Méthodologie de contrôle de l'homogénéité et de la...

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Chapitre V CORRÉLATION ENTRE LA PERMÉABILITÉ ET LA RÉSISTIVITÉ ÉLECTRIQUE – CONTRÔLE

DE L’HOMOGÉNÉITÉ DES BARRIÈRES ÉTANCHES

Chapitre V. corrélation entre la Perméabilité et la Résistivité électrique – contrôle de l’homogénéité des barrières étanches

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V. CORRÉLATION ENTRE LA PERMÉABILITÉ ET LA RÉSISTIVITÉ ÉLECTRIQUE – CONTRÔLE DE L’HOMOGENEITE DES BARRIÈRES ÉTANCHES

V.1. INTRODUCTION L’écoulement des fluides à travers les milieux poreux est fonction des propriétés physiques des fluides, et d’une manière plus importante, des vides interstitiels et de leur structure. Les différents facteurs qui influent sur la perméabilité des sols, avec un accent sur les sols argileux compactés, ont été présentés et détaillés dans le chapitre II. La résistivité électrique est également fonction de la majorité des mêmes facteurs, puisque le courant électrique traverse le sol à travers le fluide présent dans les pores. Le volume des pores, ainsi que leur distribution, contrôlent les chemins électriques (section et longueur). L’utilisation de données électriques pour évaluer les propriétés des vides interstitiels est compliquée dans certains sols par la présence de « solides conducteurs » (pour les argiles : conductivité de la surface des grains). Néanmoins, si cet effet peut être évalué, ou dans le cas où la conductivité du fluide interstitiel serait forte, la conductivité électrique de l’échantillon de sol ou son inverse la résistivité peut être un bon indicateur des caractéristiques des vides interstitiels, et pourrait ainsi être bien corrélée avec la perméabilité. Les variations attendues de la perméabilité et de la résistivité pour une variation donnée de chacun des différents facteurs les affectant est présentée tableau V.1, en se basant sur les données recueillies dans la bibliographie et sur notre compréhension des deux propriétés. La relation reliant la résistivité électrique à la perméabilité a été étudiée par de nombreux chercheurs (Wortington, 1977 ; Kelly, 1977 ; Heigold et al., 1979 ; Mazac et al., 1985 ; Huntley, 1986 ; Sadek, 1993 ; Abu-Hassanein et al., 1996), mais des résultats contradictoires ont été rapportés. Certains ont trouvé une relation directe entre la résistivité et la perméabilité (i.e. la perméabilité augmente quand la résistivité augmente), alors qu’une relation inverse (la perméabilité diminue quand la résistivité augmente) a été trouvée par d’autres. Mazac et al. (1990) ont conclu que la relation entre la perméabilité et la résistivité électrique est inverse pour un type particulier de sol. Par exemple, les sables denses, propres et saturés ont une plus faible porosité, une plus faible perméabilité et une plus forte résistivité électrique que celles des sables lâches et propres (Arulanandan et Muraleetharan, 1988). Inversement, la comparaison entre la résistivité électrique et la perméabilité de différents types de sols (argile, limon, sable) donne une relation directe entre la perméabilité et la résistivité, sachant que les sols grossiers présentent généralement les plus fortes résistivités et les plus fortes perméabilités. La relation directe entre la perméabilité et la résistivité électrique est principalement due aux conductivités de surface ; la conductivité de surface diminue lorsque le sol devient plus grossier. Concernant les sols argileux compactés, Sadek (1993) et Abu-Hassanein et al. (1996) ont étudié la relation pouvant exister entre la résistivité électrique et la perméabilité. Dans certains cas, une relation unique, indépendante de l’énergie de compactage, a été observée entre la résistivité électrique et la perméabilité (figure V.1). Pour d’autres sols étudiés, la tendance de l’augmentation de la résistivité électrique avec la perméabilité existe bien, mais la relation entre ces propriétés dépend de l’énergie de compactage.


170

Paramètre Variation Effet sur k Effet sur ρéchantillon

Remarques

Porosité

Structure interne : F(w/c, énergie et méthode de compactage)

Dispersion

(?)

La croissance de ρéchantillon pourrait être due à l’augmentation du chemin électrique (tortuosité) avec l’augmentation de la dispersion

Degré de saturation

Dimension des mottes

(?)

Pression de confinement

(?)

Gradient hydraulique

Ou

___

K augmente s’il y a formation de micro-fissures ; diminue si les pores s’obstruent

Dimension de l’échantillon

(?)

une plus grande dimension de l’échantillon peut inclure plus de discontinuités, donc plus de chemins préférentiels pour le passage du courant électrique

Age de l’échantillon

(?)

Fluide des pores • Propriétés

physiques • Propriétés

chimiques

Viscosité σ du fluide des pores

(s’il n’y a pas de changements dans la structure)

Une viscosité élevée implique une faible mobilité ionique, donc une résistivité élevée

Température T

minime

l’augmentation infime de k est due à la faible variation de γ/µ σeau des pores croit substantiellement quand T croit σéchantillon ρ

Tableau V.1 : Facteurs affectant la perméabilité k et la résistivité ρ d’une argile compactée : Comment affectent-ils ou comment s’attend-on à ce qu’ils affectent k et ρ ?


171

Figure V.1 : Relation entre la perméabilité et la résistivité électrique (Abu-Hassanein et al, 1996)

Le principal objectif de ce programme de recherche est d’évaluer la pertinence de l’utilisation des mesures de la résistivité électrique de l’argile compactée, pour estimer sa perméabilité, dans un but de contrôle de l’homogénéité des barrières étanches. Jusqu’à présent, très peu de travaux ont été réalisés sur les propriétés électriques des argiles compactées et partiellement saturées, et rares sont les cas où la perméabilité et la résistivité ont été mesurés sur un même échantillon. La rareté des données et le besoin d’expérimentations aux différentes conditions de compactage nous ont poussés à réaliser une série d’essais en laboratoire avec les objectifs et les questionnements suivants : - avoir une meilleure compréhension de la résistivité électrique de divers types de sols. - déterminer comment les différentes conditions de compactage (teneur en eau, énergie de compactage, degré de saturation, etc.) affectent la résistivité - déterminer comment se font ces variations en comparaison de celles de la perméabilité.

V.2. ETUDE DES RELATIONS PARAMÈTRES D’ÉTAT – PERMÉABILITÉ – RESISTIVITÉ DES ARIGILES

V.2.1. Dispositif de mesure de la résistivité électrique des sols en laboratoire L’appareil a été conçu pour mesurer la résistivité des éprouvettes cylindriques issues du moule Proctor. Il peut aussi recevoir des prélèvements in-situ après les avoir taillés aux dimensions du moule Proctor. Il est composé de deux électrodes circulaires en cuivre qui sont en contact avec les extrémités de l’éprouvette. On intercale un papier filtre humidifié à l’eau déminéralisée à l’interface éprouvette/électrode afin d’assurer une bonne surface de contact et permettre un bon passage du courant électrique. Deux électrodes sont enfoncées horizontalement à une hauteur donnée et permettent la mesure de la différence de potentiel (figure V.2).


