Pham, Tuan Long (2008) Erosion et dispersion des sols argileux par un fluide. PhD thesis Géotechnique, Laboratoire central des Ponts et Chaussées (LCPC), ENPC p.214.

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Abstract

The embankment component of linear infrastructure of transport can be submitted to exceptional climatic events generating a rise in water level. The passage of a flood is normally the cause of lateral erosion due to current affecting primarily the slope of embankments. We focus here especially on the consequences of the hydraulic load imposed on the embankment and also the overflow when the water level is beyond the crest, causing a gradual rupture induced by superficial or internal erosion. This study presents the characterization of the erosion and the dispersion of clayed soils.

Firstly, the soil erosion has been studied by the Jet erosion test of LCPC. This type of test is used to characterize the susceptibility to erosion of different soil textures in both the laboratory and the field. Secondly, the study of the erosion phenomenon was conducted with the Hole Erosion Test, designed and developed at LCPC. For a variety of soil textures, the rate of erosion and critical shear stress at the soil-fluid interface is evaluated by using a semi-empirical erosion law. This experimental study was supplemented by observations of the surface before and after erosion with an environmental scanning electron microscopy.

Thirdly, the dispersion of soil has been studied by the crumb test. Improving the ASTM standard test in which the results are mainly qualitative allows us access to quantitative measurements. The zeta potential taken with zetameter is a complementary measure in the description of the dispersion. Finally, the comparison of different tests of erosion and dispersion was discussed, similar trends observed allow us to understand the erosion in a global comprehension.

