Erosion et dispersion : nouveaux moyens d étude

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Achille Grondin
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1 Journée technique du 9 décembre 29 Érosion et ouvrages géotechniques Erosion et dispersion : nouveaux moyens d étude Christophe Chevalier, LCPC, Paris Nadia Benahmed, CEMAGREF, Aix en Provence Didier Marot, GeM, IUT St Nazaire

étude Christophe Chevalier, LCPC, Paris Nadia Benahmed,

2 Evaluation de la sensibilité des sols face aux risques érosifs revue d essais menés à différentes échelles C. Chevalier, P. Reiffsteck, M. Duc, S. Guédon I. Haghighi, T.L. Pham LCPC Paris, division MSRGI CFMS - Journée technique du 9 décembre 29 Érosion et ouvrages géotechniques

3 Scénarios d éd érosion Ouvrages en terre soumis à une charge hydraulique Surverse Erosion interne Caractérisation (approche simpliste) Erodimètre à Jets Mobiles Essai d Erosion de Trou (HET) lt pt

4 Démarche Amélioration/modification de protocoles existants Développement de nouveaux essais Macro Erodimètre à Jets Mobiles Essai d Erosion de Trou Micro

5 Démarche Amélioration/modification de protocoles existants Développement de nouveaux essais Macro Micro Erodimètre à Jets Mobiles Essai d Erosion de Trou «Pinhole test» Nouvel Essai d Emiettage Sédimentation «Double hydrometer test» Zétamétrie Comparaison des essais entre eux : matériaux de référence Lien avec le terrain

«Pinhole test» Nouvel Essai d Emiettage Sédimentation «Double hydrometer test»

6 Démarche Amélioration/modification de protocoles existants Développement de nouveaux essais Macro Micro Erodimètre à Jets Mobiles un essai Essai facile d Erosion d utilisation de Trou applicable en «laboratoire Pinhole test ou» sur le terrain Nouvel Essai d Emiettage Sédimentation «Double hydrometer test» Zétamétrie Comparaison des essais entre eux : matériaux de référence Lien avec le terrain

en «laboratoire Pinhole test ou» sur le terrain Nouvel Essai d Emiettage Sédimentation «Double

7 Erodimètre à Jets Mobiles MoJET - "Mobile Jets Erosion Test" water under pressure eau déminéralisée R2 R4 RDP bar r1 air comprimé R5 R3 trop plein réservoir eroding unit effluent with solid load test sample R1 r2 bouteille de gaz comprimé (azote) R6 Henensal et Duchatel 199 Erodeur Mesure : masse sèche érodée au cours du temps liquide recueilli matériau à tester

effluent with solid load test sample R1 r2 bouteille de gaz comprimé (azote) R6 Henensal

8 Utilisation sur site et en laboratoire

9 Une illustration : Campagne d essais sur les levées es de Loire Digues de Loire, PN ERINOH Essais d érosion lors du décapage pour extension du talus

10 Contexte et objectifs Regarder l influence sur la sensibilité à l érosion : du lieu et de la position sur la digue commune de La Bohalle commune de St Mathurin sur Loire en pied de digue en pied de digue en haut de talus du type de fluide eau distillée eau du robinet eau du site

Bohalle commune de St Mathurin sur Loire en pied de digue en pied de

11 Résultats Résultats à Saint Mathurin sur Loire, haut de digue, eau distillée et eau du site masse cumulée (g) dist. R1 dist. R2 dist. R3 site R1 site R2 site R3 taux d'érosion (g/min) dist. R1 dist. R2 dist. R3 site R1 site R2 site R temps (min) temps (min) caractérisation in situ de la sensibilité à l érosion (de surface) peu ou pas d influence du fluide érodant

R3 site R1 site R2 site R3 taux d'érosion (g/min) 15 125 1 75 5 25 dist. R1 dist. R2 dist.

