IMPACT DU TRAITEMENT DE SOL SUR L EROSION INTERNE DES SOLS FINS COMPACTES

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1 IMPACT DU TRAITEMENT DE SOL SUR L EROSION INTERNE DES SOLS FINS COMPACTES IMPACT OF SOIL TREATMENT ON INTERNAL EROSION OF FINE COMPACTED SOILS Abdelwadoud MEHENNI 1,2, Olivier CUISINIER 1, Farimah MASROURI 1 1 Laboratoire d'energétique et de Mécanique Théorique et Appliquée, UMR 7563 CNRS - Université de Lorraine, France 2 DTP Terrassement - Bouygues Construction, Paris, France RÉSUMÉ Cette étude met en évidence l impact du traitement par la chaux, le ciment, la kaolinite et la bentonite sur les caractéristiques d érosion interne d un sol fin compacté. Un dispositif d érosion de type «Hole Erosion Test» a été développé pour étudier l érosion des sols traités sous hautes contraintes de cisaillement hydraulique. Les résultats montrent que les caractéristiques d érosion peuvent être optimisées par les traitements. Pour un sol donné, cette optimisation dépend principalement de la nature et du dosage du produit de traitement. ABSTRACT This study presents the impact of treatment by lime, cement, kaolinite and bentonite, on the internal erosion characteristics of a fine compacted soil. A modified Hole Erosion Test was developed to study the erosion of treated soil under high hydraulic shear stress. The results show that treatment could improve erosion characteristics. For a given soil, this enhancement depends mainly on the nature and the percentage of the treatment product. 1. Introduction Le traitement des sols est souvent utilisé dans les travaux de terrassement, ou pour la réalisation d'ouvrages en terre. L'impact du traitement sur le comportement hydromécanique des sols est bien documenté. Cependant, l'utilisation du traitement dans les ouvrages hydrauliques soulève d'autres problématiques. En effet, en plus d assurer leur stabilité globale et la fonction hydraulique qui leur incombe, ces ouvrages doivent faire face aux différentes actions érosives de l'eau. Ces actions peuvent provoquer des altérations des caractéristiques des matériaux en place, allant même jusqu à la rupture de l ouvrage. Afin de caractériser l érosion interne des sols, Wan et Fell (2002) ont développé le Hole Erosion Test (HET). Cet essai permet de déterminer la loi d érosion empirique d un sol sous la forme suivante : (1)

2 où : est le taux d érosion par unité de surface et par unité de temps (kg/s/m2) ; est la contrainte de cisaillement hydraulique (Pa) ; est le coefficient d érosion du sol (s/m); est la contrainte critique du sol (Pa). A partir de leur travaux, Wan et Fell (2002) ont proposé une classification se basant uniquement sur l indice d érosion (I) calculé à partir du coefficient d érosion par la relation : I = - log ( ). Les sols sont ensuite groupés en six classes d érodabilité allant de 1 (érosion extrêmement rapide) jusqu à 6 (érosion extrêmement lente). Les conditions de compactage peuvent affecter les caractéristiques d érosion interne des sols. L augmentation de la densité sèche initiale induit une diminution du coefficient d érosion (Wan et Fell, 2002), ainsi qu une augmentation de la contrainte critique (Benahmed et Bonelli, 2012). Wahl (2010) a par ailleurs montré que le long de la courbe de compactage, la résistance à l érosion est optimale pour les valeurs du couple densité sèche/teneur en eau correspondant à l optimum de compactage. L influence de la teneur en argile du sol considéré a été caractérisée par plusieurs auteurs (e.g., Bennabi et al., 2012; Benahmed et Bonelli, 2012; Haghighi, 2012). En travaillant sur des mélanges de sable-argile, ils ont montré que l augmentation du pourcentage d argile induit une augmentation de la contrainte critique et une diminution du coefficient d érosion. Cependant, seules quelques rares études portent sur l impact des traitements type chaux et ciment sur les caractéristiques d érodabilité. Ceci est principalement lié au niveau insuffisant des contraintes de cisaillement hydrauliques appliquées par les dispositifs conçus pour des sols non traités. Indraratna et al. (2009) ont travaillé sur un sable traité au ciment, ils ont observé que le traitement au ciment engendre une augmentation de la contrainte critique et une diminution du coefficient d érosion. Chevalier et al. (2012) et Herrier et al. (2012) ont montré que le traitement à la chaux permet d augmenter la contrainte critique et de diminuer le coefficient d érosion. Néanmoins, le nombre limité d études ne permet pas de conclure quant à l impact du temps de cure et du pourcentage du produit traitement. L objectif principal de cet article est de déterminer l impact des différents traitements sur les caractéristiques d érosion d un limon fin compacté. Les essais d érosion ont été réalisés avec un dispositif d érosion type Hole Erosion Test modifié de manière à atteindre des contraintes de cisaillement hydraulique adaptées. 2. Procédure expérimentale 2.1. Matériaux et programme d essai Le sol utilisé dans le cadre de cette étude est un limon fin, de classe GTR A1 (wl = 28,5 % ; wp = 20,5 % ; VBS = 1,56 ; pourcentage (< 80 µm) = 99,2 %). Les produits de traitement et les dosages utilisés sont les suivants : la kaolinite (2 et 9 %), la bentonite sodique activée (2 %), la chaux vive (1 et 3 %) et le ciment CEM II (3 et 6 %). Ces dosages correspondent à : une valeur couramment utilisée par produit de traitement et une borne supérieure de ce qui pourrait être envisagé in situ.

