Mecanisme de tassement des sols et sensibilite au compactage

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Mecanisme de tassement des sols et sensibilite au compactage

A. Faure, J.C. Fiès

To cite this version:

A. Faure, J.C. Fiès. Mecanisme de tassement des sols et sensibilite au compactage. Semaine d’etude, Sep 1973, Gembloux, Belgique. �hal-02784180�

MECANISME DE TASSEMENT DES SOLS ET SENSIBILITE AU COMPACTAGE

A. FAURE & J.C. FIES

Station d'Agronomie, I.N.R.A. Montfavet (F)

INTRODUCTION

L'évolution actuelle des techniques de cultures et celle, plus ancienne, des matériels utilisés, se conju- guent pour rendre de plus en plus important le problème du tassement des sols. Au moment où se manifeste une tendance à la diminution,voire à la suppression du tra- vail du sol, l'alourdissement des matériels de traction, de récolte et de traitements phytosanitaires, la fré- quence accrue de ces derniers, augmentent sensiblement les risques de déformations du sol. Les conséquences que l'on peut redouter d'une telle évolution présentent des gravités et des durées variables selon le type de déformations que l'on a effectivement provoqué.

La première question est de savoir si l'on peut correctement apprécier les dégâts qui ont été occasion- nés au sol à partir des traces visibles à la surface du terrain (ornière) ou dans la masse du sol lors de l'exa- men du profil cultural.

Il faut ensuite connaître la nature et l'importan- ce des facteurs qui commandent ces dégâts, évaluer les possibilités de remise en état plus ou moins rapide et les moyens pour y parvenir.

Enfin se pose le problème dont l'importance prati- que est la plus grande : comment apprécier les consé- quences sur les cultures de ces divers types de tasse- ment? C'est sûrement difficile: une condition nécessai- re, sinon suffisante, pour que l'on puisse lui trouver une solution correcte et générale est certainement que les deux premiers points que vous venons de citer aient été suffisamment éclaircis.

I. EVALUATION DE LA COMPACITE DU SOL

L'état de compacité du sol en place est défini par valeur de son poids volumique sectk (poids de maté- riau sec rapporté au volume occupé i situ). Pour un même sol,la valeur de ce poids volumique sec est tribu- taire du choix du volume prélevé mettant ainsi en évi- dence une certaine hétérogénéité du matériau. Cette va- riation du poids volumique sec

y cv

"d'ensembles continus" ne contenant aucune fissure.Dans ces ensembles, les particules constitutives (argile et squelette) sont associées selon un assemblage dit "as- semblage élémentaire". Selon le mode d'association (qui dépend entre autre de la granulométrie du matériau et de son histoire) les vides ménagés entre les constitu- ants seront plus ou moins importants. Ces vides sont à l'origine d'une porosité du matériau que nous appelle- rons porosité texturale.Cependant pour un agrégat d'ar- gile pure non fissuré ou pour un sable, porosité totale et porosité texturale sont identiques. Lors de la mesu- re, le choix d'un volume de plus en plus petit entraîne l'élimination successive des réseaux de fissures, donc une augmentation de la valeur de • Nous avons pu mon- trer par des essais en laboratoire' quela valeur limite vers laquelle semble tendre les mesures in situ est la valeur du poids volumique sec de l'assemblage élémentai- re que nous appellerons poids volumique textural. C'est cette valeur qui a été prise comme référence au cours des études faites sur la sensibilité au "tassement". Il convient de préciser que, du fait de l'existence de la porosité texturale, la valeur de ce poids volumique de référence est toujours inférieure à 2,65 g/cm3, poids volumique moyen des particules elles-mêmes.

II. DIFFERENTS TYPES DE TASSEMENT

Considérons un sol in situ,ayant non seulement des caractéristiques texturales, c'est-à-dire un certain type d'assemblage élémentaire, mais encore une certaine structure, c'est-à-dire un réseau de fissures de carac- téristiques bien déterminées. Le compactage volontaire ou accidentel de ce sol entraîne diverb types de défor- mations.

119 - un tassement dit structural, c'est-à-dire une diminu- tion de la porosité liée à la structure, donc à l'his- toire du matériau, et n'affectant pas les assemblages élémentaires,

- une coalescence, c'est-à-dire une soudureles unes aux autres des mottes initialement individualisées,

- un tassement textural qui entraîne une modification de l'assemblage élémentaire qui devient plus dense.

L'échelle microscopique nous a permis de montrer l'existence du réseau de fissures et celle de l'assem- blage élémentaire. Les conséquences du tassement struc- tural apparaissent clairement à l'échelle macroscopique.

