élastique
plastique
1 2 3
4
L’utilisation de lourdes machines agricoles peut entraîner le compacta- ge du sous-sol. L’ampleur de ce com- pactage dépend en grande partie de la stabilité mécanique du sol. Or, la stabilité mécanique d’un sol se carac- térise par la préconsolidation. Celle-ci est la pression qu’un sol peut sup- porter sans conserver de déforma- tions durables. Si la charge s’exerçant sur le sol est supérieure à la précon- solidation, il faut s’attendre à un compactage du sol. Lorsque les char- ges sont inférieures à la préconsoli- dation, le sol se déforme de manière élastique, c’est-à-dire qu’une fois la charge supprimée, il se détend et re-
prend sa forme initiale. La préconso- lidation d’un sol dépend largement de son humidité. La préconsolidation se mesure à l’aide d’un œdomètre qui permet d’établir une courbe d’enfon- cement en laboratoire.
En 1997, 1998 et 1999, la FAT a étudié la sensibilité de deux types de sols au compactage. L’essai consistait à pas- ser sur le sol avec une charge à la roue de 10,7 tonnes, à une et quatre reprises. Lors de l’essai, les sols étaient humides à très humides. Les résultats de l’essai 1998 sont pré- sentés ici à titre d’exemple. En 1998, on a pu mesurer un compactage du sol jusqu’à une profondeur de 0,35
m, en dessous de cette limite, la struc- ture du sol ne se modifiait pas. Cette observation a été confirmée par les essais réalisés en 1997 et 1999. Les sols étudiés ont supporté des charges supérieures à ce que l’on supposait jusqu’à présent. Ces résultats ont été relevés sur deux sols et ne permet- tent pas de tirer des conclusions générales par rapport à d’autres sols et d’autres degrés d’humidité.
Le compactage du sol peut être prévu par ordinateur à l’aide d’un système de modélisation par éléments finis.
Toutefois, mesurer les paramètres mécaniques initiaux en laboratoire sur les échantillons de sols corres- pondants représente une tâche très lourde.
Station fédérale de recherches en économie et technologie agricoles (FAT), CH-8356 Tänikon TG, Tél. 052/368 31 31, Fax 052/365 11 90
Rapports
Compactage du sol: préconsolidation à titre de mesure de stabilité
La stabilité du sol peut être caractérisée par la préconsolidation
Michael Gysi, Station fédérale de recherches en économie et technologie agricoles (FAT), 8356 Ettenhausen
Fig. 1: Représentation schématique de la déformation plastique et élastique. Lorsqu’un élément de sol est soumis à une pression verticale (1), cet élément se déforme et trans- met la pression aux éléments voisins (2). Après suppression de la pression, on consta- te une déformation élastique (3) ou plastique (4). En cas de déformation élastique, l’élément reprend sa forme initiale, alors qu’en cas de déformation plastique, l’élément conserve une déformation durable.
Sommaire Page
Préconsolidation 2
Ampleur de la
préconsolidation 3
Influence de l’humidité 3
Essai au champ 3
Paramètres de mesure 4 Modélisation par
éléments finis 5
Bibliographie 7
Pression
Cylindre contenant l’échantillon de sol
Piston métallique
10 cm
10 cm
Rapport FAT No 566 / Compactage du sol: préconsolidation à titre de mesure de stabilité
Préconsolidation
Lorsqu’un sol subit une charge mécani- que, il se déforme d’abord de manière élastique. Si la charge augmente, il se dé- forme alors de manière plastique. Une fois la charge supprimée, le sol reste donc déformé (fig. 1). Le sol s’est compacté. La pression exercée lors du passage de la dé- formation élastique à la déformation plas- tique est qualifiée de préconsolidation et caractérisée par une unité de pression (kPa). Si l’on applique sur le sol une char- ge supérieure à la préconsolidation, il se déforme de manière plastique et se com- pacte. La préconsolidation va jusqu’à la pression maximale à laquelle le sol a été soumis.
