Présentation de Terranimo

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1 Présentation de Terranimo 1. Qu est-ce que Terranimo et à quoi sert-il? Terranimo est un modèle informatique permettant de déterminer le risque de compaction du sol lors de l utilisation de véhicules agricoles. Terranimo s adresse avant tout aux agriculteurs, aux entreprises de travaux agricoles, aux conseillers et aux autorités d exécution, mais il devrait aussi pouvoir être employé à des fins scientifiques. Terranimo doit contribuer à optimiser l emploi au champ des machines agricoles et à limiter les dégâts causés à la structure du sol en mettant en évidence les situations où le risque de compaction persistante du sol est élevé. 2. Qui a créé Terranimo? Terranimo est un projet international, porté par une équipe de scientifiques suisses et danois. Au Danemark, les travaux sont menés par Per Schjønning, Mathieu Lamandé et Poul Lassen, du centre de recherche Foulum, à Tjele, une unité du département d agroécologie de l Université d Aarhus. 3. Le principe de Terranimo Terranimo se base sur une idée simple et bien connue : la pression au sol (ou contrainte) exercée par les machines agricoles est compensée par la résistance du sol (fig. 1). Fig. 1. Terranimo se base sur le principe de l équilibre entre la contrainte exercée sur le sol et la résistance du sol. Si la résistance du sol est plus élevée que la contrainte exercée, il n y a pas lieu de craindre l apparition de déformations persistantes, c est-à-dire dommageables, du sol. En revanche, si la pression exercée sur le sol dépasse sa résistance, les compactions sont inévitables et il faudrait éviter de circuler sur le sol. A vrai dire, il est assez compliqué d estimer la contrainte exercée sur un sol et la résistance de ce dernier. Terranimo prend en compte une série de paramètres importants pour arriver à une évaluation aussi exacte que possible du risque de compaction. Le modèle existe en deux versions, adaptées aux besoins d utilisateurs différents : Terranimo light pour une évaluation simple et 1

2 rapide, mais approximative, et Terranimo expert pour une analyse exhaustive du risque de compaction dans des conditions précises. 4. Terranimo light: l évaluation du risque à la portée de tous Terranimo light se base sur quatre paramètres pour fournir une évaluation rapide du risque de compaction du sol : charge à la roue, pression de gonflage des pneus, taux d humidité et teneur en argile du sol. La contrainte à 35 cm de profondeur est calculée à partir de la charge à la roue et de la pression de gonflage des pneus. La valeur de 35 cm découle des normes de protection du sol appliquées dans le domaine de la construction et se justifie par la nécessité de protéger en priorité ces premières couches sous-jacentes du sol, car les dommages y sont très difficiles à réparer. La formule utilisée pour calculer la contrainte se fonde sur des essais de roulage réalisés au Danemark avec plusieurs types de pneu et divers couples charge à la roue / pression de gonflage du pneu (Schjønning et al. 2012). L analyse des résultats a montré que la charge à la roue et la pression de gonflage décrivent assez précisément la contrainte exercée sur le sol, indépendamment de la marque ou du type de pneu. Cette relation peut être décrite sous la forme d un nomogramme (fig. 2) : lorsque la charge à la roue et la pression de gonflage du pneu augmentent, la contrainte exercée sur le sol croît également. Figure 2. Nomogramme de la contrainte exercée sur le sol (modifié d après Schjønning et al. 2012): les isolignes montrent la pression à 35 cm de profondeur en fonction de la charge à la roue et de la pression de gonflage des pneus. La résistance du sol peut être estimée à partir de la force de succion, une mesure de l humidité d un sol, et de sa teneur en argile. La fonction de calcul se fonde sur des mesures œdométriques (tests de compression pour déterminer le rapport entre pression et tassement) effectués sur 2

