Résistance à l’érosion des sols traités à la chaux ...actions-incitatives.ifsttar.fr/fileadmin/uploads/recherches/semin... · C. Chevalier – Résistance à l’érosion des

C. Chevalier – Résistance à l’érosion des sols traités à la chaux: comportement en laboratoire – Aix en Provence , 19 nov. 2014 1

Résistance à l’érosion des sols traités à la chaux : Comportement en laboratoire

C. Chevalier1 & G. Herrier2

Journées techniques « Gestion des risques hydrologiqueet des ouvrages fluviaux »Aix en Provence 18 & 19 novembre 2014

1

2


Traitement des sols à la chaux


Comportement des sols traités dans les ouvrages hydrauliques ?

• Digue experimentale du CER Rouen (France)[I. Charles et al.]

1975 2010

• Canal Friant-Kern (USA)


Propriétés des sols traités vis à vis de l’érosion?

Résistance à l’érosion des sols traités à la chaux : Comportement en laboratoire

• Matériaux

• Dispositifs d’essais

• Résultats

• Conclusion et perspectives


Matériaux testés

• Caractéristiques des sols utilisés%<

2 µm%<

80µmValeur au bleu

(g/100 g)wL(%)

wP(%)

PI wOPN(%)

Limon d’Héricourt 67 1.9 32.8 21.6 11 18

Argile d’Héricourt 75 94 18 72 35 37 23.5

• Temps de cure– 7 jours– 90 jours

• Caractéristiques des éprouvettes confectionnées

1210 kg/m31550 kg/m3Masse volumique sèche

34 %24,5 %1 heure ap. préparation

39 % (34+5)26,5 % (24,5+2)initialeTeneur en eau

5 %2 %Teneur en chaux

Traitée

1620 kg/m31650 kg/m3Masse volumique sèche (95% OPN)

23,5 %18 %Teneur en eauNon traitée

ArgileLimon


Dispositifs d ’essais

• Amélioration/modificationde protocoles existants

• Développement de nouveaux essais

• Mobile Jets Erosion Test• Hole Erosion Test

Macro

Micro


Dispositifs d ’essais

• Mobile Jets Erosion Test• Hole Erosion Test

• Pinhole Test

• Enhanced Crumb Test• Sedimentation

• Double hydrometer test

• Zeta Potential measurements

Macro

Micro

• Amélioration/modificationde protocoles existants

• Développement de nouveaux essais

• Comparaison des essais entre eux :matériaux de référence

• Lien avec le terrain


Mobile Jets Erosion Test (MoJET)

• Dispositif d’essai

• Paramètres - débit de 600ml/min pendant 15min.- débit de 2000ml/min pendant 5min.

matériau traité

• Résultats typiques

matériau non traité



• Résultats quantitatifs (limon)

� masse totale erodée plus de 80 fois moindre pour le sol traité



• Résultats quantitatifs (argile)

� masse totale erodée plus de 80 fois moindre pour le sol traité


Hole Erosion Test (HET)

flow

débitmètre

capteurs pression turbidimètre

trous initial et final

différence de pression imposée

temps



• Résultats qualitatifs

Résultats sur le limon

matériau non traité

matériau traité

έ = 3.5×10-5( τ - 541)

έ = 6.7×10-5( τ - 403)

έ = 7.2×10-5( τ - 152)

έ = 6.7×10-5( τ - 178)

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0 200 400 600 800 1000 1200Shear stress (Pa)

Ero

sion

rat

e (k

g/s/

m2 )

Untreated Silt 7 days ∆P = 50 kPa




contrainte critique autour de 400 Pa

• Résultats quantitatifs

maximum hydraulic loadingapplied during more than 1 hour

� no erosion

contrainte critique supérieure à 1700 Paaprès 7 jours de cure

� contrainte critique au moins 4 fois plus grande pour le sol traité


Enhanced Crumb Test (ECT)

• Dispositif

argile

trai

téno

n-tr

aité

limon

• Résultats qualitatifs (7j)

15mm

20m

m


Enhanced Crumb Test (ECT)


Estimated Volume of Specimen (Héricourt Silt)

0%

1%

10%

100%

1000%

0.1 1 10 100 1000Time (min)

Vol

ume

varia

tion

(abs

)

Treated 7 daysTreated 7 daysTreated 90daysUnreated 7 daysUntreated 7 daysUntreated 90days

Estimated Volume of Specimen (Héricourt Clay)

0%

1%

10%

100%

1000%

0.1 1 10 100 1000Time (min)

Vol

ume

varia

tion

(abs

)

Treated 7 daysTreated 7 daysUntreated 7 daysUntreated 7 daysUntreated 7 days

� sols traités quasi insensibles à l’eau


Conclusion

• Résultats pour les sols traités– MoJET: masse totale erodée plus de 80 fois moindre – HET: contrainte critique au moins 4 fois plus grande– ECT: sols quasi insensibles à l’eau