172

Figure V.2 : Schéma du dispositif de mesure de la résistivité verticale en laboratoire

Un champ électrique unidimensionnel est induit à travers l’éprouvette par les deux électrodes circulaires aux extrémités de l’éprouvette, par lesquelles on mesure l’intensité I. La différence de potentiel ∆V est mesurée entre les deux électrodes enfoncées dans l’éprouvette. La résistivité électrique ρ est calculée à partir de la formule suivante :

lA

IV

×∆

=ρ Eq. V.1

avec l = 3.9 cm et A = 81.03 cm² L’appareil de mesure est muni d’une vis de serrage de l’éprouvette qui permet d’une part d’ajuster son maintien mais aussi de faire éventuellement varier la contrainte verticale appliquée à l’échantillon. Cette contrainte verticale peut influencer la résistivité par la réduction des espaces à l’intérieur de l’éprouvette. Toutefois, de manière générale, la résistivité est très peu affectée par le serrage comme le montre le tableau IV.2.

Qualité du serrage DDP aux bornes de l’échantillon (V) Intensité à travers l’échantillon (mA)

Valeur de la résistivité (Ohm. m)

Simple maintien 0.970 6.65 33.6 Serré légèrement 1.052 7.54 32.1

Très serré 1.108 8.02 31.9

Tableau V.2 : Effet du serrage de la vis sur la résistivité mesurée

Pour toutes les mesures, nous avons donc réglé la vis de serrage de manière à écraser complètement la mousse synthétique sur laquelle repose l’électrode circulaire inférieure d’alimentation en cuivre. La vis sert à assurer le maintien de l’ensemble éprouvette-électrodes en cuivre-papier filtre humidifié. Les premiers essais effectués ont montré que la profondeur d’enfoncement des électrodes influence le résultat des mesures. Nous avons choisi de fixer la profondeur d’enfoncement des électrodes à 3 cm à l’intérieur de l’échantillon. Une profondeur plus élevée rendrait difficile

Vis de serrage

Plaque supérieure

Electrodes circulaires en cuivre

Plaque de base en dural

Coussin de matériaux élastique

Plaque en PVC

Tige en dural

Electrodes de mesure de la DDP


173

l’enfoncement dans des sols secs. De plus, lorsqu’on accroît la profondeur d’enfoncement, le risque de perdre le parallélisme des électrodes augmente car généralement l’enfoncement est plus délicat et les électrodes commencent à se tordre ou à suivre des « chemins » différents à l’intérieur de l’échantillon. Cette influence de la profondeur d’enfoncement n’est néanmoins pas trop préjudiciable dans le sens ou elle n’affecte que très peu l’ordre de grandeur de la résistivité. Pour s’assurer que cette profondeur d’enfoncement est bien la même pour tous les échantillons étudiés, une « butée » a été mise en place sur les électrodes. Le tableau V.3 présente la valeur des résistivités obtenues pour différentes profondeurs d’enfoncement des électrodes.

Profondeur d’enfoncement (cm) Résistivité (Ohm.m)

2.5 31.6 3.5 33.1 Sol 1 4.5 32.1 2.5 18.2 3.5 18.3 Sol 2 4.5 17.9

Tableau V.3 : Effet de la profondeur d’enfoncement des électrodes sur la résistivité mesurée

Sur certains échantillons, nous avons mesuré une différence de potentiel (généralement très faible) avant l’application du courant. L’alimentation étant faite à l’aide d’un générateur de tension continu, cette différence de potentiel initial peut s’expliquer par un phénomène de polarisation. Cette valeur initiale est systématiquement retranchée à la valeur lue sur le voltmètre une fois le courant appliqué.

V.2.2. La perméabilité et la résistivité en fonction de la teneur en eau et de l’énergie de compactage Les argiles notées AB, AR, AJ et les marnes MG et MJ ont été compactées à l’énergie du Proctor normal en suivant le mode opératoire décrit au § IV.2.1. Les argiles ARS et AGB ont été compactées aux énergies Proctor normal et modifié. Les éprouvettes ont ensuite fait l’objet de mesures de résistivité et de perméabilité (cf.IV.2.1). Dans ce qui suit, nous avons étudié les relations existantes entre les différents paramètres mesurés en laboratoire. Le tableau V.4 présente les résultats des mesures réalisées en laboratoire sur les sols AB, AR, AJ, MG et MJ. La figure V.3 représente les courbes de compactage à l’énergie du Proctor normal de ces sols. La figure V.4 représente la variation de la résistivité électrique en fonction de la teneur en eau de compactage. Comme prévu, la résistivité électrique décroît lorsque la teneur en eau augmente. En effet, quand le sol est compacté à une teneur en eau inférieure à celle de l’optimum, la résistivité est forte. Inversement, les résistivités minimales sont obtenues pour un compactage à une teneur en eau plus forte que l’optimum. La résistivité électrique est très sensible quand la teneur en eau de compactage est plus faible que l’optimum, par contre elle varie très peu du côté humide. L’évolution de la perméabilité de chaque sol en fonction de la teneur en eau de compactage est représentée figure V.5. Quand la teneur en eau augmente, la perméabilité diminue jusqu’à une valeur minimale située vers l’optimum Proctor, puis remonte légèrement.


174

w (%) γd (kN/m3) Sr initial (%) Résistivité (ohm.m) k (m/s)

9,56 15,27 33,6 125,0 13,63 16,35 56,5 29,8 1,9.10-10 17,81 16,93 80,9 19,5 3,4.10-11 21,67 15,95 84,5 18,5 6,5.10-11

AB

25,00 15,44 90,2 18,0 11,71 13,28 30,6 219,0 -

21,28 13,96 61,5 52,1 3,24.10-10

26,57 14,83 87,4 27,3 1,60.10-10

28,79 14,77 93,8 25,5 1,58.10-10

AR

33,67 13,48 90,6 24,9 1,70.10-10

25,40 11,70 52,4 175,0 -

32,27 12,22 72,1 45,1 2,95.10-10

40,60 12,19 90,2 25,9 1,50.10-10

45,00 11,74 93,5 21,0 1,50.10-10

AJ

49,50 11,01 92,0 20,0 1,62.10-10

5,81 16,08 23,0 80,0 -

7,10 16,96 32,5 40,3 9,5.10-10

11,82 17,28 56,6 21,1 3,0.10-10

12,30 17,47 60,9 19,8 2,8.10-10

16,23 17,63 82,3 18,0 1,3.10-10

19,01 17,40 93,0 17,5 1,2.10-10

MG

24,3 15,72 91,7 17 1,3.10-10

16,40 15,38 58,7 29,0 4,79.10-10

19,10 16,00 75,0 18,9 1,80.10-10

21,30 16,26 87,1 17,78 2,24.10-10

23,04 16,02 90,8 16,5 2,34.10-10

28,53 14,98 96,0 14,5 -

MJ

31,14 13,94 89,7 14,0 -

Tableau V.4 : Caractéristiques physiques des essais en laboratoire et valeurs des résistivités électriques et des perméabilités mesurées à charges constantes


175

Figure V.3 : Courbes de compactages les argiles AB, AR, AJ et les marnes MG, MJ

Figure V.4 : Evolution de la résistivité électrique en fonction de la teneur en eau de compactage pour les argiles AB, AR, AJ et les marnes MG, MJ