La préconsolidation élevée d’un site peut être due au compactage sous l’effet des machines agricoles, mais peut également avoir des causes naturelles. Les sols re- couverts par les glaciers ont ainsi une pré- consolidation tout aussi élevée. Actuel- lement, il est difficile de déterminer si une préconsolidation élevée est d’origine anthropogène ou d’origine naturelle.
Sur la parcelle, des échantillons de sol intacts sont prélevés dans des cylindres métalliques et conditionnés en labora- toire à un potentiel de charge déterminé.
Puis l’échantillon de sol est compacté di- rectement dans le cylindre métallique (fig. 2). La paroi rigide du cylindre métal- lique empêche la dilatation de l’échantil- lon du sol dans le sens horizontal. Le compactage est donc uniquement verti- cal (dilatation uniaxiale). Le processus de compactage a lieu en plusieurs phases de pression préprogrammée. Chaque phase
de pression dure en général 30 minutes, et à la fin de chaque phase, l’enfonce- ment et la pression sont relevés.
La pression et l’enfoncement sont repré- sentés dans un diagramme semi-logarith- mique (fig. 3). La courbe affiche un point de rupture caractéristique. La préconsoli- dation se situe dans cette zone. La valeur exacte de la préconsolidation peut être calculée à l’aide de la construction Casa- grande (Casagrande 1936). La zone si- tuée en dessous de la préconsolidation, c’est-à-dire la zone où les pressions sont inférieures à la préconsolidation repré- sente la zone de recompactage. Ici, le sol réagit de manière élastique. La zone de consolidation primaire commence au- dessus de la préconsolidation. Le sol se déforme de manière plastique, il est com- pacté.
Sous des pressions statiques, la précon- solidation peut servir directement de pa- ramètre pour mesurer la stabilité d’un sol.
Lorsque la charge dépasse la préconsoli- dation, il faut s’attendre à des compacta- ges. Si l’on connaît la préconsolidation et la répartition de la pression sous la roue, il est alors possible d’établir des pronos- tics par rapport au compactage. Certai-
Potentiel de charge et capacité au champ
Le potentiel de charge caractérise la pression négative (en kPa ou en hPa) néces- saire pour prélever l’eau d’un sol. Lorsque le potentiel de charge dépasse une cer- taine valeur, cela signifie que les racines ne sont plus en mesure d’absorber l’eau du sol. Cet état est défini comme le point de flétrissement permanent. L’eau est retenue dans le sol par les forces capillaires des pores, les petits pores retenant mieux l’eau que les pores d’un rayon supérieur. Lorsque le sol se dessèche, les gros pores (pores grossiers) sont les premiers à être asséchés, puis viennent les pores avec des rayons inférieurs (pores moyens et pores fins). La capacité au champ dé- signe le potentiel de charge qui se manifeste deux à trois jours après une satura- tion totale suivie d’un drainage, par la force de gravitation. La capacité au champ est d’environ 0,4–1,6 kPa. Le potentiel de charge peut également servir de pa- ramètre pour mesurer l’eau disponible pour les plantes. Un potentiel de charge élevé signifie que les sols sont secs et un faible potentiel de charge signifie que les sols sont humides ou détrempés. La quantité d’eau disponible pour les plantes dépend non seulement de la quantité d’eau présente dans le sol, mais aussi de la taille des pores, dans lesquelles elle est stockée.
Fig. 2: Les échantillons de sol sont prélevés sur la parcelle dans un cylindre métallique et transportés au laboratoire. Un piston en métal adapté au cylindre compacte pro- gressivement l’échantillon de sol. L’appareil qui sert à mesurer cette opération est appelé oedomètre.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Densité volumétrique [g/cm3]
Préconsolidation [kPa]
12 10 8 6 4 2 0
1 10 100 1000
Pression verticale [kPa]
Zone de
recompactage
Enfoncement [%]
Préconsoli- dation
Zone de consolidation primaire
nes méthodes essayent de déterminer la préconsolidation à partir de différents pa- ramètres cartographiés, comme la den- sité volumétrique du sol, la teneur en humus, etc. (Blume et al. 1995). Ces méthodes ont permis d’estimer la stabi- lité des sols à grande échelle. Hélas, les préconsolidations pronostiquées ne cor- respondent que partiellement aux pré- consolidations relevées au champ.