3 quelque 500 échantillons de sols danois, à au moins trois forces de succion différentes (5, 10 et 15 cbar) et pour des teneurs en argile variant entre 5 et 18 %. Le nomogramme ci-dessous (fig. 3) montre que les relations entre teneur en argile et force de succion sont un peu plus complexes que celles qui déterminent la contrainte exercée sur le sol. En effet, selon la teneur en argile du sol, l influence de la force de succion sur la résistance du sol variera considérablement. Ainsi lorsqu ils sont humides (force de succion < 10 cbar), les sols légers, à faible teneur en argile, sont en général plus stables que les sols lourds, mais, lorsqu ils s assèchent, leur résistance croît nettement moins que celle des sols argileux. Autour de la capacité au champ (lorsque la force de succion est environ égale à 10 cbar), l influence de la teneur en argile est relativement faible. Ce principe a pu être validé par des mesures œdométriques effectuées en Suisse. Figure 3. Nomogramme de la résistance du sol (modifié d après Schjønning, non publié) : les isolignes montrent la pression de préconsolidation à 35 cm de profondeur en fonction de la teneur en argile et de la force de succion. Dans Terranimo light, les valeurs de contrainte et de résistance du sol, déterminées comme expliqué ci-dessus, sont reportées sur le diagramme de décision à trois couleurs présenté dans la figure 4, ce qui constitue de fait l évaluation du risque. Le risque de compaction se voit attribuer un de trois niveaux de risque (vert, jaune, rouge), décrits ci-après. Vert : aucun risque de compaction; il est donc possible de rouler sans risque sur le sol dans son état actuel avec le véhicule prévu. Jaune : domaine de transition critique, avec risque de compaction notable. La connaissance d autres caractéristiques du sol permet de préciser le niveau de risque. Ainsi, lorsque la teneur en pierres du sous-sol dépasse 10 % ou si le sol est bien structuré (notamment parce que des mesures de conservation ont été prises, que l enracinement est bon, qu il a une teneur élevée en humus ou bénéficie d un apport de calcaire suffisant), alors le risque diminue. Dans tous 3

4 les cas, il faut également tirer profit des possibilités techniques de réduire la contrainte (p. ex. diminuer la pression de gonflage, ne remplir que partiellement la trémie, monter des roues jumelées, etc.). Rouge : risque avéré de compaction persistante de la couche sous-jacente du sol. Il faut s abstenir de circuler sur le sol, sauf si des mesures immédiates permettent de ramener le risque dans la zone jaune (p. ex. réduction de la pression de gonflage ou de la charge à la roue). La limite vert-jaune correspond à une contrainte égale à 50 % de la résistance du sol. Selon l état actuel des connaissances, cette valeur correspond au passage d un état de plasticité totale (aucun dommage persitant) à un début de déformation plastique de la structure du sol (début de compaction persistante, Keller et al. 2011). La limite jaune-rouge correspond à une contrainte égale à 110 % de la résistance du sol. Dans la portion rouge du graphique, des essais de roulage au champ ont montré qu il faut s attendre à des déformations plastiques importantes de la structure du sol, et par conséquent à des compactions persistantes. Figure 4. Diagramme de décision de Terranimo light, illustrant la relation entre contrainte exercées sur le sol et résistance du sol, et classant le risque de compaction en trois niveaux (vert, jaune, rouge). 5. Terranimo expert : analyse exhaustive des sollicitations auxquelles est soumis un sol Terranimo expert est nettement plus complexe que Terranimo light. Cet instrument doit permettre à des spécialistes de simuler divers cas de circulation sur le sol. Terranimo expert se compose de quatre sous-modèles : (1) Contraintes à la surface du sol : aire de contact et répartition de la pression entre le pneu et le sol ; (2) Changement de la pression dans le sol ; (3) Estimation de la résistance du sol dans le profil de sol ; (4) Evaluation du risque de compaction sur la base de la pression calculée et de la résistance du sol actuelle. 4