Figure V.5 : Evolution de la perméabilité en fonction de la teneur en eau de compactage des argiles AB, AR, AJ et des marnes MG, MJ

10

12

14

16

18

0 20 40 60W (%)

γ d (k

N/m

3 )ABARAJ

12

14

16

18

20

0 10 20 30 40W (%)

γd (k

N/m

3 )

MGMJ

0

50

100

150

200

250

- 20 40 60 W (%)

ρ (o

hm.m

)

ABARAJ

0

20

40

60

80

100

- 10 20 30 40 W (%)

ρ (o

hm.m

)MGMJ

1E-11

1E-10

1E-09

- 20 40 60 w (%)

K (m

/s)

ABARAJ

1E-10

1E-09

- 10 20 30 40 w (%)

K (m

/s)

MJMG


176

Le tableau V.5 présente les résultats des mesures réalisées en laboratoire sur les sols AGB et ARS. Les courbes Proctor de ces sols compactés aux deux énergies Proctor normal et modifié sont présentées figure V.6. Quand le compactage a lieu du coté sec ou avec une énergie de compactage plus faible (Proctor normal PN), les mottes d’argile s’imbriquent difficilement entre elles, d’où des espaces inter-mottes relativement grands. Le contact entre particules est plus rare car le poids volumique sec est faible et la partie solide est contenue dans des mottes distinctes. Par conséquent, ces sols présentent de plus fortes résistivités électriques (figure V.7). Inversement, quand l’argile est compactée du coté humide ou avec une plus forte énergie, les mottes s’imbriquent plus facilement. Les espaces inter mottes qui en résultent sont petits et proches de la saturation. De plus, la plus forte densité sèche et le meilleur imbriquage des mottes apparaît à l’optimum Proctor, ce qui résulte d’un meilleur contact entre particules. Les pores quasiment saturés forment un passage électrique entre les particules (Sadek, 1993), et la conductivité de surface se trouve améliorée aux plus fortes densités sèches. Ainsi, la résistivité minimale est atteinte avec une énergie de compactage maximale ou à une teneur en eau de compactage proche ou plus élevée que l’optimum. La figure V.8 montre la variation de la perméabilité en fonction de la teneur en eau ou de l’énergie de compactage, paramètre responsable du changement de la structure du sol. De même que précédemment, quand le compactage a lieu du coté sec ou avec une énergie de compactage plus faible, les espaces inter mottes sont relativement grands (imbrication plus difficile des mottes d’argile entre elles), et la perméabilité est plus forte.


177

W (%) γd (kN/m3) Sr initial Résistivité (ohm.m) K (m/s)

10,40 16,20 41,8 435

11,50 16,60 49,6 295 8,7.10-7

13,40 17,20 63,6 273 -

14,80 17,50 73,2 270 -

16,50 17,60 83,4 255 2,7.10-8

PN

19,20 17,30 92,5 238 2,1.10-8

7,49 18,40 43,3 - -

10,52 18,76 64,7 264 8,0.10-8

12,24 18,86 76,5 234 2,8.10-8

13,15 18,73 80,4 226 2,0.10-8

15,81 18,10 86,9 212 9,3.10-9

18,67 17,44 92,0 196 6,6.10-9

AGB

PM

21,00 16,93 95,3 194 5,0.10-9

8,91 16,60 38,4 3 090 -

12,02 17,70 61,7 1 549 6,2.10-8

13,7 18,42 79,4 1 033 1,0.10-8

PN

16,5 18,12 90,9 676 4,6.10-9

5,11 18,27 28,9 3500 -

7,41 18,9 46,7 1500 8,3.10-8

11,00 19,5 77,2 800 1,1.10-8

12,55 19,43 87,0 600 7,0.10-9

14,40 19,09 93,8 380 4,3.10-9

17,73 18,02 96,1 300 2,7.10-9

ARS

PM

19,13 17,40 93,6 280 -

Tableau V.5 : Caractéristiques physiques des essais en laboratoire et valeurs des résistivités électriques et des perméabilités mesurées à charges constantes


178

Figure V.6 : Courbes de compactages au Proctor normal PN et modifié PM des sols AGB et ARS.

Figure V.7 : Evolution de la résistivité électrique des sols AGB et ARS en fonction de l’énergie et de la teneur en eau de compactage.

Figure V.8 : Evolution de la perméabilité des sols AGB et ARS en fonction de l’énergie et de la teneur en eau de compactage.

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

5 10 15 20 25 w (%)

K (m

/s)

PM AGBPN AGB

16

17

18

19

20

5 10 15 20 25W (%)

d (k

N/m

3 )PM AGBPN AGB

16

17

18

19

20

5 10 15 20 25W (%)

d (kN

/m3 )

PM ARSPN ARS

1E-09

1E-08

1E-07

5 10 15 20 25W (%)

K (m

/s)

PM ARSPN ARS

150

250

350

450

5 10 15 20 25 W (%)

ρ (o

hm.m

)

PM AGBPN AGB

0

1000

2000

3000

4000

5 10 15 20 25W(%)

ρ (o

hm.m

)PN ARSPM ARS


179

V.2.3. La perméabilité et la résistivité en fonction du degré de saturation L’augmentation de la teneur en eau de compactage ou de l’énergie de compactage augmente la saturation initiale, à condition que les autres conditions de compactage ne changent pas. Le degré de saturation étant un paramètre combinant la teneur en eau et la densité sèche, il est intéressant d’analyser sa corrélation avec la résistivité électrique et la perméabilité. Sur la figure V.9, on observe une diminution de la résistivité électrique quand le degré de saturation initial augmente. Cette variation est plus importante pour les faibles degrés de saturation et varie peu pour des degrés de saturation supérieurs à 0,8. Figure V.10 nous représentons l’évolution de la résistivité électrique en fonction du degré de saturation initial des sols AGB et ARS compactés aux deux énergies conventionnelles. On remarquera que l’effet de l’énergie de compactage sur la résistivité électrique est relativement faible, et que la relation entre les deux paramètres est quasiment unique.

Figure V.9 : Evolution de la résistivité électrique en fonction du degré de saturation initial pour les argiles AB, AR, AJ et les marnes MG, MJ

Figure V.10 : Evolution de la résistivité électrique des sols AGB et ARS en fonction degré de saturation et de l’énergie de compactage - Proctor normal PN, Proctor modifié PM.

10

100

1000

20 40 60 80 100Sri (%)

ρ (o

hm.m

)

ABARAJ

10

100

20 40 60 80 100Sri (%)

(ohm

.m)

MGMJ

150

250

350

450

40 60 80 100Sr (%)

ρ ( o

hm.m

)

PN AGBPM AGB

0

1000

2000

3000

4000

20 40 60 80 100

Sr (%)

(ohm

.m)

PN ARSPM ARS


180

Les figures IV.11 et IV.12 indiquent que la perméabilité diminue jusqu’à un minimum quand le degré de saturation initial augmente, puis se stabilise ou augmente légèrement pour des degrés de saturation supérieurs à 0.8. Nous observons figure IV.12 que l’influence de l’énergie de compactage sur la perméabilité est très faible. En effet, l’augmentation du degré de saturation est due à l’augmentation de l’énergie de compactage et de la teneur en eau, ce qui facilite l’imbrication des mottes, et diminue la perméabilité. Il est intéressant de noter les gammes de résistivité de chaque sol. En effet, alors que les résistivités des argiles AB, AR, AJ représentent un rapport allant de 1 à 2 par rapport à celles des marnes, les résistivités de l’arènes granitique (AGB) sont 10 fois plus importantes et celles de l’argile sableuse (ARS) 100 fois supérieures.