3 Pour la confection des éprouvettes, le sol a été initialement préparé à la teneur en eau souhaitée, puis conservé durant 24 heures pour homogénéisation. Ensuite le produit de traitement a été mélangé avec le sol par un malaxage mécanique. Dans le cas du traitement avec la chaux, le mélange a été ensuite conservé pendant 1 heure dans des sacs hermétiques avant compactage. Dans le cas du traitement au ciment le sol a été compacté directement après malaxage afin de respecter le délai de prise du ciment. Pour le traitement par produits argileux aucun temps de cure n a été nécessaire avant le compactage. Le sol a été compacté directement dans des moules cylindriques (D = 70 mm, H = 150 mm) adapté au dispositif d érosion interne développé. Les courbes de compactage ont été déterminées pour chaque traitement et chaque dosage. Les éprouvettes pour l essai d érosion ont été compactées du côté humide de l optimum avec : w = wopn+2,5% et 0,96 γdmax<γ< 0,97 γdmax, selon chaque cas de traitement. Dans le cas du traitement à la chaux et au ciment, les éprouvettes ont subi différents temps de cure avant les essais d érosion (1, 7 et 30 j) Principe et dispositif expérimental Le principe de l essai HET est d établir un écoulement d eau dans un conduit cylindrique préformé initialement dans le sol. Les contraintes de cisaillement hydraulique générées à l interface sol/eau provoquent alors l érosion du sol dans le conduit. Le principe de l essai est de suivre l augmentation du diamètre du conduit en fonction du temps par la mesure de différents paramètres durant l essai : i) le débit d eau dans le sol, ii) le différentiel de pression entre l amont et l aval, et iii) la concentration des particules de sol dans les effluents. Dans le cadre de cette étude un nouveau dispositif d'érosion basé sur le modèle HET (Wan et Fell, 2002) a été développé pour mesurer les caractéristiques d'érosion des sols fins traités. Le dispositif permet d'appliquer des pressions à l amont de la cellule allant jusqu à 500 kpa. La pression est appliquée par un réservoir à membrane aireau. Le maintien du niveau de pression se fait par le réglage automatique de la vanne de régulation d entrée d air dans le réservoir. Le schéma de la cellule d essai est présenté dans la Figure 1. Des capteurs de pression placés dans la chambre d entrée et dans la chambre de sortie permettent de mesurer le différentiel de pression entre l amont et l aval de la cellule. Les mesures du débit sont effectuées par un débitmètre à ultrasons placé en amont de la cellule d essai. La concentration des particules de sol dans les effluents est mesurée par un turbidimètre placé juste après la chambre de sortie Procédure d essai Après le compactage du sol, un conduit est réalisé par forage, le diamètre du conduit varie entre 3 et 6 mm. L'éprouvette du sol est ensuite mise en place sur le dispositif d essai. Une phase de saturation du conduit de la cellule d essai est assurée avant le début de l essai. L essai d'érosion est réalisé par application d'une pression constante à l'entrée de la cellule. Le but étant de maintenir cette pression constante