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Table of content

REMERCIEMENTS - I

RESUME - III

ABSTRACT - V

SOMMAIRE - VII



INTRODUCTION - 1

ENJEUX ET PROBLEMATIQUE - 1

OBJECTIFS ET DEMARCHES - 3

PLAN DU MEMOIRE - 4



CHAPITRE 1 : EROSION ET DISPERSION DU SOL - 5

1.1 PATHOLOGIES DES OUVRAGES DE RETENUE LIEES A L’EROSION - 5

1.1.1 Origines du phénomène d’érosion - 6

1.1.2 Approche bibliographique - 7

1.2 TYPOLOGIE DE L’EROSION ET DE LA DISPERSION - 9

1.2.1 Typologie de l’érosion externe - 9

1.2.1.1 Érosion pluviale - 9

1.2.1.2 La houle et les courants - 10

1.2.1.3 Marnage - 11

1.2.1.4 Jet d’hélice et courant - 12

1.2.2 Typologie de l’érosion interne - 14

1.2.2.1 Les phénomènes d’arrachement - 14

1.2.2.2 Les phénomènes de transport - 16

1.2.3 Typologie de la dispersion - 17

1.2.3.1 Minéralogie des argiles - 17

1.2.3.2 Mécanisme d’érosion par dispersion - 21

1.2.3.3 Facteurs influençant la dispersion - 22

1.2.4 Synthèse - 24

1.3 CARACTERISATION DE L’EROSION - 26

1.3.1 Généralités - 26

1.3.2 Dispositifs expérimentaux - 27

1.3.2.1 Essai d’érosion en canal (« Hydraulic Flume Test ») - 28

1.3.2.2 Essai d’érosion par cylindre tournant (« Rotating Cylinder Test ») - 29

1.3.2.3 Essai d’érosion par jet d’eau (« Jet Erosion Test ») - 30

1.3.2.4 Simulateurs de pluie et de ruissellement - 33

1.3.2.5 Essai d’érosion de trou (« Hole Erosion Test ») - 34

1.3.2.6 Essai triaxial d’érosion (« Triaxial Erosion Test ») - 35

1.3.3 Corrélation de l’érosion avec les propriétés du sol - 36

1.3.4 Quantification de l’érosion par des mesures directes - 41

1.3.5 Interprétation des résultats - 42

1.3.6 Limite de l’approche actuelle - 44

1.4 CARACTERISATION DE LA DISPERSION - 47

1.4.1 Essai pour l’identification de la dispersion du sol - 47

1.4.1.1 Essai à l’aiguille (« Pinhole Test ») - 47

1.4.1.2 Essai d’émiettage (« Crumb Test ») - 48

1.4.1.3 Essai sédimentométrique en parallèle (« Double Hydrometer Test ») - 49

1.4.1.4 Zétamètre - 51

1.4.2 Conclusions sur les essais de dispersion du sol - 51

1.5 CONCLUSIONS - 52



CHAPITRE 2 : APPROCHE EXPERIMENTALE ET PROPRIETES DES MATERIAUX TESTES - 53

2.1 APPROCHE EXPERIMENTALE - 53

2.2 PROPRIETES DES MATERIAUX TESTES - 54

2.2.1 Matériaux bruts - 54

2.2.2 Sols reconstitués par mélange de deux composants argiles/sable - 56

2.2.3 Sols reconstitués par mélange de trois composants argile/limon/sable - 57

2.3 DEMARCHE EXPERIMENTALE - 59

2.3.1 Objectif - 59

2.3.2 Amélioration/modification de protocoles existants - 61

2.3.3 Programme expérimental - 61

2.3.4 Répétitivité - 63

2.4 CONCLUSIONS - 63



CHAPITRE 3 : CARACTERISATION DE L’EROSION PAR L’ESSAI D’ERODIMETRE A JETS MOBILES - 65

3.1 APPAREILLAGE ET PRINCIPE DES ESSAIS A L’EJM - 65

3.1.1 Généralités - 65

3.1.2 Appareillage - 65

3.1.3 Echantillon d’essai - 67

3.1.4 Protocoles d’essai - 68

3.1.4.1 Protocole « Hénensal » - 69

3.1.4.2 Nouveau protocole d’essai - 69

3.2 RESULTATS EN LABORATOIRE - 69

3.2.1 Résultats selon le protocole « Hénensal » - 69

3.2.2 Résultats selon le nouveau protocole d’essai - 70

3.2.2.1 Évolution de la surface du sol - 70

3.2.2.2 Evolution de la masse érodée et taux d’érosion - 71

3.2.2.3 Dynamique d’érosion - 73

3.2.2.4 Conclusion - 77

3.3 RESULTATS IN SITU - 78

3.3.1 Essai sur un remblai - 78

3.3.1.1 Contexte et objectifs - 78

3.3.1.2 Résultats - 79

3.3.1.3 Conclusion - 80

3.3.2 Essais sur des sols agricoles - 81

3.3.2.1 Contexte et objectifs - 81

3.3.2.2 Réalisation des essais - 82

3.3.2.3 Synthèse des résultats - 84

3.3.2.4 Conclusion - 88

3.4 CONCLUSIONS - 88



CHAPITRE 4 : CARACTERISATION DE L’EROSION PAR L’ESSAI D’EROSION DE TROU - 91

4.1 APPAREILLAGE ET PRINCIPE DES ESSAIS - 91

4.1.1 Généralité - 91

4.1.2 Appareillage - 91

4.1.3 Echantillon d’essai - 93

4.1.4 Protocole d’essai - 94

4.2 MODELE D’INTERPRETATION DES ESSAIS - 95

4.2.1 Détermination de la contrainte de cisaillement et du taux d’érosion - 96

4.2.2 Détermination du rayon instantané du trou et validation de notre approche de calcul - 97

4.3 RESULTATS TYPIQUES ET OBTENTION DE LA LOI D’EROSION - 102

4.3.1 Paramètres mesurés - 102

4.3.2 Courbe typique de la loi d’érosion interne - 104

4.3.3 Automatisation de l’exploitation des résultats - 104

4.3.4 Loi d’érosion - 106

4.3.5 Comparaison des résultats calculés selon la méthode de Wan et Fell - 107

4.4 FACTEURS D’INFLUENCE SUR LA LOI D’EROSION - 108

4.4.1 Influence du pourcentage d’argile - 108

4.4.2 Influence du type d’argile - 110

4.4.2.1 Essais avec l’argile de type Illite - 110

4.4.2.2 Essais avec l’argile de type Montmorillonite - 111

4.4.3 Conclusion partielle - 112

4.5 OBSERVATIONS MULTIECHELLES DES ECHANTILLONS AVANT ET APRES EROSION INTERNE - 113

4.5.1 Observation à l’aide de moulage en cire - 113

4.5.2 Observation avec le microscope électronique à balayage environnemental - 114

4.5.2.1 Généralités sur la microscopie électronique à balayage environnementale (MEBE) - 115

4.5.2.2 Observations des liaisons entre le sable et les argiles de type kaolinite ou illite - 116

4.5.2.3 Influence du gradient hydraulique imposé sur l’évolution de la texture sableuse d’un échantillon au cours d’un essai de HET - 117