Figure V.11 : Evolution de la perméabilité en fonction du degré de saturation initial pour les argiles AB, AR, AJ et les marnes MG, MJ

Figure V.12 : Evolution de la perméabilité des sols AGB et ARS compactés en laboratoire au Proctor normal PN et modifié PM en fonction degré de saturation.

V.2.4. La Perméabilité en fonction de la résistivité Les figures V.13 et V.14 représentent l’évolution de la perméabilité en fonction de la résistivité électrique des éprouvettes d’argiles AB, AR et AJ et des marnes MG et MJ, compactées à l’énergie du Proctor normal.

1E-11

1E-10

1E-09

20 40 60 80 100 Sri (%)

K (m

/s)

ABARAJ

1E-10

1E-09

20 40 60 80 100 Sri (%)

K (m

/s)

MJMG

1E-09

1E-08

1E-07

40 60 80 100Sr (%)

K (m

/s)

PM ARSPN ARS

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

40 60 80 100 Sr (%)

K (m

/s)

PM AGBPN AGB


181

L’analyse de ces figures indique que la perméabilité diminue en fonction de la résistivité jusqu’à atteindre une valeur minimale qui correspond à l’optimum Proctor. Ensuite, la relation s’inverse. Les grains du sol étant le plus serré entre eux à l’optimum Proctor, la perméabilité peut donc augmenter légèrement pour des degrés de saturation plus forts. Le courant électrique quant à lui traverse l’éprouvette de sol à travers l’eau contenue dans les pores et peut ainsi circuler plus facilement (diminution de la résistivité électrique) quand la saturation augmente.

Sr = 84%

Sr = 81%

Sr = 56%

Sr = 94%

Sr = 91%

Sr = 87%

Sr = 61,5%Sr = 97%

Sr = 92%Sr = 93%

Sr = 90%

Sr = 72%

1E-11

1E-10

1E-09

10 20 30 40 50 60 ρ (ohm.m)

k (m

/s)

ABARAJ

Figure V.13 : Variation de la perméabilité mesurée en laboratoire à charge constante en fonction de la résistivité électrique mesurée en laboratoire pour les argiles AB, AR et AJ.

Sr =23%

Sr = 32 %Sr = 57%

Sr = 92%

Sr = 93%

Sr = 61%

Sr = 87%Sr = 91%

Sr = 75%

Sr = 59%

1E-10

1E-09

10 20 30 40

ρ (ohm.m)

k (m

/s)

MJMG

Figure V.14 : Variation de la perméabilité mesurée en laboratoire à charge constante en fonction de la résistivité électrique mesurée en laboratoire pour les marnes MJ et MG. Les figures V.15 et V.16 représentent l’évolution de la perméabilité en fonction de la résistivité électrique des éprouvettes d’argiles ARS et AGB compactées aux énergies du Proctor normal et modifié. Nous observons qu’une relation unique existe entre la perméabilité et la résistivité électrique qui est indépendante de l’énergie de compactage. La perméabilité augmente quand la résistivité augmente. La résistivité électrique présente dans ces conditions


182

un moyen rapide et fiable pour l’estimation de la perméabilité quelle que soit l’énergie de compactage utilisée.

Sr = 95%

Sr = 92%Sr = 87%

Sr = 80%Sr = 76%

Sr = 92%Sr = 83%

Sr = 65%

Sr = 73%

Sr = 64%

Sr = 50%

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

150 170 190 210 230 250 270 290 ρ (ohm.m)

k (m

/s)

PM AGBPN AGB

k=1/(2,9e9-2,17e9.ρ0,05)

Figure V.15 : Variation de la perméabilité mesurée en laboratoire à charge constante en fonction de la résistivité électrique mesurée en laboratoire pour l’arène granitique AGB compactée au Proctor normal et modifié

Sr = 77%

Sr = 87%

Sr = 94%

Sr = 47%

Sr = 96%

Sr = 62%

Sr = 79%

Sr = 91%

1E-09

1E-08

1E-07

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

ρ (ohm.m)

k (m

/s)

PM ARSPN ARS

k =1/(3,3.e9-2,28.e9.ρ0,05)

Figure V.16 : Variation de la perméabilité mesurée en laboratoire à charge constante en fonction de la résistivité électrique mesurée en laboratoire pour l’argile ARS compactée au Proctor normal et modifié


183

V.2.5. Conclusions Le contrôle de la qualité d’une barrière étanche passe par la mesure de la perméabilité. Cependant, les essais de perméabilité sont longs, plusieurs jours voir plusieurs semaines sont nécessaires pour compléter une série d’essai en laboratoire et au moins une journée pour une série d’essais in situ implantés d’une manière aléatoire sur le site contrôlé. De plus si les contrôles indiquent des perméabilités trop fortes, il faudra encore plusieurs jours pour excaver les zones défectueuses et re-compacter. Ces difficultés peuvent être levées si la perméabilité peut être estimée indirectement via les mesures de résistivité électriques. Cependant, une telle estimation nécessite que le sol présente assez de contraste de résistivité et que les deux paramètres perméabilité - résistivité soient corrélés d’une manière unique. Nous avons constaté que la perméabilité augmente avec la résistivité électrique, après un premier palier où l’augmentation est inversée ou nulle. Les sols AB, AR, AJ, MG et MJ présentent une relation inverse du coté le plus humide. Cependant, les perméabilités mesurées sur ces sols compactés à l’énergie du Proctor normal sont très faibles et bien inférieures à la limite de perméabilité de 1.10-9 m/s. L’étude des sols ARS et AGB a montré que la perméabilité et la résistivité sont corrélés d’une manière unique qui est indépendante de l’énergie de compactage. L’étude en laboratoire de la résistivité du sol est une étape nécessaire avant de décider de la pertinence ou non de ce paramètre pour la prévision de la perméabilité d’une barrière étanche dans les centres de stockage de déchets.

V.3. ETUDE D’UN SABLE TRAITE A LA BENTONITE

V.3.1. Introduction Il s’agit ici de l’imperméabilisation des sables dans l’optique d’un traitement en place des fonds ou couvertures des centres d’enfouissement technique. En effet, pour certains types de sols, même en se plaçant à la densité sèche optimale lui conférant sa perméabilité minimale, il est impossible d’atteindre le niveau de perméabilité requis. Dans ce cas, la taille des vides entre les particules constitutives du sol est trop grande. Quand l’augmentation de l’énergie de compactage ne suffit pas à réduire suffisamment la taille des vides et sa perméabilité, on peut envisager une correction granulométrique de ce sol par ajout de bentonite en poudre. Les particules de bentonite doivent ainsi, après saturation et gonflement, remplir tous les vides intergranulaires (figure V.17).