4 pendant l'essai et de mesurer pour chaque pas de temps le débit d eau traversant le conduit, le différentiel de pression entre l amont et l aval, et aussi la turbidité des effluents. A la fin de l essai, le conduit érodé est rempli avec de la paraffine liquide, ce qui permet de déterminer sa géométrie et son diamètre moyen Modèle d'analyse Figure 1. Schéma de la cellule d essai. L observation de la forme finale du conduit des éprouvettes érodées montre qu elle n est pas toujours cylindrique mais plutôt d'une forme ellipsoïdale. Les équations d'analyse ont donc été modifiées afin d'intégrer la forme réelle du conduit dans le calcul des paramètres d'érosion. Considérant un conduit dont la forme est ellipsoïdale, où et sont respectivement le petit et le grand rayon de l ellipse, le taux d érosion et la contrainte de cisaillement hydraulique sont alors définis comme suit : (2) (3) Où : est la densité sèche ; et sont les variations du petit et du grand rayon de l ellipse ; est la hauteur de l éprouvette du sol ; est le différentiel de pression entre l amont et l aval de l éprouvette à l instant t.

5 Afin de déterminer les paramètres d érosion il est nécessaire de mesurer la variation des rayons du conduit durant l érosion du sol. La perte de sol est utilisée pour mesurer l évolution des rayons du conduit durant l essai. Dans un premier temps la perte de masse concentration du sol dans les effluents : est mesurée par rapport à la (4) Où : la concentration du sol dans les effluents; le débit d eau à l instant t. Dans un deuxième lieu, la perte de masse est reliée à la géométrie du conduit érodée. Deux hypothèses sont alors supposées : i) l érosion est uniforme le long du conduit ; ii) la relation entre les rayons de l ellipse est unique [ coefficient est mesuré à la fin de l essai. Ainsi, la perte de masse est comme suit : L évolution du rayon peut être déduite en égalisant les deux équations (4 et 5) de la perte de masse : ], le (5) (6) La concentration du sol est calculée à partir des mesures du signal de turbidité (Reddi et al. 2000). Des essais d étalonnage préliminaire ont permis de déterminer la relation entre la concentration et la turbidité pour chaque traitement et chaque dosage. Cette relation est définie sur deux domaines de concentrations : faibles [0 à ~1,5 kg/m3] et élevées [~1,5 à 16 kg/m 3 ]. L utilisation du domaine de faibles concentrations permet d apporter plus de précision sur la mesure de concentration à partir du signal de turbidité. Les résultats montrent une linéarité entre la concentration du sol et le signal de turbidité, cette linéarité est vérifiée dans les deux domaines considérés. 3. Résultats 3.1. Limon sans traitement L étude de l érosion du limon sans traitement a permis de vérifier la répétabilité des essais obtenus par le diapositif HET. Les éprouvettes ont été compactées dans les mêmes conditions (γd = 1,73 kg/m 3 et w = 17,5 %). Les résultats (Tableau 1) montrent que le coefficient d érosion varie entre 1,13 x 10-04et 3,04 x s/m, et que la contrainte critique varie entre 291 et 615 Pa. La dispersion des résultats est inférieure à celle obtenue dans les études ultérieures (e.g., Wan et Fell, 2002 ; Farrar et al., 2007). Haghighi (2013) obtient le même niveau de contrainte hydraulique pour un limon de même classe GTR. L indice d érosion du limon sans traitement varie