On distingue ici dans l'axe de l'ornière les zones à feuillage fin puis grossier résultant dela modification de la structure par tassement structural et coalescence des mottes. Ces zones reposent sur une couche de maté- riau d'aspect gâché à structure continue, gleyifié ou réoxydé. Cette couche,de 20 cm d'épaisseur au maximum, paraît caractéristique des sols de limons argileux du Bassin Parisien ayant subi des effets de roulages de matériels lourds.

III. APPRECIATION ET MESURES DES DIVERS TYPES DE TASSE- MENT

L'observation visuelle par profil cultural d'une quarantaine de sols qui, in situ, ont subi des effets de roulage localisés souvent importants nous ont con- duits à estimer nécessaire la définition de certaines grandeurs pour caractériser les tassements à partir de mesures faites sur le terrain.

1) Mesures par ase'rimétrie

En présence d'une ornière, trace visible du passa- ge des matériels, il nous a paru d'une première néces- sité d'en évaluer " l'importance ". L'aspérimètre a ré- pondu à un besoin presque instinctif de cette connais- sance. L'appareil est constitué d'un support horizontal de 4 mètres de long, sur lequel coulissent verticale- ment des tiges rigides longues de 1 mètre, espacées les unes des autres de 5 centimètres. Lors de la mesure, l' appareil est mis en place en partie sur l'ornière et en partie sur la zone non perturbée, la base des tiges re- posant sur le sol. Les sommets des tiges donnent une i- mage, obtenue par translation, du micro-relief du sol.

Sur photographie du dispositif il est possible de définir la cote moyenne du sol avant perturbation, et de cette référence, de mesurer les caractéristiques de l'ornière (profondeurs et surfaces).

Ces mesures nous ont permis de définir le tasse-

S+ + S (s+ ) + (S - )

ment par T - L et la déformation D -

où 8+ et 8 - sont les surfaces du bourrelet et de l'or- nière situées de part et d'autre du niveau moyen du sol.

Les rapports e/L et 8 - /L représentent donc respective- ment une remontée et un bais sement de la cote du sol par rapport à la cote moyenne. Nous dirons qu'il y a tas- sement lorsque la grandeur T est négative, c'est-à-dire lorsque la surface du bourrelet est inférieure à la sur- face de l'ornière. La déformation est le déplacementto- tal du matériau qu'il s'agisse de bourrelet ou d'orniè- re.

Résultats

Ces grandeurs T et D permettent de quantifier l'as- pect morphologique des ornières qui se présentent avec ou sans bourrelet.

a) Ornière avec bourrelet mais sans tassement

L'ornière a un bourrelet latéral, mais les valeurs des deux surfaces sont égales donc T est nul, la défor- mation D étant importante.

Ces ornières peuvent se rencontrer sur les sols ar- gileux humides ou sur des sols qui ont subi le roulage alors qu'ils sont en saturation.

b) Ornière avec bourrelet et avec tassement

Dans ce cas la surface du bourrelet est bien infé- rieure à la surface de l'ornière, tassement et déforma- tion sont tous les deux importants.

Ces ornières sont souvent rencontrées pourdbs sols limoneux.

c) Ornière sans bourrelet mais avec tassement

La surface du bourrelet est négligeable par rap- port à la surface du "creux". Tassement et déformation ont des valeurs absolues sensiblement égales.

Ces ornières ont tendance à être localisées sur les sols sableux.

Conclusions

Pour les 19 cas qui ont pu être étudiés, parce que les traces étaient intactes au moment de notre étude, nous avons obtenu un coefficient de corrélation signi- ficatif égal à -0,89 entre les variables T et D. Ce ré- sultat tendrait à montrer que plus la déformation mesu- rée D est importante plus le tassement est lui-même im- portant.

121 2) Mesures des poids volumiques secs

Les mesures par aspérimétrie n'ont fait intervenir que des grandeurs géométriques. Elles présentent certes l'avantage de mieux analyser le phénomène ornière en tant que tel, mais n'apportent aucun renseignement sur la profondeur sous ornière concernée par ces déforma- tions.

Mesures faites sur grands volumes (de l'ordre de 1 à 2 litres)

Les mesures faites au densitomètre sur les parties p

perturbée et non perturbée font a araître l'existence d'un tassement global. Si e , et n sont les poids yo- lumiques secs d'une même c ifehe d épaisseur e et e'dans d les parties perturbée (chantier) et non perturbée (hors chantier), nous appellerons tassement global t G de cet- te couche la quantité t G = e' - e et, tous ca1culsf3aits nous avons t

G = e

Xe â

ij

Pour n couches concernées (et les mesures sont fai- tes jusqu'à une profondeur telle qu'alors t g ind^i),le

tassement global total est TG = e tc a la même signi- fication et la même dimension que T défini pas aspéri- métrie, la corrélation entre T G et T est définie par un coefficient significatif égal à 0,63, la corrélation entre TG et D est d'ailleurs meilleure avec une coeffi- cient de 0,73.