12 Résultats Analyse des résultats par configuration (site et fluide) masse cumulée (g) StMatH dist StMatH site StMatB dist. StMatB site LaBoha rob. LaBoha site taux d'érosion (g/min) StMatH dist StMatH site StMatB dist. StMatB site LaBoha rob. LaBoha site temps (min) temps (min) classement des 3 sols selon leur sensibilité à l érosion peu ou pas d influence du fluide érodant Lien avec les caractéristiques des sols testés granulométrie : sol en bas de digue plus fin à St Mathurin angle de l essai : sol moins pentu à La Bohalle

LaBoha site 2 4 6 8 1 12 2 4 6 8 1 12 temps (min) temps (min) classement des 3 sols selon leur sensibilité à l érosion peu ou pas d influence

13 Conclusions / Perspectives Forte influence du matériau envisagé (en lien avec la granulométrie et la pente de l essai) Pas d influence très sensible du fluide érodant Essais sur d autres ouvrages (PN ERINOH) canal des houillères de la Sarre (57) canal du Nord (59) canal de Briare à Montambert (58) en lien avec LRPC Blois et CETMEF Essais complémentaires du type HET ou essais d émiettage

(PN ERINOH) canal des houillères de la Sarre (57) canal du Nord (59) canal de Briare à Montambert

14 Démarche Amélioration/modification de protocoles existants Développement de nouveaux essais Macro Micro Erodimètre à Jets Mobiles Essai d Erosion de Trou «Pinhole test» un essai de référence pour l étude Nouvel de la sensibilité Essai d Emiettage à l érosion Sédimentation «Double hydrometer test» Zétamétrie Comparaison des essais entre eux : matériaux de référence Lien avec le terrain

référence pour l étude Nouvel de la sensibilité Essai d Emiettage à l érosion Sédimentation

15 Essai d Erosion d de Trou HET - "Hole Erosion Test" débitmètre sens de l écoulement saut de pression constant capteur de pression turbidimètre rayon initial et rayon final du trou t=' t=123' t=183' t=22'

16 HET: interprétation tation Mesures saut de pression (paramètre de contrôle) débit turbidité rayons initial et final du trou acquisition à 1 Hz Résultats Un exemple de résultats : taux ε. d érosion comment évoluent les paramètres d érosion dans un mélange sable-argile (95% OPN) selon la teneur en argile? τ contrainte de cisaillement

17 Erosion de trou : une illustration Evolution avec la fraction d argile kaolinite 7% argile 1% argile ε. τ 3% argile 5% argile apparition d un seuil détectable entre 3 et 5% d argile pas de modification significative du coefficient d érosion

τ 3% argile 5% argile apparition d un seuil détectable

18 Contrainte de cisaillment critique (Pa) Erosion de trou : une illustration Evolution avec la fraction d argile kaolinite KS 3% argile 5% argile Pourcentage d'argile (%) Coefficient d'érosion (s/m),16 7% argile,14,12,1,8,6,4,2 1% argile ε Pourcentage d'argile (%) τ KS apparition d un seuil détectable entre 3 et 5% d argile pas de modification significative du coefficient d érosion

d'érosion (s/m),16 7% argile,14,12,1,8,6,4,2 1% argile ε.

19 Erosion de trou : une illustration Vers des textures plus complexes: kaolinite+limon+sable (95% OPN) ε. τ,6,5 y = 1,73E-3x - 1,4E-2 K25L5S7 R 2 = 8,39E-1 y = 6,34E-4x - 7,73E-4 K35L25S4 R 2 = 9,55E-1 y = 3,71E-4x - 9,29E-3 K65L5S3 R 2 = 9,37E-1 Taux d'érosion (kg/s/m2),4,3,2 y = 6,31E-4x - 5,65E-3 R 2 = 9,63E-1 K45L4S15 Texture 4 Texture 5,1 Texture 6 Texture Contrainte de cisaillement (Pa)

- 9,29E-3 K65L5S3 R 2 = 9,37E-1 Taux d'érosion (kg/s/m2),4,3,2 y = 6,31E-4x - 5,65E-3 R 2 = 9,63E-1 K45L4S15