6 entre 3,59 et 3,95 il peut être classé dans le groupe «érosion modérément rapide» d après la classification de Wan et Fell (2002). Tableau 1. Caractéristiques d'érosion du limon sans traitement. Test (s/m) (Pa) 1 2,58 x ,16 x ,22 x ,13 x ,04 x ,30 x Traitement par produits argileux Les résultats du limon traité par produits argileux sont donnés dans le Tableau 2. L utilisation du 2 % de kaolinite n a pas modifié le coefficient d érosion, alors que la contrainte critique tend à augmenter avec une valeur maximale de 754 Pa. Avec 9 % de kaolinite, le coefficient d érosion diminue d un ordre de grandeur et la contrainte critique reste dans le même intervalle de variation que le limon sans traitement. Le limon traité avec 2 % de kaolinite est classé dans le groupe «érosion modérément rapide» alors que le limon avec 9 % de kaolinite est classé dans le groupe «érosion modérément lente». Le traitement avec 2 % de bentonite conduit à une diminution du coefficient d érosion par un ordre de grandeur, la contrainte critique reste dans le même intervalle de variation que le limon sans traitement. Le limon avec 2 % de bentonite est classé dans le groupe «érosion modérément lente». Tableau 2. Caractéristiques d'érosion du limon traité avec des produits argileux. Nature du traitement Limon + 2 % kaolinite Limon + 9 % kaolinite Limon + 2 % bentonite Densité sèche Teneur en eau (%) Nombre d essai 1,73 17,5 3 1,74 18,3 4 1,74 17,8 4 (s/m) 1,54 x 10-04< <2,68 x ,62 x 10-05< <9,83 x ,13 x 10-05< <5,98 x (Pa) 483< < < < < < Traitement à la chaux La Figure2.a montre un exemple de résultats sur le limon traité avec 1 %de chaux à 7 jours de cure. Les deux phases d érosion peuvent être définies par deux droites distinctes. Dans la phase du début d essai, l érosion du sol commence pour une contrainte de cisaillement hydraulique proche de 930 Pa, puis l érosion progresse avec une pente de 3,76 x s/m jusqu à atteindre un taux d érosion maximal de 0,30 kg/s/m². S ensuit alors la phase de fin d essai caractérisée par une diminution

7 d érosion avec une pente de 2,65 x s/m, la contrainte critique pour cette phase est de l ordre de 1500 Pa. Les caractéristiques d érosion issues de la phase de fin d essai sont plus élevées que celles issues de la phase du début d essai. Le sol résiste donc mieux à l érosion en fin d essai qu en début d essai. Ce comportement peut être lié aux dommages résultant de la phase du forage du conduit qui a eu lieu après la période de cure et juste avant l essai d érosion. En effet, dans cette zone endommagée, le sol traité à la chaux présente un comportement fragile. De ce fait, durant le forage du conduit, les couches de sol proches du conduit peuvent subir des dommages plus importants que les autres couches. Cette partie du sol est donc plus vulnérable à l action d eau et elle résiste moins que la partie du sol non affectée par le forage. Cette hypothèse a été vérifiée par des essais où le forage du conduit a été effectué juste après compactage du sol, donc avant le début de la phase de prise pouzzolanique du sol lié aux effets de traitement. Les résultats montrent que les phases du début et de la fin d essai sont les mêmes, ce qui permet donc de tracer une loi d érosion unique. Ainsi, afin d examiner l impact des traitements sur les caractéristiques d érosion, seuls les résultats issus de la phase finale des essais ont été considérés. Figure 2. Exemples des résultats des essais d'érosion. a) limon traité avec 1% de chaux à 7 jours de cure. b) limon traité avec 3% de ciment à 7 jours de cure. Les caractéristiques d érosion du limon traité à la chaux sont données dans le Tableau3. Pour le traitement avec 1 % de chaux (γd = 1,70 kg/m 3 et w = 20,0 %), le coefficient d érosion varie entre 1,20 x 10-04et 2,87 x 10-04s/m, indépendamment du temps de cure. Pour le traitement avec 3 % de chaux (γd = 1,68 kg/m 3 et w = 20,0 %), le coefficient d érosion varie entre 1,54 x et 2,52 x 10-04s/m, aussi indépendamment du temps de cure. De plus, la contrainte critique augmente pour les deux dosages étudiés, avec des valeurs maximales de 1770 Pa et 1889 Pa,

