Essais d'érosion : détermination de la résistance à l'érosion de remblais hydrauliques
Un essai d'érosion vise à caractériser la résistance à l'érosion d'un remblai hydraulique à partir de la mesure expérimentale de cette résistance sur un échantillon de remblai prélevé in situ, le plus souvent en forage.
Il existe plusieurs types de processus d'érosion et aucun essai ne permet de reproduire à lui seul tous les phénomènes d'érosion. Le choix de l'essai est donc crucial et il dépend avant tout du type d'érosion qui est susceptible d'être à l'œuvre dans l'ouvrage à l'endroit précis où a été effectué le prélèvement. Il dépend aussi des caractéristiques techniques de l'échantillon et des limitations pratiques des essais.
geophyConsult accompagne ses clients dans ce choix pour obtenu le résultat a priori le plus approprié par rapport à la problématique le maître d'ouvrage est confronté.
Compte-tenu de la petite taille des échantillons par rapport à celle de l'ouvrage dont ils sont issus, un soin particulier doit être porté en amont à leur sélection, en veillant à ce que ces derniers soient effectivement représentatifs des horizons investigués.
Essai d'érosion de conduit (en anglais « Hole Erosion Test » ou HET)
Lorsqu’un défaut existe dans un ouvrage (terrier d’animaux fouisseurs, fissure…) et lorsque ce dernier est mis en charge, une fuite apparaît. Selon la résistance à l'érosion de conduit du sol, cette fuite peut soit être acceptable, soit mener à la formation d’un conduit d’érosion, voire d’une brèche, parfois en quelques heures.
Le « Hole Erosion Test » ou HET a été développé par l’INRAE pour reproduire ce processus. L’essai consiste à imposer un écoulement d’eau dans un trou de 6 mm de diamètre foré dans un échantillon de sol ramené au laboratoire. L’analyse de l’agrandissement du trou par érosion des parois au cours de l’essai permet de déterminer la résistance du sol à ce type d’érosion.
L’essai HET commercialisé par geophyConsult est vendu sous licence INRAE. Il est conforme à la norme AFNOR XP P94-065 (à laquelle geophyConsult a contribué, en tant que pionnier de la mise en œuvre de l'essai). Il permet d’obtenir:
- un positionnement de la vitesse d'érosion du sol par rapport aux essais de la littérature, via la classification de Fell (qui va de « Extrêmement rapide » à « Extrêmement lent ») ;
- le paramètre τc qui permet de déterminer les conditions hydrauliques qui entraînent l'initiation de l'érosion ;
- l'indice Ie qui permet d'évaluer la vitesse avec laquelle un conduit d'érosion tout juste initié est susceptible de dégénérer en brèche.
Cet essai est réalisable sur sol intact, sous réserve que le sol à tester ne comporte pas de particules de taille supérieure à 5 mm, et sous réserve qu'il soit fourni dans une carotte de diamètre supérieur à 8 cm et de hauteur supérieure à 30 cm. Il peut également être réalisé sur sol remanié, sous réserve qu'au moins 2,5 kg de sol soit fourni (et, de préférence, 5 kg pour pouvoir le refaire en cas de problème).
Cet essai n'est pas réalisable in situ.
Essai d'érosion par jet (en anglais « Jet Erosion Test » ou JET)
Lors d’une surverse, l’eau s’écoule sur le parement aval de l’ouvrage, le plus souvent en formant un « escalier » composé d’une succession de mini-chutes d’eau. Une érosion de surface de l’ouvrage est observée et peut mener à l’ouverture d’une brèche.
Pour représenter ce processus, le « Jet Erosion Test » ou JET, dérivé du standard américain ASTM D5852, a été développé. Il consiste à impacter un échantillon de sol ramené au laboratoire, ou le sol de l’ouvrage in-situ, par un jet d’eau de dimensions normées. L’analyse de l’évolution de la profondeur de l’affouillement généré permet de déterminer la résistance du sol à l’érosion externe.
L’essai JET est en cours de normalisation AFNOR. Il permet de déterminer:
- un positionnement du sol par rapport aux essais de la littérature, via la classification de Hanson (qui va de « Très Érodable » à « Très Résistant ») ;
- le paramètre τc qui permet d'estimer les conditions hydrauliques qui entraînent l'initiation de l'érosion ;
- le paramètre κd qui, rentré avec τc dans un modèle d'érosion (windam, hr-breach…), permet d'estimer la cinétique d'ouverture d'une brèche dans l'ouvrage.