20 Contrainte de cisaillment critique (Pa) Erosion de trou : une illustration Vers des textures plus complexes: kaolinite+limon+sable KS KLS Taux d'érosion (kg/s/m2),6,5,4,3,2,1 y = 1,73E-3x - 1,4E-2 K25L5S7 R 2 = 8,39E Pourcentage d'argile (%) y = 6,34E-4x - 7,73E-4,14 K35L25S4 R 2 = 9,55E-1 Coefficient d'érosion (s/m),16,12,1 y = 6,31E-4x - 5,65E-3,8 R 2 = 9,63E-1 K45L4S15,6,4, Contrainte de cisaillement (Pa) y = 3,71E-4x - 9,29E-3 K65L5S3 R 2 = 9,37E-1 Texture 4 Texture 5 Texture 2 6 Texture KS Pourcentage d'argile (%) Bonne corrélation des résultats en ne considérant que la fraction argileuse ε. τ KLS

$K65L5S3 R 2 = 9,37E-1 Texture 4 Texture 5 Texture 2 6 Texture 4 7 6 8 1 KS Pourcentage d'argile (%) Bonne corrélation des résultats en ne considérant que la fraction$

21 Pour aller plus loin : analyse au MEB avant érosion après érosion 3% argile grains de sable détachés de la matrice argileuse 7% argile air prisonnier de la texture initiale? grains de sable retenus par la matrice argileuse

22 Comparaison entre essais Essai d Erosion de Trou (HET) Erodimètre à Jets Mobiles Mélanges Kaolinite+Limon+sable Textures "1" et "4" bien distinctes Textures "2", "3" et "5" relativement similaires Même tendance pour les différentes textures

23 Démarche Amélioration/modification de protocoles existants Développement de nouveaux essais Macro Micro Erodimètre à Jets Mobiles Essai d Erosion de Trou «Pinhole test» Nouvel Essai d émiettage Sédimentation un essai simple pour caractériser «Double hydrometer l influence de test l eau» Zétamétrie Comparaison des essais entre eux : matériaux de référence Lien avec le terrain

24 Nouvel essai d éd émiettage* À partir de la norme ASTM D6572- du «crumb test» Dame de compactage Nouvel échantillon Echantillon de sol compacté placé dans un grand volume d eau distillée Moule Echantillon D = 15 mm H = 2 mm Halo de dispersion des particules δh(t) Classification D(t) Echantillon de texture, de teneur en eau et de densité controlées (optimum Proctor) Nouvelles mesures du gonflement/affaissement δh(t) et du diamètre D(t) de l échantillon au cours du temps * Pham et al., JNGG 28, ICSE 28

25 Nouvel essai d éd émiettage 5 δh(t)= 8h (mm) -5-1 état initial D(t) Diamètre (mm) Temps (min) Temps (min)

26 Nouvel essai d éd émiettage 5 δh(t)> 1 8h (mm) -5-1 état initial D(t) 1 hydratation / gonflement Diamètre (mm) Temps (min) Temps (min)

27 Nouvel essai d éd émiettage 5 δh(t)< 1 8h (mm) -5-1 D(t) état initial 1 hydratation / gonflement 2 affaissement / dispersion 2 Diamètre (mm) Temps (min) Temps (min)

28 Exemples d essaisd Texture argilo-limoneuse K45L4S15 Texture argileuse K65L5S3 état initial hydratation / gonflement affaissement / dispersion temps d essai : 25 minutes Comportement similaire mais caractéristiques différentes

29 Illustrations Etudes paramétriques (sol et eau)

30 Illustrations Comparaisons avec d autres essais (HET)

31 Conclusions Essais caractérisant l érosion et/ou la dispersion in situ (MoJET) en laboratoire (MoJET HET Essai d émiettage) Essais de différentes natures géotechniques mécaniques physico-chimiques Meilleure compréhension sur le rôle : de la fraction argileuse du fluide érodant de la nature des argiles Diagnostic de la sensibilité à l érosion des ouvrages en terre Alimentation de modèles de calcul grâce à la prise en compte de l érosion Couche plus perméable Surverse

32 Merci de votre attention des questions? Contacts : C. Chevalier christophe.chevalier@lcpc.fr Ph. Reiffsteck philippe.reiffsteck@lcpc.fr Journée technique du 9 décembre 29 Érosion et ouvrages géotechniques

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