4.5.2.4 Comparaison des textures sableuses contenant de la kaolinite ou de l’illite - 120

4.5.2.5 Comparaison des textures argileuse contenant de la kaolinite ou de l’illite - 121

4.6 CONCLUSIONS - 123



CHAPITRE 5 : CARACTERISATION DE LA DISPERSION - 125

5.1 ESSAIS CLASSIQUES : RESULTATS ET LIMITES - 125

5.1.1 Essai à l’aiguille : « Pinhole Test » - 125

5.1.2 Essai d’émiettage : « Crumb Test » - 128

5.1.2.1 Résultats - 129

5.1.2.2 Conclusions - 130

5.1.3 Essai de sédimentométrie en parallèle : « Double Hydrometer Test » - 132

5.1.3.1 Interprétation des résultats et discussion - 134

5.1.3.2 Conclusions - 135

5.1.4 Synthèse des résultats des essais classiques - 136

5.2 NOUVEL ESSAI DE D’EMIETTAGE (« CRUMB TEST » AMELIORE) - 137

5.2.1 Du « Crumb Test » normalisé au nouvel essai d’émiettage - 137

5.2.2 Résultats obtenus au moyen du nouvel essai d’émiettage - 141

5.2.2.1 Dispersion des matériaux de référence - 142

5.2.2.2 Dispersion des mélanges de matériaux de référence - 144

5.2.3 Influence du pourcentage et du type d’argile sur la dispersion mesurée avec le nouvel essai d’émiettage - 154

5.2.4 Influence du fluide sur la dispersion mesurée avec le nouvel essai d’émiettage - 156

5.3 APPORT DE LA ZETAMETRIE - 159

5.3.1 Principe - 159

5.3.2 Appareillage - 161

5.3.3 Protocole de mesure - 161

5.3.4 Résultats des mesures en zétamétrie - 163

5.3.4.1 Comportement des argiles de référence (kaolinite, illite et montmorillonite) - 163

5.3.4.2 Influence de la concentration du sel sur le potentiel zéta - 164

5.3.4.3 Influence de la nature du sel sur le potentiel zêta - 167

5.3.4.4 Apport de la zétamétrie pour la caractérisation des particules fines issues d’un sol naturel : exemple du remblai de Montoire-sur-le-Loir - 169

5.3.5 Conclusions et poursuite de l’étude - 170

5.4 CONCLUSIONS - 171



CHAPITRE 6 : SYNTHESE ET COMPARAISON DES RESULTATS D’ESSAIS D’EROSION ET DE DISPERSION - 173

6.1 SYNTHESE DES RESULTATS D’ESSAIS - 173

6.2 COMPARAISON DES ESSAIS « HET » ET « EJM » - 176

6.2.1 Coefficient d’érosion (HET) et taux initial d’érosion (EJM) - 176

6.2.2 Contrainte critique de cisaillement (HET) et masse érodée finale (EJM) - 177

6.3 COMPARAISON DU PHENOMENE D’EROSION ET DE DISPERSION - 178

6.3.1 Comparaison entre l’essai à l’EJM, au HET et le Double Hydrometer Test - 178

6.3.2 Comparaison entre l’essai au HET et l’essai d’émiettage - 179

6.3.2.1 Mélange : sable et kaolinite - 179

6.3.2.2 Mélange : sable et illite - 179

6.3.2.3 Mélange : sable et montmorillonite - 180

6.4 CONCLUSIONS - 181



CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES - 183



REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 187



ANNEXE A : FICHES DES MATERIAUX - A1

ANNEXE B : PROTOCOLE D’ESSAI EJM - A7

ANNEXE C : PROTOCOLE D’ESSAI HET - A11

ANNEXE D : SYMBOLES - A19

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