8 respectivement pour 1 et 3 % de chaux. Pour les deux dosages étudiés, les éprouvettes sont classées dans le groupe«érosion modérément rapide». Tableau 3. Caractéristiques d'érosion du limon traité à la chaux. Nature du traitement Temps Nombre de cure d essai (s/m) (Pa) Limon + 1 % chaux 1 3 1,20 x 10-04< <2,62 x < <836 Limon + 1 % chaux 7 3 2,35 x 10-04< <2,87x < <1770 Limon + 1 % chaux ,53 x 10-04< <2,71 x < <1538 Limon + 3 % chaux 1 2 2,01 x 10-04< <2,47 x < <1409 Limon + 3 % chaux 7 3 1,54 x 10-04< <4,52 x < <1889 Limon + 3 % chaux ,78 x 10-04< <2,27 x < < Traitement au ciment Un exemple des résultats d un essai d érosion sur le limon traité avec 3 % ciment à 7 jours de cure est présenté dans la Figure 2.b. Les résultats montrent aussi l existence de deux phases d érosion qui peuvent être définies par deux droites distinctes. Ce comportement est similaire à celui des éprouvettes traitées à la chaux. En effet, le limon traité au ciment suite à 7 jours de cure devient fragile et donc le forage du conduit après cette période de cure peut provoquer des dommages aux couches de sol proches du conduit. Donc, seuls les résultats issus de la phase finale des essais sont retenus pour caractériser le limon traité au ciment. Les caractéristiques d érosion du limon traité au ciment sont données dans le Tableau 4. Pour le traitement à 3 % de ciment (γd = 1,75 kg/m3 et w = 17,5 %), le coefficient d érosion varie entre 1,13 x et 1,67 x s/m, et la contrainte critique varie entre 2531 et 3619 Pa. Le temps de cure semble ne pas avoir d effet sur la variation des caractéristiques d érosion. Les éprouvettes traitées avec 3 % de ciment sont classées dans le groupe «érosion modérément rapide». Pour les éprouvettes traitées avec 6 % de ciment (γd = 1,75 kg/m3 et w = 17,5 %), l érosion du sol est initiée pour des contraintes supérieures à 4000 Pa. La courbe d érosion montre aussi un comportement différent entre le début et la fin d essai. Cependant, dans certains cas, l irrégularité de la courbe d érosion ne permet pas de l assimiler à une droite. Dans ce cas, la contrainte critique est calculée lorsque l érosion s arrête, et le coefficient d érosion n est alors pas déterminé. Les résultats du traitement avec 6 % de ciment sont donnés dans le tableau 4. Le coefficient d érosion diminue d un ordre de grandeur et la contrainte critique augmente jusqu à 9893 Pa à 7 jours de cure. Cette augmentation de la contrainte critique est proportionnelle au temps de cure. Les éprouvettes traitées avec 6 % de ciment sont classées dans le groupe «érosion modérément lente».

9 Tableau 4.Caractéristiques d'érosion du limon traité au ciment. Nature du traitement Temps Nombre de cure d essai (s/m) (Pa) Limon + 3 % ciment 1 1 = 1,13 x =2850 Limon + 3 % ciment 7 2 1,26 x 10-04< <1,47 x < <3619 Limon + 3 % ciment ,31 x 10-04< <1,67 x < <3150 Limon + 6 % ciment 1 3 1,00 x 10-05< <8,00 x < <6800 Limon + 6 % ciment 7 2 Non déterminé 9734< < Discussion La Figure 3 présente l impact des traitements sur les caractéristiques d érosion du limon étudié (, ). Sans traitement le limon présente une contrainte critique élevée (entre 291 et 615 Pa). Ceci peut être lié d une part, au pourcentage élevé des particules fines inférieures à 80 µm (99.2 %), et d autre part, aux conditions de compactage. En effet, le compactage du côté humide de l optimum confère un meilleur arrangement des particules de sol et aussi une porosité plus faible. Le compactage côté humide, combiné au niveau élevé de la densité sèche (1,73), engendre une compacité plus élevée du sol. Ceci nécessite alors une contrainte hydraulique élevée pour provoquer le détachement de particules de sol. Cependant, quand la contrainte critique est atteinte, l érosion progresse rapidement du fait de la valeur élevée du coefficient d érosion (de l ordre s/m). Ce comportement est lié à l absence de liens de cohésion entre les particules du limon. Le traitement à la kaolinite n a pas modifié de manière significative la contrainte critique du limon. Cependant, avec 9 % de kaolinite le coefficient d érosion diminue d un ordre de grandeur. Cette diminution peut être liée à la modification de la granulométrie du sol avec 9 % de kaolinite. Le traitement avec 2 % de bentonite engendre une diminution du coefficient d érosion d un ordre de grandeur. Les effets de 2 % de bentonite sont similaires à ceux de 9 % de kaolinite. Ceci montre l importance de la nature du produit argileux utilisé.