Figure V.17. : Etat du sol avant (a) et après traitement (b) à la bentonite (Cazaux et Didier, 2001)

(a) (b)


184

Tout projet de ce type nécessite une étude en laboratoire afin de prescrire le pourcentage optimal de bentonite à mélanger au sol à traiter, afin d’atteindre le coefficient de perméabilité souhaité dans des conditions de mise en œuvre définies (fourchette de teneur en eau et de densité sèche). L’objectif de ce chapitre est de proposer une étude type d’un sable traité à la bentonite, et d’y étudier la possibilité d’utilisation des mesures de la résistivité électrique pour la prévision de la perméabilité. Pour cela, nous avons étudié en laboratoire la résistivité d’un sable et du mélange sable-bentonite en utilisant le même matériel que pour l’argile, puis nous avons imaginé un appareil permettant de mesurer la résistivité de la bentonite seule à diverses teneurs en eau.

V.3.2. Cellule de mesure de la résistivité de la pâte bentonitique Pour mesurer la résistivité de la bentonite à différentes teneurs en eau, nous avons réalisé une cellule cylindrique en plexiglas (figure V.18). Le principe de fonctionnement est identique à l’appareil de mesure de la résistivité des sols en laboratoire. La pâte de bentonite qui a été préalablement amenée à la teneur en eau voulue et après 24 heures de maturation, est introduite par le haut par petites mottes en prenant soin de chasser les bulles d’air, en particulier pour les plus faibles teneurs en eau. Deux électrodes sont enfoncées horizontalement dans des orifices prévus à cet effet et permettent la mesure de la différence de potentiel. Un champ électrique unidimensionnel est induit à travers l’éprouvette par les deux électrodes circulaires en laiton aux extrémités de la cellule, par lesquelles on mesure l’intensité I. La résistivité électrique ρ est calculée à partir de la formule suivante :

lA

IV

×∆

=ρ avec A= 12.56 cm2 et l= 3.0 cm

Figure V.18 : Photographie et coupe schématique de la cellule de mesure de la résistivité des pâtes bentoniques

φ 40

5 φ1

0 30

30

30

110

φ10

Plexiglas

Laiton

Laiton

φ 60

φ 80

Orifices pourélectrodes


185

V.3.3. Caractéristiques du sable et de la bentonite utilisée L’analyse granulométrique du sable a été réalisée par voie humide. La courbe granulométrique est présentée figure V.19. Le sable étudié est à granulométrie serrée. Les caractéristiques permettant de classer le sable sont présentées tableau V.6. La bentonite utilisée est une bentonite sodique naturelle provenant du Wyoming (USA). Ses caractéristiques sont présentées tableau V.7.

Granulométrie : passant au tamis de :

1 mm (%)

0.2 mm (%)

0.1 mm (%)

0.080 mm (%)

Diamètre moyen des grains D50

Cu = D60/D10

Cc = D302/D10.D60

Poids volumique des grains γs (kN/m3)

99.93 90.8 20.1 3.20 0.11 1.4 1.1 26.5

Tableau V.6. : Caractéristiques granulométriques du sable

Teneur en eau de commercialisation

(%)

Surface spécifique (m2/g) wL (%) wP (%) Ip

9.5 756 530 197 333

Tableau V.7. : Caractéristiques de la bentonite

Figure V.19 : Courbe granulométrique du sable

V.3.4. Compactage Le sable a été compacté à l’énergie du Proctor normal à plusieurs teneurs en eau. La courbe teneur en eau-densité sèche est présentée figure V.20. Après avoir humidifié le sable à différentes teneurs en eau, nous avons ajouté la bentonite en pluie à la concentration voulue. Le tout est malaxé manuellement jusqu’à obtention d’un mélange homogène, puis conservé dans un sac plastique hermétique pendant 48 heures avant de réaliser le compactage à l’énergie du Proctor normal.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110

diamètre des particules (mm)

% d

es t

amis

ats

cum

ulé

en p

oids

graviers gros sable sable fin


186

Comme le montre la figure V.20, la teneur en eau optimale du mélange est identique à celle du sable seul. Ainsi, pour les concentrations à 2, 3 et 4% de bentonite nous avons réalisé l’étude à wopn, wopn+2% et wopn-2%.

Figure V.20 : Courbes de compactage à l’énergie Proctor normal des éprouvettes à différentes concentrations de bentonite

La figure V.21 représente la variation du poids volumique sec en fonction du pourcentage de bentonite pour des teneurs en eau des mélanges voisines de wopt et wopt ±2%. Quand on augmente la concentration en bentonite, on observe une augmentation de la densité sèche jusqu’à un maximum qui correspond à 3% de bentonite dans le mélange. A une telle concentration, les particules de bentonite remplissent tous les vides entre grains de sable. Au-delà des 3%, l’ensemble doit présenter une structure où les grains de sable ne sont plus en contact entre eux. Les particules de bentonite enrobent les particules de sable, ce qui provoque une diminution de la densité sèche.

Figure IV.21 : Variation du poids volumique sec du mélange sable-bentonite en fonction du pourcentage en bentonite

14,5

15,0

15,5

16,0

16,5

0 5 10 15 20 25 30

teneur en eau (% )

poid

s vo

lum

ique

sec

(kN

/m3 )

s able s eul2% de bentonite3% de bentonite4% de bentonite

Sr = 0,8 Sr = 1

15

16

0 1 2 3 4 5

Concentration en bentonite B (%)

poid

s vo

lum

ique

sec

(kN

/m3 )

Wopn+2%

Wopn

Wopn-2%


187

V.3.5. Relation entre le pourcentage de bentonite et l’hydratation de la bentonite avec les densités des composants solides d’un mélange Le pourcentage de bentonite B et sa teneur en eau d’hydratation peuvent être reliés aux densités sèches des deux composants solides du mélange ( sable et bentonite). Trois paramètres sont analysés à la fois : la densité sèche du sable (γd3)et de la bentonite (γd2), ainsi que la teneur en eau mobilisée par la bentonite (w2). Ils sont calculés par les équations suivantes :

1%3

+=

BDs

w

d

γγ

(Eq. V.2)

))1%((%

arg

arg

2

DsB

DsBw

w

iles

w

iles

d

−×+

××=

γγ

γγ

γγ (Eq. V.3)

( )1%1%02 +×= Bww (Eq. V.4) Ds étant la densité sèche du mélange Ds = γd1/γw et w0 la teneur en eau du mélange. Schuster et al (1987) ont défini un paramètre (le degré de remplissage des pores) qui traduit l’état étanche d’un mélange sable-bentonite. Le degré de remplissage des pores D.R.P qualifie le remplissage des pores du sable par la bentonite et l’eau d’un point de vue volumétrique et prend en compte le gonflement de la bentonite. Ce paramètre est défini par le rapport suivant :

poressable

w

ilesQileile

V

wVVPRD

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛××+

=γ

γ argargarg

.. (Eq. V.5)

Où, Vargile : volume d’argile ; wQ : teneur en eau de l’argile à l’état de gonflement libre ; γw : poids spécifique de l’eau ; γs argile : poids spécifique de l’argile ; Vporessable : volume des vides du sable. Les valeurs des différents paramètres calculées pour des mélanges à des teneurs en eau proches de 20%, 17% et 15% sont présentées sur les tableaux V.9, V.10 et V.11 respectivement.

