Comparaison HET et JET

Les matériaux et leur préparation

 Les sols testés regroupent un panel de 12 sols différents : 10 sols naturels d’origine diverses, un sol reconstitué à partir de 2 sols naturels et un mélange constitué d’une argile (Kaolinite blanche Speswhite – Imerys) et d’un sable de Fontainebleau (SIFRACO – NE 34). Les sols testés sont des sols fins avec une fraction inférieure à 4,75 mm de 100%. Les sols ont été choisis en fonction de leurs limites d’Atterberg avec pour objectif de couvrir la plus grande plage possible. Ce choix a pu être réalisé grâce à des campagnes de caractérisation menées préalablement et qui sont consignées dans des rapports annexes. Les campagnes d’essais utilisent les normes internes à l’U.S.B.R. (Earth Manual, équivalente à celle de l’A.S.T.M.).Les caractéristiques géotechniques mesurées sont : les limites d’Atterberg (mesure avec la méthode de la coupelle (LL) et les rouleaux (LP)), la granulométrie, la définition de l’optimum Proctor (masse volumique sèche, teneur en eau) avec une taille de moule standard (volume de 1/30 de ft^3, avec un diamètre de 4 pouces). Des essais de dispersion (crumb test et pin-hole test) ont été faits sur les sols soit dans le cadre de cette étude, sol BC, soit dans le cadre d’expertises ou d’autres études pour un sol de provenance identique. Les différentes caractéristiques mesurées lors de l’étude ont été confrontées avec la bibliographie existante sur les sols correspondants. Le Tableau III-1 recense les essais d’érosion effectués en fonction des matériaux et les lieux d’essais. Dans ce tableau, les acronymes des sols sont définis. Le Tableau III-2 et le Tableau III-3 recensent les caractéristiques des différents matériaux avec des informations complémentaires. Les références peuvent être des thèses, des livres ou des rapports de projet ainsi que des rapports d’expertise.La méthode de préparation des échantillons doit être rigoureuse et répétitive. Elle doit également être utilisable par la communauté scientifique, et être représentative des ouvrages. Le compactage Proctor est donc utilisé. La première étape est la préparation du matériau à tester :  séchage des sols (T = 60°C, durée minimale 72 h), concassage, et tamisage (diamètre maximum de 4,75 mm),  mélange des sols (malaxage adapté en fonction des sols de 2 kg – manuels ou avec malaxeur, temps minimal de 5 min – sol : K20 S80, Mix 0, Mix 1). La deuxième étape consiste en la préparation de l’échantillon, l’ajout d’eau et le compactage :  préparer le sol à la teneur en eau désirée (addition d’eau sur des masses de 2 kg sous forme de pluviation, mélange au malaxeur ou à la main) et laisser la préparation au repos pendant 36 h,  compacter la préparation selon la norme Proctor en 3 couches avec 25 coups par couche (remplissage à mi-hauteur du moule – compactage, remplissage du moule – compactage, remplissage du moule avec la rehausse – compactage),  araser à volume constant, mesurer les masses, teneur en eau sur 2 échantillons de 80 g minimum,  pour les essais non saturés, laisser reposer l’échantillon à l’horizontal pendant 12 h au moins dans un sac plastique étanche mis à la chambre humide (80-100% humidité) ; pour les essais « pseudo-saturés », mettre en contact avec l’eau l’échantillon au moyen de bases perméamétriques prévues pour le moule Proctor avec une perte de charge sur l’échantillon d’environ 1 m. Le compactage impose une structuration importante au niveau de l’échantillon. Pour les échantillons à fort indice de plasticité, les trois couches de compactage sont bien visibles, si on effectue une coupe longitudinale. Cette structuration va influencer l’état de surface, la porosité de l’échantillon, le degré de liaison interparticulaire. Nous pouvons observer sur les photographies des différents sols testés (cf. Figure III-3) que plus le sol a un indice de plasticité élevé, plus sa texture semble lâche avec des macro pores (formés par les morceaux d’argile collés entre eux) et des interfaces entre couches plus marquées.Pour établir la confrontation, nous avons choisi de préparer les échantillons à une teneur en eau équivalente à l’optimum Proctor moins 1%. Cette teneur en eau a été choisie par rapport aux pratiques de la conception des barrages du Bureau des Réclamations et les travaux précédents menés dans cet institut. La pratique française (Degoutte et al., 1997) recommande une teneur en eau comprise dans une plage de 2% centrée sur la teneur en eau optimale Proctor pour la réalisation d’un ouvrage. Cette teneur en eau est dépendante des matériaux.Pour l’étude concernant la sensibilité à l’érosion des sols, les paramètres étudiés sont :  l’influence de la teneur en eau lors du compactage ;  l’influence de l’énergie de compactage (3 couches avec la dame Proctor normale et la dame Proctor modifiée) ;  l’influence de l’histoire hydrique de l’échantillon et des conditions de saturation. L’étape de saturation / imbibition est réalisée juste après le compactage sans période de repos supplémentaire avec un perméamètre prévue pour les moules Proctor. La prise de masse de l’échantillon est mesurée avant l’essai, ainsi l’eau injectée peut être déduite. 