Mesures faites sur petits volumes (quelques centimètres cubes)

Simultanément aux mesures précédentes, ont été ef- fectuées des mesures sur petits volumes constituant des ensembles cohérents pour obtenir des poids volumiques

secs de mottes 13 et des prélèvements pour déterminer f

en laboratoire es valeurs des poids volumiques textu- raux. Nous appellerons indice de tassement textural la quantité T

t = (1

_

r

Mesuré "hors chantier" cet indice (Th

,) quantifie le tassement textural dû aux travaux culturaux seuls faits par l'exploitant sur toute la surface du sol. Me- suré "sous ornière" cet indice (T c ) quantifie le tasse- ment textural résultant du tassement dû aux travaux culturaux etdutassement dû au roulege des engins lourds dans une zone bien localisée (chemin de débardage par exemple).

Les corrélations entre cet indice de tassement, corrigé de façon à ne tenir compte que des effets de roulage des engins lourds, et les grandeurs définies pas aspérimétrie (T et D) ou l'indice de tassement glo- bal T

G ne sont pas significatives contre toute attente.

Ceci démontre la grande indépendance entre un com- pactage et le résultat de ce compactage en termes de tassement du matériau.

Conclusion

Une mesure de tassement,conduite pas aspérimétrie, ne saurait permettre la prévision du degré de tassement

textural du sol. Les résultats obtenus démontrent que la seule prise en compte des caractéristiques d'orniè- res ne saurait à elle seule constituer un moyen suffi- sant de réponse. Ceci veut explicitement dire que les sols présentant une ornière profonde ne sont pas néces- sairement les plus tassés par compactage.

IV. SENSIBILITE DES SOLS AU COMPACTAGE 1) Etude en laboratoire

Nous n'entrerons pas dans les détails opératoires de l'essai Proctor dont le but est de suivre l'évolu- tion de la compacité d'un matériau en fonction de sa teneur en eau, y., pour un mode de compactage bien défi- ni. En g néral la courbe de variations du poids volumi- que sec d en fonction de w a l'allure suivante. Notre étude a porté sur des mélanges de sols binaires consti- tués parune même argile, une kaolinite, et nous avons fabriqué des échantillons contenant des propositions dif- férentes de ces constituants.

Pour ces mélanges binaires, comme d'ailleurs pour tous les sols, la courbe complète présente toujours un palier aux faibles teneurs en eau. Ce palier persiste tant que la teneur en eau du matériau étudié reste in- férieure à une teneur en eau critique w. Ce résultat signifie que sur ce palier le tassement c du matériau n' est pas sensible aux variations de teneur en eau. Nous avons montré, sur les mélanges binaires seulement, que la teneur en eau critique w du mélange correspond à un état de gonflement du consituant argile séul qui se trouve alors, lui, à la teneur en eau définie par la relatione = 14c où A est le pourcentage d'argile du mélange. A

Il n'est pas dans le cadre de notre sujet d'entrer dans les détails, nous dirons seulement que, suite à

123 des m'sures faites en compression triaxiale, cette va- leur 01/4 est la teneur en eau pour laquelle l'argile com- mence à entrer en plasticité (diminution du coefficient de frottement interne du matériau argile seul).

Nous constatons que lorsque la teneur en eau de- vient supérieure à w ,le compactage entraîne une augmen- tation de la compaci£é. Il y a donc tassement par rap- port à l'équilibre obtenu au cours du palier. Cette compacité augmente jusqu'à un maximum dont le nom est bien connu: Optimum Proctor. Nous avons montré que ces

valeurs maximales du poids volumique sec sont étroite- ment liées au pourcentage d'argile contenue dans le ma- tériau et nous avons été conduits à définir un certain pouvoir de lubrification de l'eau non utilisée par l'ar- gile, pouvoir qui serait la cause des effets de tasse- ment que produit le compactage aux teneurs en eau supé- rieures à w

c.

2) Liaison avec les données de terrain

Dans ce même esprit nous avons comparé, pour tous les échantillons "naturels" étudiés, les valeurs maxi- males des poids volumiques secs obtenus à l'essai Proc- tor aux poids volumiaues texturaux)( n à l'aide de l'in- dice ? = (1 - V d) avec cependant la restriction sui- vante : y r

0 d

e;est nul pour à = ï r et pour d d

inférieur à d ' le problème du foisonnement n'étant pas pris en compte.

Il ressort deux classes de comportement sur la seule base de la teneur en argile:

- Les sols non sensibles au compactage, où la teneur en argile est égale ou supérieure à 25 %.