Ampleur de la préconsoli- dation
Un essai de grande envergure, dans le ca- dre de la mise en place des conduites de gaz, a permis d’étudier les préconsolida- tions de différents types de sols (Berli, communication orale). On a constaté que des stabilités de 20 à 158 kPa étaient at- teintes. La majeure partie des sols se trou- ve dans une zone comprise entre 20 et 100 kPa. La figure 4 indique le rapport entre les préconsolidations et la densité volumétrique. On constate une faible corrélation entre la préconsolidation et la densité volumétrique. Il n’a pas été possi- ble de déterminer dans quelle mesure les préconsolidations étaient d’origine natu- relle ou d’origine anthrophogène.
Influence de l’humidité
Nous savons par expérience qu’un sol très humide présente une stabilité plus réduite par rapport à un sol desséché. La
figure 5 présente les résultats d’une série de mesures effectuées sur le même sol.
La préconsolidation de ce sol a été rele- vée à des degrés d’humidité différents (Berli, communication orale). On consta- te que la stabilité diminue considérable- ment, notamment lorsque le sol est très humide. Les sols qui sont plus humides que la capacité au champ (~ 5 kPa) affi- chent une stabilité nettement réduite.
L’hypothèse intuitive selon laquelle les sols secs peuvent supporter des charges plus importantes a donc ainsi été vérifiée.
Dans la mesure du possible, il est recom- mandé d’attendre deux à trois jours après d’importantes précipitations, jusqu’à ce que le sol ait atteint la capacité au champ.
Dans les essais effectués par la Station fédérale de recherches en agroécologie et agriculture de Zurich-Reckenholz (FAL), la Station fédérale de recherches en économie et technologie agricoles de Tä- nikon (FAT) et l’Institut d’écologie terres- tre de l’EPF entre 1997 et 2000, les échantillons de sol ont été conditionnés à 6 kPa.
Essai au champ
En 1997, 1998 et 1999, nous avons ef- fectué un essai en plein champ de gran- de envergure. Durant les trois essais, nous avons étudié un passage simple et en 1998 et 1999, un passage quadruple.
Les calculs ont porté sur la roue avant Fig. 3: Classiquement, la courbe d’enfoncement est représentée comme un diagram-
me semi-logarithmique. La compression ou l’enfoncement sont inscrits sur l’axe «y», tandis que le logarithme de la tension verticale ou de la pression est inscrit sur l’axe
«x». La courbe affiche un point de rupture caractéristique dans la zone de préconso- lidation. La valeur exacte de la préconsolidation peut être calculée à l’aide de la cons- truction Casagrande. La zone située au-dessus de la préconsolidation est qualifiée de zone de recompactage et la zone située en dessous de zone de consolidation primai- re.
Fig. 4: Le long du tracé des conduites de gaz Transitgas 2 et 3, 258 échantillons de sols ont été prélevés par l’Institut d’écologie terrestre de l’EPF. Les préconsolidations et les densités volumétriques ont ensuite été mesurées sur chacun de ces échantillons. On constate une certaine corrélation entre la densité volumétrique et la préconsolidation.