Cet essai permet de caractériser l’érodabilité d’un sol de façon plus générale, sans forcément considérer le processus de surverse (par exemple pour comparer des remblais pressentis pour la réalisation de confortements ou d’ouvrages). Les résultats sont alors souvent utilisés de façon plus qualitative que quantitative.
Il peut être réalisé avec 3 diamètres de jet : Ø = 6 mm (à utiliser pour les échantillons ne comportant pas de particules de taille supérieure à 6 mm), Ø = 12 mm (à utiliser pour les échantillons ne comportant pas de particules de taille supérieure à 12 mm) et Ø = 20 mm (à utiliser pour les échantillons ne comportant pas de particules de taille supérieure à 20 mm).
Cet essai est réalisable sur sol intact, sous réserve que le sol à tester ne comporte pas de particules de taille supérieure au diamètre du jet, et sous réserve qu'il soit fourni, pour Ø = 6 mm (qui est le diamètre le plus courant), dans une carotte de diamètre supérieur à 8 cm et de hauteur supérieure à 30 cm. Il peut également être réalisé sur sol remanié, sous réserve que, pour Ø = 6 mm, au moins 2,5 kg de sol soit fourni (et, de préférence, 5 kg pour pouvoir le refaire en cas de problème).
Cet essai est réalisable in situ, sous réserve que le sol à tester ne comporte pas de graves de taille supérieure au diamètre du jet.
Essai d'érosion de contact (en anglais « Contact Erosion Test » ou CET)
Lorsqu’une couche de sol « fin » (noyau d’ouvrage en limon ou argile…) est en contact avec une couche de sol « grossier » (fondation alluviale en graviers…) sujette à un écoulement souterrain, une érosion dite « de contact » peut se développer. La progression de cette érosion dépend i) de l’écart entre les tailles des particules de chaque couche ii) de l’intensité de l’écoulement.
Le « Contact Erosion Test » ou CET a été développé pour reproduire ce processus au laboratoire. Les deux couches de sol sont mises en place dans une cellule puis soumises à i) une contrainte mécanique verticale reproduisant les contraintes in-situ ii) un écoulement à débit imposé, augmenté par paliers successifs. L’analyse de la quantité de sol fin érodé et transporté hors de l’échantillon au cours de l’essai permet d’évaluer la résistance à l’érosion de ce couple sol fin/sol grossier.
L’essai CET, qui n'est pas normé, permet de déterminer:
- si l'écart entre les tailles de particules de chaque couche est suffisamment faible pour exclure l'érosion de contact,
- la vitesse de Darcy minimale dans la couche de sol grossier (ainsi que le gradient hydraulique associé) à partir desquels une érosion de contact est susceptible de se développer,
- une estimation de la perméabilité κ (m/s) du sol grossier testé.
Cet essai ne peut être réalisé que sur sol remanié, et nécessite de fournir au moins 10 kg de sol fin et 7 kg de sol grossier (et, de préférence, le double pour pouvoir le refaire en cas de problème).
Essai d'émiettage (en anglais « Crumb Test » ou CT)
Les sols dispersifs ont la particularité de se disperser en suspension (défloculer) lorsqu’ils sont immergés dans de l’eau sans mouvement. Ils sont donc particulièrement sensibles à l’érosion, vu que même sans d’écoulement ni agent défloculant, ils s’érodent par désagrégation.
Le CT (norme ASTM D6572) est un essai simple et rapide permettant d’évaluer qualitativement la dispersivité d’un sol. L'essai consiste à immerger un cube de sol de 15 mm de côté (intact ou remanié) dans un grand volume d’eau distillée puis à observer la suspension qui se forme après 2 min, 1 h puis 6 h d’immersion.
En fonction du degré de suspension, le sol est classé dans l'une des 4 catégories suivantes : « Non dispersif », « Intermédiaire », « Dispersif » ou « Très dispersif ».
Essais sur mesure
Lorsque les essais classiques (HET, JET, CET…) ne peuvent pas répondre aux problématiques étudiées, geophyConsult est généralement en capacité de proposer de réaliser des essais spécifiques, sur-mesure, le plus souvent dérivés de ses dispositifs et protocoles existants.
Ce genre de situation se rencontre par exemple lorsqu’une géométrie/configuration spécifique doit être investiguée, lorsque des échantillons disponibles ne sont pas compatibles avec les bancs classiques, ou lorsque des paramètres précis doivent être testés (temps longs, chargements hydrauliques particuliers…).