• Augentation considérable de la résistance à l’érosion des sols traités à la chaux (limon ou argile)

• Augmentation maintenue (accrue) dans le temps

• Perspectives : application aux ouvrages expérimentaux:– Ouvrage du CER de Rouen– CPER PACA Digue2020

(Irstea, Cerema, Ifsttar, UMR Espace)


Application aux ouvrages exp érimentauxdu CER de Rouen

• ouvrage en sol traité à la chaux (limon, 2,5% chaux)et ouvrage en sol non traité (limon)

• Essais MoJET, HET et ECTréalisés à 28 jours, 180 jours et 1 an


• Résultats qualitatifs (protocole classique)


Mobile Jets Erosion Test (MoJET) – 28j

ouvrage non traitéouvrage traité

0

200

400

600

800

1000

1200

0 2 4 6 8 10 12temps (min)

mas

se c

umul

ée (

g)

traité 600ml/mintraité 600ml/mintraité 2 l/mintraité 2l /minnon-traité 600ml/minnon-traité 600ml/minnon-traité 2l /minnon-traité 2l /min



Essai Temps deprélèvement

Profondeur deprélèvement

Diamètreinitial

Contrainte de cisaillementmaximale exercée

1 28 jours 1,20 m – 1,35 m 3 mm 1000 Pa

2 28 jours 1,50m – 1,65m 5 mm 1700 Pa

3 28 jours 1.55m – 1,70m 5 mm 1250 Pa(initiation possible d’érosion)

4 180 jours 0,60 m – 0,75 m 3 mm 1000 Pa

5 180 jours 0,05 m – 0,20 m 5 mm 1000 Pa(initiation possible d’érosion)

6 1 an 0,65 m – 0,80 m 5 mm 1700 Pa

7 1 an 1.35m – 1,50m 5 mm 1700 Pa

8 1 an 1,70m – 1,85m 5 mm 1700 Pa

έ = 9.18×10-5 ( τ - 179)

R2 = 0.7679

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0 100 200 300 400 500 600 700 800

shear stress (Pa)

eros

ion

rate

(kg

/s/m

2 )

∆P : 200 mbar (sample #III)∆P : 500 mbar (sample #IV)

Ouvrage non traité

Ouvrage traité �


Enhanced Crumb Test (ECT) – 28j

• Résultats qualitatifs

• Résultats quantitatifs Height of specimen of Specimen (28 days)

-10.0

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

0 10 20 30 40 50 60Time (min)

∆H

(m

m)

Treated (depth: 0.75m)Treated (depth: 1.50m)Treated (depth: 0.25m)Non-treated R1Non-treated R2Non-treated R3Non-treated R4


Merci pour votre attention

IfsttarDépartement GERS – Géotechnique, Environnement,

Risques naturels et Sciences de la terre

[email protected]


L’essai d ’érodim ètre à jets mobilesMoJET – Mobile Jets Erosion Test

1986 Hénensal• 1 seule mesure• à 1 minute • à 1 bar de pression

2010 Essai MoJET LCPC• 7 mesures minimum• 12 min. d’essai minimum • débit 600 mL/min (2L/min max)+ mesure des profondeurs

d’érosion

0

50

100

150

200

250

300

0 2 4 6 8 10 12temps (min)

mas

se c

umul

ée (

g)

3 pr:0 R1 3 pr:0 R23 pr:10cm R1 3 pr:10cm R23 pr:20cm R1 3 pr:20cm R23 pr:40cm R1 3 pr:40cm R2

un essai simple utilisable en laboratoire et in situ

• Surface du sol attaquéeperpendiculairement par des jets

• Surface de sol non immergée


Paramètres d ’essais• Relevé de surface en 12 points avant

et après l’essai• Débit d’essai (600 ml/min)• Durée d’essai 12-15 min• Effluents récupérés à 7 pas de temps • Vitesse des jets 8.5 m/s→ PET (Briaud et al. 2012)

• Vitesse de rotation 5 rpm

1-ii

i1-ii

t-t

m

2

ttm =

+&( ) ∑

≤=

ijji mtM

0

20

40

60

80

100

120

140

0 2 4 6 8 10 12

Time (min)

Acc

umul

ated

mas

s (g

) 50% Kaolinite & 50% Sand100% Kaolinite

a) temps

mas

se c

umul

ée

0

2

4

6

8

10

12

14

0 2 4 6 8 10 12

Time (min)

Ero

sion

rat

e (g

/min

)

50% Kaolinite & 50% Sand100% Kaolinite

b) temps

taux

d’é

rosi

on


• Agrandissement d’un canal d’écoulement créé au milieu d’une éprouvette de sol par analogie à l’érosion de conduit:– Première version LCPC (Ifsttar) :