10 Figure 3. Impact des traitements sur les caractéristiques d érosion du limon. Le traitement à la chaux engendre principalement une augmentation de la contrainte critique. Cette augmentation pourrait être liée principalement aux effets immédiats de l ajout de la chaux, puis au développement des réactions pouzzolaniques qui créent des liens entre les particules de sol. Il serait donc nécessaire d appliquer une contrainte de cisaillement hydraulique plus élevée pour rompre ces liens. Ici, le traitement à la chaux n a pas affecté le coefficient d érosion du limon, ceci peut être expliqué par le processus de détachement qui affecte davantage les agrégats et non les particules de sol. Les contraintes hydrauliques affectent donc en premier lieu les liens entre agrégats qui seraient plus faibles que les liens entre particules de sol. Le traitement au ciment engendre une augmentation de la contrainte critique du sol. Cette optimisation est principalement liée à la prise du ciment et le développement des composés cimentaires. Ces modifications confèrent donc au sol une meilleure résistance à l érosion. L impact du temps de cure sur l évolution des caractéristiques d érosion dépend du dosage utilisé. Pour un dosage de 3 % le temps de cure n affluence par l optimisation, qui s obtient à court terme. Alors que pour 6 % de ciment, les modifications sont favorisées par le temps de cure. Ce comportement peut être lié au dosage élevé de ciment qui nécessite un temps de prise plus grand. 5. Conclusion L étude de l érosion interne d un limon fin compacté non traité et traité par deux différents types d argile, de la chaux et du ciment à différents dosages dans un appareil du type HET modifié a été présentée. Les résultats ont montré que les traitements peuvent améliorer les caractéristiques d érosion du sol. Le traitement par des produits argileux peut diminuer le coefficient

11 d érosion et cette diminution dépend du dosage et de la nature du produit argileux. L ajout de la chaux permet d augmenter la contrainte critique. Le traitement avec un dosage approprié de ciment, permet à la fois de diminuer le coefficient d érosion et d augmenter la contrainte critique. Ces traitements peuvent donc être envisageables pour une utilisation dans des ouvrages hydrauliques. Cependant, les optimisations à court terme doivent être vérifiées à long terme par des études de durabilité. En effet, les caractéristiques optimisées peuvent évoluer en fonction des sollicitations que les ouvrages hydrauliques subissent tout au long de leur durée de vie. Remerciements Les auteurs remercient Messieurs E. Lavallée, S. Bonne et T. Le Borgne de DTP Terrassement pour leur contribution et leur soutien de cette étude. Références bibliographiques Benahmed N., Bonelli S., (2012). Investigation concentrated leak erosion behaviour of cohesive soils by performing hole erosion tests, European Journal of Environmental and Civil Engineering, vol. 16, N. 1, January, Bennabi A., Karoui T., Benamar A., Wang H.Q., (2012). Some elements of comparison between two laboratory devices for soil erosion testing, ICSE6 Paris-august 27-31, Chevalier C., Haghighi I., Herrier G., (2012). Resistance to erosion of lime treated soils: a complete parametric study in laboratory, ICSE6 Paris-august 27-31, Farrar J.A., Torres R.L., Erdogan Z., (2007). Bureau of reclamation erosion testing for evaluating piping and internal erosion of dams, Geotechnical Special Publication, N. 167, Haghighi I., (2012). Caractérisation des phénomènes d érosion et de dispersion des sols : développement d essais et applications pratiques. Thèse de doctorat, École Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, France. Herrier G. Chevalier C., Froumentin M., Cuisinier O., Bonelli S., Fry J.J., (2012). Lime treated soil as an erosion-resistant material for hydraulic earthen structures, ICSE6 Paris-august 27-31, Indraratna B., Muttuvel T., Khabbaz H., (2009).Modelling the erosion rate of chemically stabilized soil incorporating tensile force-deformation charcacteristics, Canadian Geotechnical journal, N 46, Reddi L.N., Lee I.M., Bonala M.V.S., (2000). Comparison of internal and surface erosion using flow pump tests on a sand-kaolinite mixture, Geotechnical testing journal. N 23, Wahl T., (2010). A comparison of the hole erosion test and jet erosion test, Joint federal interagency conference on sedimentation and hydrologic modeling, Las Vegas june 27-july 1. Wan C.F., Fell R., (2002). Investigation of internal erosion and piping of soils in embankment dams by the slot erosion test and the hole erosion test, UNICIV Report, no. R-412.