Les préconsolidations sont comprises entre 20 et 158 kPa.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Teneur en eau [m3m-3]
Profondeur [m]
Potentiel de charge 1998 Teneur en eau 1998
sec humide
Potentiel de charge [kPa]
humide sec
1 2 63 4 5
0
0 50 100 150 200 250 300 350
0 10 20 30 40
Potentiel de charge [kPa]
Préconsolidation [kPa]
humide sec
Faible chargeCharge élevée
Capacité au champ
Rapport FAT No 566 / Compactage du sol: préconsolidation à titre de mesure de stabilité
droite d’une récolteuse totale à bettera- ves, automotrice à six rangs, de type Klei- ne SF 10. Cette roue est équipée d’un pneu radial Goodyear 710/70 R 38. Le présent rapport développe à titre d’
exemple les résultats des contrôles et du passage simple effectués en 1998. La pression intérieure du pneu, la charge à la roue, les surfaces de contact, ainsi que la pression moyenne au sol sont pré- sentées au tableau 1. La charge totale de la récolteuse à betteraves était de 22,4 t, dont 10,7 t étaient absorbées par la roue avant droite. Cette charge très élevée sur la roue avant droite était due aux organes d’arrachage relevés, ainsi qu’à la ridelle latérale dépliée. L’essai s’est déroulé sur un sol brun calcaire peu pierreux et pro- fond. La granulométrie correspondait à celle d’un limon sableux. Les potentiels de charge et la teneur en eau volumétri-
que du sol au moment du passage de la machine sont représentés figure 6. Lors du passage de la machine, le sol était hu- mide à très humide, situation typique pour le passage des récolteuses totales à betteraves, en automne, cf. rapport FAT n° 492. Pendant les années qui ont précédé l’essai, les parcelles étudiées ont été exploitées de manière à respecter le sol, sans labour. De ce fait, on n’a pu cons- tater aucune semelle de labour.
Paramètres de mesure
La répartition de la pressiona été me- surée avec des sondes Bolling (rapport FAT n° 400) au centre de la voie de pas- sage à des profondeurs de 15, 35 et 55 cm. Les sondes Bolling sont constituées d’un tube PVC rigide et dur, à l’extrémité duquel est placé un tuyau élastique en si- licone. De l’autre côté du tube en PVC se trouve un manomètre avec une aiguille indicatrice. La pression qui s’exerce sur le tuyau en caoutchouc peut donc être me- surée avec le manomètre. Sur la parcelle, on creuse un trou au préalable de telle manière que la pointe de la sonde Bolling passe exactement sous le centre de la voie de passage. Lorsque la récolteuse to- tale à betteraves circule sur la parcelle, le terrain qui entoure la pointe de la sonde Bolling transmet la pression au mano- mètre, via l’eau de la sonde, voir égale- ment Niederer 1991. La figure 7 repré- sente la préconsolidation et la pression mesurées à l’aide des sondes Bolling. A une profondeur de 0,15 m, la pression dépassait la stabilité du sol, il fallait alors s’attendre à un compactage. Dans les couches plus profondes du sol, la pres- sion des sondes Bolling était toujours nettement inférieure à la stabilité du sol.
C’est pourquoi il ne faut s’attendre à un compactage que jusqu’à une profondeur de 15 cm.
Les jours qui ont suivi le passage de la ma- chine sur le terrain, des échantillons intacts ont été prélevés dans des cylin- dres, sous la voie du véhicule à 15 cm,
Tab. 1: Pneuinnendruck, Radlast, Kontaktfl che und Kontaktfl chendruck, die beim Feldversuch von 1998 verwendet wurden.
Param tre Unit Essai 1998
Charge la roue t 10,7
Surface de contact m2 0,71
Pression int. du pneu bar 2,2
Pression au sol bar 1,5
Tab. 1: Pression intérieure du pneu, char- ge à la roue, surface de contact et pres- sion au sol appliquées lors de l'essai en plein champ de 1998.
Fig. 5: La préconsolidation a été mesurée sur des échantillons de sol identiques, à des potentiels de charge différents (Berli, non publié). La préconsolidation diminue plus l’humidité augmente. Cette baisse est particulièrement marquée en dessous de la ca- pacité au champ.
Fig. 6: Lorsque la machine est passée sur la parcelle étudiée, le sol de celle-ci était humide à très humide. Les potentiels de charge étaient compris entre 2,5 et 5 kPa.