5 Le calcul des contraintes en surface du sol se base sur le modèle FRIDA (Schjønning et al., 2008), qui est en mesure de simuler la superficie de contact et la distribution des contraintes entre le pneus et le sol. Le contour de l aire de contact est décrit par une courbe de Lamé, la distribution des contraintes dans la direction de marche du véhicule est modélisée avec une fonction puissance et celle perpendiculaire à la direction de marche avec une fonction de décroissance exponentielle. FRIDA décrit très bien les conditions réelles, en particulier l influence prépondérante de la pression du pneu (fig. 5). Figure 5. Conditions à l'interface pneu-sol, mesurées (à gauche) et modélisées, à différentes pressions de gonflage du pneu. Exemple d un pneu Michelin MultiBib 650/65R38 avec une charge à la roue de 3.5 t. Pour pouvoir appliquer FRIDA à des pneus autres que ceux étudiés expérimentalement, des estimateurs ont été développés pour évaluer les divers paramètres du modèle. Ainsi, en connaissant de la charge à la roue, l état de couches supérieures du sol et quelques données sur le pneu faciles à obtenir (largeur, diamètre, pression recommandée par le fabricant et pression effective), il est possible de représenter les contraintes dans la zone de contact pneu-sol pour tout type de pneu. Une base de données des marques et modèles de pneus les plus courants a été intégrée à Terranimo, ce qui simplifie et accélère la saisie des informations. Elle contient à ce jour les données techniques complètes selon l ETRTO (European Tyre and Rim Technical Organisation) de plus de 1000 pneus, des marques Alliance, Continental, Goodyear, Kléber, Michelin, Nokian, Trelleborg et Vredestein. Le changement de la contrainte dans le sol est calculé de manière analytique dans Terranimo, à partir des formules de Boussinesq (1885), Fröhlich (1934) et Söhne (1953). Un élément important 5

6 de cette théorie, est le facteur de concentration v. Il détermine la forme du champ de contraintes dans le sol (fig. 6). Fig. 6. Répartition «en peau d oignon» des lignes de contrainte dans le sol pour différents facteurs de concentration v. Dans Terranimo expert, ce facteur est choisi en fonction de la résistance du sol, comme l avait déjà proposé Söhne (1953). Pour les sols mous (mouillés), v = 6, pour les sols durs (secs), v = 4 et pour les sols moyens (humides), v = 5. La résistance du sol est calculée dans Terranimo expert de la même manière que dans la version light et le risque de compaction est également présenté sous forme d un diagramme de décision en trois couleurs. En complément, Terranimo expert présente des graphiques de la répartition des contraintes et des diagrammes «en oignon», illustrant la différence entre la contrainte exercée et la pression de préconsolidation du sol. Grâce à ces deux outils, le risque de compaction peut être évalué sur toute la hauteur du profil et non pas uniquement à 35 cm de profondeur, comme avec Terranimo light. Bibliographie Boussinesq J Application des potentiels à l étude de l équilibre et du mouvement des solides élastiques. Gauthier-Villars, Paris, 30 pp. Fröhlich O.K Druckverteilung im Baugrunde. Springer Verlag, Wien, 178 pp. Keller T Soil Compaction and Soil Tillage Studies in Agricultural Soil Mechanics. Doctoral Thesis. Agraria 489, Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden, 75 pp. Keller T A model for prediction of the contact area and the distribution of vertical stress below agricultural tyres from readily-available tyre parameters. Biosystems Engineering 92, Keller T. & Lamandé M Challenges in the development of analytical soil compaction models. Soil & Tillage Research, 111, Keller T., Lamandé M., Schjønning P. & Dexter A.R Analysis of soil compression curves from uniaxial confined compression tests. Geoderma 163, Schjønning P., Lamandé M., Tøgersen F.A., Pedersen J. & Hansen P.O.M Reduction of soil compaction. Magnitude and distribution of stress in the contact area between wheel and soil. Report Markbrug No The Danish Institute of Agricultural Sciences, Tjele, Denmark, 102 pp. Schjønning, P., Lamandé M., Tøgersen F.A., Arvidsson J. & Keller T Modelling effects of tyre inflation pressure on the stress distribution near the soil-tyre interface. Biosystems Engineering 99, Schjønning P., Lamandé M., Keller T., Pedersen J. & Stettler M Rules of thumb for minimizing subsoil compaction. Soil Use and Management, 28(3), Söhne W Druckverteilung im Boden und Bodenverformung unter Schlepperreifen. Grundlagen der Landtechnik 5,