B (%) w0 (%) γd1 /γw w2 (%) γd2 /γw γd3 /γw DRP (%) w2sat

0 19,85 1,515 _ 0 1,52 0

2 19,90 1,539 1014,9 0,0701 1,51 71,11 1389,3

3 19,55 1,570 671,2 0,1076 1,52 72,3 891,2

4 20,31 1,505 528,1 0,1275 1,45 67,4 746,4

Tableau V.9 : résultats du calcul de w2, γd2, γd3 et DRP en fonction du dosage de bentonite pour une teneur en eau de compactage wopt+2%


188


0 17,7 1,549 _ 0,0023 1,52 - -

2 17 1,565 867 0,0729 1,53 63,21 1334,3

3 17,2 1,592 590 0,1113 1,55 65,74 861,0

4 17 1,578 442 0,142 1,52 62,81 666,5

Tableau V.10 : résultats du calcul de w2, γd2, γd3 et DRP en fonction du dosage de bentonite pour une teneur en eau de compactage wopt


0 15,8 1,538 _ 0 1,538 -

2 15,0 1,560 765 0,0723 1,529 55,36 1344,7

3 15,0 1,586 515 0,1103 1,540 56,83 869,2

4 15,0 1,572 390 0,1407 1,512 54,94 672,8

Tableau V.11 : résultats du calcul de w2, γd2, γd3 et DRP en fonction du dosage de bentonite pour une teneur en eau de compactage wopt-2

wsat représente, pour chaque densité sèche, la teneur en eau de la bentonite nécessaire pour saturer le matériau.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

iles

w

d

wsatw

arg2 γγ

γγ

(Eq. V.6)

La figure V.22 représente l’évolution de la densité sèche de la pâte bentonitique contenue dans le mélange compacté à l’optimum Proctor et à l’optimum ± 2% et pour des concentrations de 2, 3 et 4 % de bentonite en fonction de la teneur en eau de la bentonite w2. Les résultats sont comparés à ceux mesurés pour la pâte seule dans la cellule décrite au §V.3.3. La courbe des densités sèches théoriques des pâtes contenues dans les mélanges sable-bentonite se situe au-dessous de celle mesurée pour la pâte seule, à cause de la présence du sable qui augmente le volume. La pâte de bentonite seule est saturée à partir d’une teneur en eau w2 = 400%. Pour les teneurs en eau inférieures à la limite de plasticité, nous avons observé la présence de bulles d’air dans la pâte.


189

Figure V.22: évolution de la densité sèche de la pâte de bentonite en fonction de la teneur en eau de bentonite calculée dans le mélange et mesurée pour la pâte seule

Nous avons représenté l’évolution de la teneur en eau de la bentonite dans le mélange w2 et des poids volumiques secs de la bentonite γd2 et du sable γd3 en fonction de la concentration en bentonite dans le mélange à la teneur en eau optimale (figure V.23), à la teneur en eau wopn+2% (figure V.24) et à la teneur en eau wopn-2% (figure V.25). Nous observons que la densité sèche du sable passe par un optimum pour une concentration en bentonite b* = 3%. La teneur en eau w2 mobilisée par la bentonite décroît lorsque son dosage augmente dans le mélange.

Figure V.23 : Variation de w2, γd2 et γd3 en fonction du dosage de bentonite pour un compactage à wopt+2%

concentration en bentonite (%)

Den

sité

séc

he (γ

d/γw)

Tene

ur e

n ea

u (%

)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 1 2 3 4 50

200

400

600

800

1000

1200

gd2

1,44

1,48

1,50

γd2/γw

γd3/γ

W

γd3/γwγd2/γw

1,52

w2

wL

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0 200 400 600 800 1000 1200

w 2 (%)

d2/

w

opn+2opnopn-2m es uré

Sr = 1


190

Figure V.24 : Variation de w2, γd2 et γd3 en fonction du dosage de bentonite pour un compactage à wopt

Figure V.25 : Variation de w2, γd2 et γd3 en fonction du dosage de bentonite pour un compactage à wopt-2%

La figure V.26 montre l’évolution du paramètre DRP aux teneurs en eau wopt et wopt+2% et wopt-2% en fonction des dosages (B) en bentonite. Le degré de remplissage des pores maximum est à 3% de bentonite dans le mélange, ce qui correspond au dosage b* pour lequel la densité sèche du mélange est optimale.


Den

sité

sèc

he (γ

d/γw)

Tene

ur e

n ea

u (%

)


Den

sité

séc

he (γ

d/γw)

Tene

ur e

n ea

u (%

)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 1 2 3 4 50

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

gd2

1,52

1,53

1,54

γd2/γw

γd3/γ

W

γd3/γwγd2/γw

1,55

w2

wL

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0 1 2 3 4 50

100

200

300

400

500

600

700

800

900

gd2

1,51

1,52

1,53

γd2/γw

γd3/γ

W

γd3/γwγd2/γw

1,54

w2

wL


191

Figure V.26 : Evolution du DRP en fonction de la concentration en bentonite pour les teneurs en eau de compactage Wopt et Wopt+2%

Selon Haddour (1993), pour des dosages inférieurs à b*, l’effet étanche est produit par le nombre de points de contact grain à grain du squelette du sable, qui dépend donc de la granulométrie du sable. Au-delà de la valeur b*, la structure est enrobée par l’argile et l’eau, ce qui signifie qu’il existe moins de contacts entre les grains de sable et que l’effet étanche ne dépend pas de la granulométrie du sable, mais seulement du D.R.P et du type d’argile utilisée. Le paramètre D.R.P commence alors à diminuer. Le D.R.P constitue un indice d’optimisation du mélange et permet de calculer, pour un type d’argile, la quantité à mettre en œuvre pour remplir au maximum les vides du matériau récepteur et éviter un affaiblissement mécanique de la structure du mélange.

V.3.5. Etude de la perméabilité du mélange sable - bentonite Lors de la phase de saturation, la charge hydraulique doit être quasi nulle pour éviter l’extrusion de la bentonite. L’évolution de la perméabilité en fonction de la teneur en eau est présentée sur la figure V.27. L’obtention d’une perméabilité inférieure à 1.10-9 m/s nécessite un traitement du sable à 4 % de bentonite avec une teneur en eau supérieure à 16 %. Le traitement à 3 % de bentonite peut être possible, mais l’énergie de compactage devra être élevée. In situ, il sera nécessaire de contrôler soigneusement la teneur en eau et la densité sèche après compactage, car la perméabilité est très dépendante de ces paramètres.