Modélisation par éléments finis
Indépendamment des mesures sur le ter- rain, le processus de compactage sous un pneu peut également être simulé par or- dinateur à l’aide de la méthode des élé- ments finis. Ce modèle consiste à sub- diviser le profil du sol en triangles. Une pression équivalente à la pression au sol est exercée à la surface du sol, puis les dif- férents triangles (éléments) sont attribués aux caractéristiques du sol relevées sur le terrain. Ce système permet de détermi- ner d’une part, la transmission de pres- sion d’un élément à un autre et d’autre part, la déformation des éléments. La fi- gure 10 indique en clair le réseau avant le passage de la machine et en foncé, le ré- seau déformé après le passage de la ré- colteuse totale à betteraves. La profon- deur de la trace et la pression exercée dans le profil du sol en profondeur (me- surée à l’aide des sondes Bolling) peu- vent être comparées avec les résultats de la simulation. La figure 11 montre d’une part, la profondeur de la trace mesurée sur la parcelle et d’autre part, la profon- deur de la trace calculée avec la simula- tion. Le modèle indique à la fois le pour- centage élastique et le pourcentage plas-tique de la déformation. La profon- deur de la trace se situe entre la défor- mation exclusivement plastique et la dé-
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55
Densité volumétrique [g/cm3]
Profondeur [m]
Contrôle Passage simple 0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0 50 100 150 200 250
Préconsolidation/Pression [kPa]
Profondeur [m]
Préconsolidation Contrôle Préconsolidation Passage simple Pression de la sonde Bolling
Faible Elevée
25 cm, 35 cm, 45 cm et 55 cm de pro- fondeur. Ces cylindres ont ensuite servi à relever la densité volumétrique et le volume des pores grossiers.
Pour relever la densité volumétrique, on mesure le volume et le poids d’un sol séché à l’air (50 °C pendant 12 heures).
La figure 8 montre que la densité vo- lumétrique ne s’est modifiée de manière statistiquement significative qu’à 15 cm de profondeur. En dessous de cette limi- te, on n’a pu mesurer aucun changement significatif.
Les pores grossierssont des pores qui présentent un rayon de plus de 0,1 mm.
Le volume des pores grossiers indique la possibilité d’approvisionnement des raci- nes végétales en air. Lorsque les pores grossiers passent en dessous d’une cer- taine valeur, il faut s’attendre à des bais- ses de rendement. La figure 9 montre la réduction des pores grossiers dans les couches du sol à 15 cm, 25 cm et 35 cm de profondeur. En dessous de ces limites, on n’a pu identifier aucun changement significatif.
L’année suivante, on a relevé le rende- mentdu maïs sur les différentes parcel- les. Les mesures du poids du grain n’ont mis en évidence aucun impact du passa- ge de la machine.
En résumé, on peut retenir qu’en dessous
de 0,35 m de profondeur, on n’a pu me- surer aucune modification de la structure du sol. Les essais en plein champ de 1997 et de 1999 ont donné des résultats sem- blables.
Fig. 7: Les préconsolidations de la surface-témoin et de la surface pratiquée ont été mesurées immédiatement après le passage de la machine. Les pressions mesurées avec les sondes Bolling ont également été relevées. Comme il fallait s’y attendre, la pré- consolidation est supérieure à 0,15 m de profondeur. A cette profondeur, la pression a largement dépassé la préconsolidation. A 0,35 m et 0,55 m de profondeur, la pres- sion est toujours restée inférieure à la préconsolidation.
Fig. 8: La densité volumétrique n’a augmenté qu’à une profondeur de 0,15 m. En des- sous, on n’a constaté aucun effet dû au passage de la machine sur le terrain.
Rapport FAT No 566 / Compactage du sol: préconsolidation à titre de mesure de stabilité
formation élastique et plastique. Le mo- dèle est en mesure de décrire correcte- ment le processus de compactage en ten- ant compte des pressions exercées sur le sol. Il est donc possible en principe de prévoir le compactage ou d’établir des cartes, qui montrent la portance du sol pour des teneurs en eau données.