- Les sols sensibles au compactage où la teneur en ar- gile est inférieure à 25 %. A l'intérieur de cette clas- se, les degrés de sensibilité apparaissent très variés et la seule teneur en argile ne rend pas compte de ces variations.

Remarque.

Ces résultats ne sont pas a priori surprenants.

Lorsqu'un sol est en phase continue d'argile (pour un pourcentage supérieur à 25 % environ), c'est le carac- tère argileux qui l'emporte. Pour des teneurs en argile inférieures, les autres composantes granulométriques interviennent de façon complexe.

Pour ordonner cette complexité nous avons considé- ré huit classes de tailles de particules dont les limi- tes sont :

Inférieures à 2p, 2-20p, 20-50p, 50-100p, 100-200/4 200-500p, 500-1000 )g, et enfin 1000-2000)u.

Grâce à ces huit classes de tailles nous avons pu faire apparaître 6 classes de comportement au compacta- ge liées à la distribution granulométrique. Ce classe- ment montre que les sols présentant un maximum marqué d'une teneur en constituant d'une taille supérieure à 2p sont tous sensibles à très fortement sensibles au compactage: classes 4 à 6. La seule exception est repré- sentée par les sols de la classe 2 qui se caractérisent par une teneur en argile très proche delhteneur en li- mon fin.

Il est alors possible de confronter les taux de

"tassementflobservés sur le terrain aux classes de sensi- bilité au compactage que nous venons de décrire. Pour cette comparaison, nous avons défini cinq classes de tassement textural sur chantiers qui sont:

Nul (T C z:

t —0), Moyen (0 41..ct 4.e. ), Assez fort;

4 V<T

Ceux situés au dessus de cette diagonale (tasse- ment observé inférieur à celui que pouvait laisser pré- voir leur sensibilité) sont ^des sols ayant subi un de- gré d'énergie de compactage faible sur le terrain et ceux semble-t-il, dont les chantiers ont été ouverts dans des conditions particulièrement humides.

Ceux situés en dessous de cette diagonale sont tous, sans exception, ^des classes 2 et 3 précédemment définies qui sont les plus "mystérieuses" quant aux com- portements mécaniques.

Essai de synthèse au niveau d'un triangle de texture Dans un triangle de texture, où la granulométrie des matériaux est ramenée à trois constituants : Argile (Inférieur à 2p), Limons (2-20p + 20-50p) et sables (50-2000)1) nous avons obtenus des résultats plus im- médiatement exploitables, que nous nous efforçons ac- tuellement d' approfondir, et qui font apparaître des zones bien délimitées pour lesquelles les degrés de tassement sont bien différentiés.

125 Conclusion générale

Toute une série de déformations (tassement total et profondeur déformée)sont en corrélation assez étroi- te avec les critères possibles pour la caractérisation des ornières.

Au niveau du tassement total le critère "ornière"

peut être considéré comme relativement satisfaisant, mais ce critère ne permet en aucune mesure de prévoir le tassement textural seul alors qu'il paraît indispen- sable de pouvoir isoler ce type de déformation dont les conséquences sont graves et la réversibilité plus in- certaine.

L'interprétation de l'analyse granulométrique du sol fournit des éléments très importants d'appréciation sur le risque encouru en ce domaine. Toutefois une lar- ge plage du triangle de texture (zone des terres "fran- ches") regroupe des matériaux dont le comportement va- rie d'un extrême à l'autre.

L'intérêt de cette étude reste fondamentalement la mise en évidence de divers types de tassements et la dissociation impérieuse des concepts "compactage" et

"sensibilité au compactage". Mais, cette dissociation étant faite, il convient maintenant de chercher à mieux comprendre pourquoi les effets du premier donne de tel- les variations du deuxième.

RESUME

Le poids volumétrique textural et les divers types de tassement sont envisagés et définis.

Ces types de tassement peuvent être mesurés par as- périmétrie et par leur poids volumétrique sec.

La sensibilité des sols au compactage est étudiée au laboratoire; la mise en liaison avec les données de terrain et un essai de synthèse au niveau d'un triangle de texture sont proposés.

L'étude met en évidence la dissociation impérieuse des concepts "compactage" et "sensibilité au compacta"

ge".

SITMMARY

Bulk densities and various types of compaction are discussed and defined. Compaction has been assessed by field determination of surface morphology over soul ruts and by changes in dry sou l volume weights.

The sensitivity of sous to compaction bas been studied in the laboratory. It has been possible to cor- relate field data on compaction with sou l textural com- position. The concepts of actual "compaction" and of potential "susceptibility to compaction" in soil mate- rials are distinguished.