Principe des essais et interprétation 

Pour les deux types d’essais d’érosion d’interface réalisés, le HET et le JET, nous allons détailler dans cette partie les procédures présentes dans la littérature que nous avons utilisées. Il s’agit pour le HET de la méthode définie par Wan et Fell (2004) enrichie par Bonelli et Brivois (2008) et pour le JET de la méthode développée par Hanson et Cook (2002). Ces méthodes d’interprétation doivent permettre de déduire les paramètres de la loi d’érosion à l’aide de certaines hypothèses. Ces deux méthodes d’interprétation reposent sur la loi d’érosion proposée par Partheniades en 1962 pour les sols cohésifs (équation ( II-62 )). Ainsi, la réalisation d’un essai et son interprétation doivent permettre ici de :  quantifier la contrainte de cisaillement hydraulique à l’interface à partir de mesure,  quantifier l’érosion sur un échantillon. Les grandeurs mesurées durant les essais sont présentées. Elles sont utilisées en tant que données d’entrée d’un modèle (propre aux appareils) pour déduire les paramètres de la loi d’érosion. 

Le Hole Erosion Test 

Déroulement de l’essai et métrologie Un échantillon cylindrique est perforé avec une perceuse à colonne suivant son axe pour former une conduite. Le diamètre φ de celle-ci est initialement de 6,4 mm (soit ¼ de inch). Cet échantillon est placé à l’horizontal et est relié à deux réservoirs de charge hydraulique différente. Cette différence de charge (∆H) génère un écoulement dans la conduite (cf. Figure III-4). Cet écoulement peut être piloté en débit Q et donc la variable modifiée est la différence de pression amont – aval ∆P = ρg∆H (Lefebvre et al., 1986) mesurée aux bornes de l’échantillon. Wan et Fell (2002) réalisent des essais sous charge hydraulique contrôlée, et en conséquence le débit est variable. Dans les deux cas, les grandeurs : débits, et pressions aval – amont sont mesurées. En effet, la mesure de la grandeur non imposée va permettre de calculer le diamètre du conduit et son accroissement permet de calculer l’érosion correspondante. Notons que suivant le type de pilotage de l’essai, le comportement asymptotique en temps est différent. Dans le cas d’un pilotage en débit, la perte de pression amont-aval diminue jusqu’à la stagnation. Dans le cas d’un pilotage en différence de pression amont-aval, le débit augmente infiniment jusqu’à l’atteinte des limites techniques du système. En ce qui concerne l’érosion, celle-ci est évaluée par différence entre l’état initial et l’état final qui est quantifiée par la variation du diamètre : ∆ φ= φ Final − φ Initial . Le diamètre initial est supposé égal au diamètre de perforation (en général 6,4 mm). Pour évaluer le diamètre final, un moulage du trou est effectué. Un diamètre moyen est calculé sur l’ensemble du trou pour l’instant final (environ 5 mesures du diamètre sont réalisées le long de la conduite). La longueur droite de l’échantillon est aussi mesurée et une valeur moyenne de longueur de trou est calculée sur la durée de l’essai. En termes de métrologie, il subsiste deux types de mesures à différents temps :  la mesure continue des débits et des pressions,  la mesure de l’érosion qui se fait après arrêt de l’essai. Nous avons signalé dans la partie caractérisation de l’érosion l’existence des tentatives de mesure continue de l’érosion, déduite à partir de la turbidité (Pham, 2008).