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
4 8 12 16 20
Pores grossiers [Vol.-%]
Profondeur [m]
Référence Passage simple
Fig. 9: Le passage unique d’une machine avec une charge à la roue de 10,7 tonnes a modifié le volume des pores grossiers jusqu’à une profondeur de 0,35 m. Aucune modification n’a pu être constatée en dessous de cette limite.
1 m
Les enfoncements ont été grossis cing fois 2 m
Charge: 1,5 bar
Fig. 10: Le profil de sol du modèle est divisé en éléments. D’une part, les éléments se déforment à cause de la charge exercée et d’autre part, ils transmettent cette pres- sion aux éléments voisins. De cette manière, il est possible de calculer la déformation du réseau. Le réseau initial est présenté en gris et le réseau déformé en noir.
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08
3,0 3,2 3,3 3,5 3,6 3,8 3,9 4,1 4,2 4,4 4,5 4,7 4,8 5,0 5,1 5,3
Position [m]
Profondeur [m]
calculée, élastique et plastique mesurée calculée, plastique
Bibliographie
Blume, H.P., Bohne, K., Döring, H.W., Fleige, H., Horn, R., Krahmer, U., Zahn, M.T., 1995. Gefügestabilität ackerbaulich genutzter Standorte. Teil 1: Mechanische Belastbarkeit. DVWK Merkblätter zur Wasserwirtschaft, 234.
Rapport FAT n° 492, Diserens, E., 1996.
Augmentation du poids des machines dans les cultures.
Kulli, B. und Berli, M., 1999. Beurteilung der mechanischen Belastbarkeit des Un- terbodens beim Verlegen unterirdischer Rohrleitungen durch Kulturland, Dritter Zwischenbericht. Institut für terrestrische Ökologie, Zürich.
Niederer, U., 1991. La pression dans le sol mesurée au champ. Rapport FAT n° 400.
Fig. 11: Cette figure compare les profondeurs de trace calculées aux profondeurs mesurées. Les profondeurs de trace calculées se composent d’une partie élastique et d’une partie plastique. Les profondeurs mesurées dépassent les enfoncements plas- tiques, vraisemblablement à cause de la marque des crampons.
Résumé
La stabilité du sol peut être caractérisée à partir de la préconsolidation. Pour pou- voir comparer les préconsolidations mesurées, il est important que les préconsoli- dations soient relevées sur des sols de même degré d’humidité.
Selon les mesures disponibles, les sous-sols étudiés (plus profonds que 0,35 m) supportent des charges à la roue plus importantes que ce qu’on croyait jusqu’à présent. Aucun compactage du sous-sol n’a pu être mesuré dans aucun des trois essais en plein champ, en 1997, 1998 et 1999. Bien que les essais aient été ef- fectués sur des sols très humides et avec une charge à la roue maximale. Les char- ges à la roue de plus de 10 tonnes et les sols humides sont typiques de la récolte des betteraves sucrières en Suisse. Il n’est pas étonnant que les sous-sols ne soient pas compactés dans la mesure où les préconsolidations mesurées sont plus élevées dans le sous-sol que les pressions subies à cette profondeur. Dans quelle mesure ces préconsolidations élevées sont naturelles ou dues à l’agriculture? C’est une question qui reste ouverte.
Le système de modélisation par éléments finis permet de prévoir le compactage.
Actuellement, la tâche consistant à déterminer les différents paramètres (p. ex. po- tentiel de charge, densité volumétrique, etc.) en laboratoire reste encore lourde.
Ces paramètres sont nécessaires pour caractériser les propriétés du sol.
Rapport FAT No 566 / Compactage du sol: préconsolidation à titre de mesure de stabilité
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NE Bendel Etienne, SNVA, 2053 Cernier Tél. 032 854 05 30
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SPAA Grange-Verney, 1510 Moudon Tél. 021 995 34 28
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