Vargas (2005), Reiffsteck (2006), Pham (2008)– Autres versions : Wan et Fell (2002, 2004), Benahmed, Bonelli

(2007, 2012)

• Nouvelle version (2010)– Plages de mesures / sollicitation plus étendues– Régulation automatisée– Eprouvettes peu remaniées

L’essai d ’érosion de trouHET – Hole Erosion Test

un essai de référencepermettant d’accéder à des lois d’érosion


L’essai d ’érosion de trouHET – Hole Erosion Test

flow

débitmètre

capteurs pression turbidimètre

trous initial et final

différence de pression imposée

time


HET: interprétation

contrainte de cisaillement

tauxd’érosion

τ

ε.

• Résultats

• Mesures – différence pression (contrôlée)

– débit– turbidité

– rayons initial & final

acquisition à 1Hz


Mesures typiques d’essai d’érosion de trou

• Évolution des paramètres au cours de l’essai– Perte de charge hydraulique constante

• Essais avec différentes sollicitations imposées

temps

turb

idité

temps

débi

t

temps

Per

te d

e ch

arge


Caractérisation de l’é rosion

SPLPt ×∆=××τ

contrainte decisaillementτ

tauxd’érosion ε

.


tauxd’érosion ε

.


tauxd’érosion ε

.


tauxd’érosion ε

.eau

sol

• Bilan des forces :

� Contrainte de cisaillement appliquée sur le paroi du trou :

• Taux d’érosion (variation de masse/temps) :

� Loi d’érosion : ?

?• Détermination du rayon (R(t)) • Wan & Fell (2002, 2004) :

• Bonelli et al. (2006) : (régime turbulent)

� Méthode énergétique : ratio de la masse érodée sur l’énergie dissipée par l’érosion (Marot et al. 2011)

L

PR ∆×=2

τdt

dRs ×= ρε&

)(τε f=&

R

( ),...,,, sfPQfR T∇=

( )PQfR ∇= ,


Calcul du diam ètre instantan é

• Signal de turbidité et la masse érodée (Haghighi et al. 2012)

∫=t

dtTQtm0

1)(

α

initialtrousfinaltrousf VVM ρρ −=

)(tR⇒

∫=ft

f dtTQM0

1

αK% : Kaolinite Armoricaine

Si%: Limon de limon de Rouen

Sa%: Sable de Fontainebleau

taille des particules

pour

cent

age

pass

ant

texture (fraction massique)

masse érodée de la kaolinite

som

me

de tu

rbid

ité


taux

d’é

rosi

on


cont

rain

te d

e ci

saill

emen

t (τ)

taux

d’é

rosi

on(έ

)

temps

Calcul des param ètres d ’érosion

• Calcul de la contrainte de cisaillement (fluide-solide) et le taux d’érosion à partir du diamètre instantané :

( )

( )

×=

∆×=⇒

dt

tdRL

PtR

sρε

τφ

&

2

taux

d’é

rosi

on


taux

d’é

rosi

on


Perte de charge imposée

ττττc

ker


-20

-15

-10

-5

0

5

10

0.1 1 10 100 1000Temps (min)

dh (m

m)

0% 10%20% 25%30% 50%70% 90%100%

20

21

22

23

24

0 5 10 15 20temps (min.)

haut

eur

(mm

)

W

12 %

16 %

teneur eau

14 %

Crumb Testnorme ASTM D6572

1976 Sherardéchantillon contrôlé,

mesures quantitatives

2006 LCPCnouvel essai d’émiettage

mesures en continupar caméra

L’essai d ’émiettage am élioréECT – Enhanced Crumb Test

un essai simple et rapidepermettant de tester les sols et l’eau

2010 LCPCessai d’émiettage amélioré


Dispositif et mesures

h

RL RR

D

βLβR


Répétabilité et d éroulement des essais

0

1

2

0 état initial

1 hydratation / gonflement

2 affaissement / dispersion


Etude possible sur la texture du sol…

13

15

17

19

21

23

3% 10% 17% 24% 31% 38%Water content

Uni

t wei

ght (

KN

/m3 ) K75S25 Humid

K75S25 Dry

K25S75 Humid

K25S75 Dry

K100 Humid

K100 Dry

K50S50 Humid

K50S50 Dry

0

20

40

60

80

100

1 10 100 1000Particle size (µm)

Pou

rcen

tage

fine

r (%

)

K25S75

S50K50

K75S25

K100

… mais aussi sur le fluide environnant !

Documents

Résistance à l’érosion des sols traités à la chaux ...actions-incitatives.ifsttar.fr/fileadmin/uploads/recherches/semin... · C. Chevalier – Résistance à l’érosion des