0

50

100

0 1 2 3 4 5Concentration en bentonite B (%)

Deg

ré d

e re

mpl

issa

ge d

es p

ores

(D

RP)

woptwopt+2%wopt-2%


192

Figure V.27 : Perméabilité en fonction de la teneur en eau

La figure V.28 représente l’évolution de la perméabilité en fonction de la concentration en bentonite suivant une échelle bi-logarithmique à des teneurs en eau de compactage du mélange sable-bentonite wopt, wopt+2% et wopt –2%. Haddour (1993) a défini une loi de comportement des mélanges sables-bentonites de la forme suivante :

K=XBY (Eq. V.7)

Les coefficients X et Y dépendent : -de la granulométrie du sable -de la nature minéralogique de la bentonite -du mode et de l’énergie de compactage -de la teneur en eau du mélange

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1E-05

0 5 10 15 20 25teneur en eau (%)

perm

éabi

lité

(m/s

)

0% de bentonite2% de bentonite3% de bentonite4% de bentonite


193

Figure IV.28 : Variation de la perméabilité en fonction du pourcentage de bentonite

Les coefficients X et Y pour chaque teneur en eau de compactage du mélange sont présentés dans le tableau V.12 ainsi que les caractéristiques physiques initiales et les résultats des essais de perméabilité en laboratoire.

wopt+2% wopt wopt-2%

B (%) w (%) γd (kN/m3) K (m/s) w (%)γd

(kN/m3) K (m/s) w (%) γd

(kN/m3) K (m/s)

0 19,8 15,15 6,0E-07 17,7 15,49 3,0E-07 15,8 15,38 6,0E-07

2 19,9 15,39 2,0E-09 17,0 15,65 7,8E-09 15,0 15,6 1,4E-08

3 19,5 15,7 9,0E-10 17,2 15,92 2,1E-09 15,0 15,86 4,0E-09

4 20,3 15,05 2,8E-10 17,0 15,78 4,0E-10 15,0 15,72 2,0E-09

Paramètres du modèle

X = 1,06.10-8 Y = -2,452

X = 1,46.10-7 Y = -4,145

X = 1,09.10-7 Y = -2,970

Tableau V.12 : Récapitulatif des résultats obtenus en laboratoire

Pour le compactage à wopt, la perméabilité est inférieure à 1.10-9 m/s pour une concentration de bentonite comprise entre 3% et 4%, celle ci se trouve à une teneur en eau w2 proche de sa limite de liquidité wL. Pour le compactage à wopt+2%, la perméabilité est inférieure à 1.10-9

m/s à partir d’une concentration de bentonite de 3% qui se trouve à une teneur en eau w2 = 1,26 wL. A wopt –2% la perméabilité est supérieure à 1.10-9 m/s même à 4% de bentonite dans le mélange.

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

1E-06

1 10Concentration en bentonite B(% )

Per

méa

bilit

é (m

/s)

Wopt+2%

Wopt

Wopt-2%

Modèle de Haddour


194

V.3.6. Mesure de la résistivité électrique Les sables secs ont des résistivités allant jusqu’à 105 ohm.m, alors que les sables humides ont des résistivités de l’ordre de 10 ohm.m. Cela est dû à la plus forte conductivité électrique de l’eau contenue dans les pores par rapport à celle des solides et de l’air. Ainsi, pour les sols ayant des résistivités relativement faibles, le courant électrique passe essentiellement à travers l’eau contenue dans les pores. Les particules solides et l’air peuvent donc être considérés comme isolant. Jackson et al. (1978) ont étudié la résistivité d’un sable marin. Ils conclurent que la résistivité du sable dépend principalement de la résistivité de l’eau des pores et de la porosité du milieu. Ils ont également constaté que la résistivité du sable est influencée par la forme et la distribution de la taille des grains. Les propriétés électriques de l’argile sont plus compliquées en terme de structure, à cause de la formation de la double couche diffuse autour et entre les particules d’argile, qui peut présenter des conductivités différentes de celle de l’eau des pores (Waxman et Smith, 1968). En général, la résistivité de l’argile est plus faible que celle de l’eau des pores (Fukue et al., 1999). On considère que cela est dû à la conductivité relativement forte de l’interface solide et liquide, qui est la double couche diffuse. Dans ce qui suit, nous étudions la résistivité du sable seul, du mélange sable bentonite à différentes concentrations et teneurs en eau. La résistivité de la bentonite seule est également mesurée pour les gammes de teneur en eau w2 correspondantes à celle de la bentonite dans le mélange.

V.3.6.1. La résistivité du sable seul Les mesures de résistivité ont été réalisées immédiatement après compactage avec le même appareil que celui utilisé pour l’argile en suivant le même mode opératoire. L’eau utilisée pour le compactage est l’eau déminéralisée. La figure V.29 représente l’évolution de la résistivité en fonction de la teneur en eau. Nous constatons une chute brutale de la résistivité à partir d’une teneur en eau de 9.5 %. Cette teneur en eau critique correspond à la limite entre la discontinuité et la continuité de l’eau contenue dans les pores.

Figure V.29 : relation entre la résistivité électrique du sable avec la teneur en eau de compactage

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 20teneur en eau (%)

rési

stiv

ité (

ohm

.m)

discontinuité de l'eau des pores


195

V.3.6.2. La résistivité de la bentonite seule La figure V.30 représente l’évolution de la résistivité électrique de la bentonite en fonction de la teneur en eau. Comme pour le sable seul, la résistivité commence à chuter d’une valeur très forte de 800 ohm.m à partir d’une teneur en eau d’environs 11 %. Cela est dû à l’effet isolant de l’air contenu dans les pores. Entre 10 et 50 % de teneur en eau, la résistivité décroît de 400 à 4 ohm.m.. On pourrait donc distinguer des états sec et humide avec cette teneur en eau critique.

Figure V.30 : Evolution de la résistivité électrique de la pâte bentonitique en fonction de sa teneur en eau

Jusqu’à la teneur en eau critique wc = 11% la structure peut être caractérisée par une discontinuité de l’eau des pores comme le montre la figure V.31 (A). L’état du sol est dans ce cas fortement influencé par la procédure de préparation. Il est intéressant de noter que la résistivité diminue jusqu’à une valeur minimale qui correspond à une teneur en eau proche de la limite de plasticité wP. Ici, la limite de plasticité wP peut être définie comme étant « la teneur en eau adsorbée » sans eau libre dans les pores (Fukue et al., 1999). La résistivité varie peu entre la limite de plasticité et la limite de liquidité (resp. ρP = 2,1 ohm.m et ρL = 2,7 ohm.m). Les sels qui existent dans l’argile se dissolvent dans l’eau ajoutée et la couche d’eau adsorbée qui se forme acquièrent une forte conductivité. Cette phase peut être caractérisée comme indiqué sur la figure V.31 (B). Quand la teneur en eau est supérieure à la limite de liquidité, la résistivité augmente en fonction de la teneur en eau. Dans cette étude, nous avons utilisé de l’eau déminéralisée. Etant donné que la résistivité de l’eau déminéralisée est très élevée (environ 2500 ohm.m), alors le surplus d’eau peut écarter les contacts entre les couches d’eau adsorbées. Ainsi, la résistivité augmentera. A cette phase, la structure peut être caractérisée par la séparation entre les couches d’eau adsorbée, comme indiqué sur la figure V.31 (C).

