERCHEV (Bsem (i) ; Mem : Mc ; 2 ; 0)
RECHERCHEV (valeur cherchée ; matrice ; no index col ; valeur proche) : Recherche une valeur donnée dans la première colonne d'une matrice et renvoie une valeur dans la même ligne d'une autre colonne dans la matrice. La valeur proche représente une valeur logique indiquant que la fonction RECHERCHEV trouve une correspondance exacte et non pas voisine de celle spécifiée.
Mc : matrice à une colonne qui présente de manière ordonnée l'ensemble des valeurs de contraintes.
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La contrainte correspondante à l'épaisseur après "i" heures de fluage en compression est calculée grâce à la formule suivante :
σ (i) = SI (Biem (i) = Bsem (i) ; Bsc (i) ; ((PENTE (Bic (i) : Bsc (i) ; Bsem (i) : Biem (i)) * Mef (i)) +
ORDONNEE.ORIGINE (Bic (i) : Bsc (i) ; Bsem (i) : Biem (i))))
SI (test logique ; valeur si vrai ; valeur si faux) : Renvoie une valeur si la condition que vous spécifiez est VRAI et une autre valeur si cette valeur est FAUX.
PENTE (y connus ; x connus): Renvoie la pente d'une droite de régression linéaire à l'aide de données sur les points d'abscisse et d'ordonnée connus. La pente est la distance verticale divisée par la distance horizontale séparant deux points d'une ligne ; elle exprime le taux de changement le long de la droite de régression.
ORDONNEE.ORIGINE (y connus ; x connus) : Calcule le point auquel une droite doit couper l'axe des ordonnées en utilisant les valeurs x et y existantes. L'ordonnée à l'origine est déterminée en traçant une droite de régression linéaire qui passe par les valeurs x et y connues.
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