1

10

100

1000

1 10 100 1000 10000teneur en eau (% )

rési

stiv

ité (o

hm.m

)

discontinuité de l'eau des pores

W P W L


196

Figure V.31 : Etat structural de l’argile en fonction de la teneur en eau (Fukue et al., 1999)

V.3.6.3. La résistivité du mélange sable-bentonite La figure V.32 représente l’évolution de la résistivité électrique en fonction de la teneur en eau des mélanges avec les dosages en bentonite de 2%, 3% et 4%. Nous constatons que la résistivité diminue quand la teneur en eau des mélanges augmente.

Figure V.32 : Relation entre la résistivité électrique du mélange sable-bentonite avec la teneur en eau de compactage aux différentes concentrations de bentonite

L’eau présente dans le mélange est mobilisée par la bentonite. Ainsi, plus la teneur en eau de la bentonite contenue dans les mélanges augmente, plus la résistivité du mélange diminue (figure V.33). Les résistivités mesurées expérimentalement sur la pâte de bentonite à des teneurs en eau correspondantes à celles de la bentonite contenue dans les mélanges sont plus faibles que celle mesurées sur les mélanges.

eau déminéralisée

particule

Couche d’eau adsorbée

Couche d’eau adsorbée

particule

air air

particule

eau

A B C

10

20

30

40

50

60

70

1 6 11 16 21teneur en eau du mélange w1(% )

rési

stiv

ité (

ohm

.m)

B = 2%B = 3%B = 4%


197

Figure V.33 : évolution de la résistivité électrique mesurée dans les mélanges à 2, 3 et 4% de bentonite et pour la pâte bentonitique seule en fonction de la teneur en eau de la bentonite.

La résistivité du mélange est liée à la teneur en eau de la bentonite par la relation :

bwa.1. =ρ avec a = 7849,5 et b = -0,853 La résistivité de la pâte est liée à sa teneur en eau par la relation :

wdc .12. −=ρ avec c =0,59 et d = 0,00047261

En supposant que la bentonite contenue dans le mélange mobilise toute l’eau, la résistivité de la bentonite du mélange peut être liée à la résistivité globale du mélange par la relation :

ρρ

853,01

1

2 4,1759,01

−=

Nous observons figure V.34 que la résistivité électrique du mélange diminue quand la concentration en bentonite augmente. Quand la concentration en bentonite augmente au-dessus de 3 %, la diminution de la résistivité est plus forte. En effet, les figures V.22, V.23 et V.24 indiquent qu’au-delà de 3 %, la densité sèche du sable γd3 diminue. La structure du sable est alors affaiblie et la teneur en eau de la bentonite dans le mélange w2 baisse de 1000 % à 400 %. La figure V.30 indique que pour ces valeurs de teneur en eau, la résistivité qui est très faible baisse quand w2 baisse. Dans ce cas, la bentonite se trouve dans la phase C de la figure V.31. La résistivité du mélange diminue donc plus à partir d’un dosage de 3 % de bentonite comme l’indique la figure V.34.

ρ1 = 7849,5w2-0,853

0

10

20

30

40

50

60

70

0 300 600 900 1200teneur en eau de la bentonite w 2 (%)

rési

stiv

ité é

lect

rique

(oh

m.m

)

B = 2% B = 3% B = 4% bentonite seule

ρ2=1/(0,59-4,72.10-4.w2)


198

Figure V.34 : Evolution de la résistivité électrique du mélange sable-bentonite avec la concentration de bentonite

V.3.7. Corrélation entre la résistivité et la perméabilité Haddour (1993) a constaté que le coefficient de perméabilité du mélange est lié au degré de remplissage des pores (DPR) par la relation :

Ln k = b-a DPR Où a et b sont des constantes. La figure V.35 représente l’évolution de la perméabilité en fonction du degré de remplissage des pores. Les courbes de tendance sont de la forme Ln k = b-a DPR.

Figure V.35 : évolution de la perméabilité en fonction du degré de remplissage des pores

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5

concentration du mélange en bentonite B(% )

rési

stiv

ité (

ohm

.m)

Wopt-2%

Wopt

Wopt+2%

1,E-10

1,E-09

1,E-08

1,E-07

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

DRP

perm

éabi

lité

(m/s

)

B=2%

B=3%

B=4%


199

Le tableau V.13 donne les valeurs des constantes a et b pour chaque concentration de bentonite dans le mélange.

b a B = 2% -11.04 11.548 B = 3% -18.11 2.70 B = 4% -9.5 15.957

Tableau V.13 : Valeurs des constantes a et b pour chaque concentration

La figure V.36 représente la variation de la résistivité du mélange en fonction du degré de remplissage des pores DRP. La résistivité est reliée au DRP suivant la même relation que pour la perméabilité et le DRP :

Ln ρ = b’- a’ DRP Où a’ et b’ sont des constantes.

Figure V.36 : évolution de la résistivité en fonction du Degré de remplissage des pores DRP

Les valeurs des constantes a’ et b’ pour chaque concentration de bentonite dans le mélange sont présentées tableau V.14.

b’ a’ B = 2% 5.24 2.31 B = 3% 4.75 1.666 B = 4% 4.69 2.156

Tableau V.14 : Valeurs des constantes a’ et b’ pour chaque concentration

Ainsi la résistivité et la perméabilité sont reliées au degré de remplissage des pores. Ln ρ = b’- a’ DPR Ln k = b - a DPR Nous obtenons la relation suivante k = exp (b-a.b’/a’).ρa/a’

10

100

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9DRP

rési

stiv

ité (o

hm.m

)

B=2%

B=3%

B=4%


200

Les paramètres a, b, a’et b’ dépendent de la concentration en bentonite du mélange Nous obtenons une loi puissance

k = α.ρβ avec α = exp (b-a.b’/a’) et β = a/a’ La figure V.37 représente la relation entre la résistivité électrique et la perméabilité des mélanges sable–bentonite. La perméabilité et la résistivité sont corrélées par une loi puissance du type k = α.ρβ où α et β sont des paramètres dépendant de la concentration en bentonite du mélange. La perméabilité diminue quand la résistivité diminue et quand la concentration en bentonite augmente. Nous constatons que la perméabilité requise de 1.10-9 m/s est obtenue pour le mélange à 4 % de bentonite à partir des valeurs de résistivité inférieures à 24 ohm.m et pour des résistivités inférieures à 30 ohm.m pour les mélanges à 2 et 3%.

Figure V.37 : Evolution de la perméabilité des mélanges aux différentes concentrations en bentonite en fonction de la résistivité électrique

V.3.8. Conclusions L’utilisation des sables dans la construction des barrières étanches nécessite une amélioration de leurs performances hydrauliques par l’ajout de bentonite. Le pourcentage optimal de bentonite à mélanger au sable afin d’atteindre le coefficient de perméabilité souhaité dans des conditions de mise en place définies (fourchette de teneur en eau, densité sèche minimale) doit être prescrit à l’issue de l’étude en laboratoire. La performance à grande échelle des barrières d’étanchéité en sable-bentonite dépend de l’homogénéité du sable, de la teneur en eau et de la densité du mélange, ainsi que de la variabilité spatiale des teneurs en bentonite. Les résultats dépendent fortement de la qualité d’homogénéisation obtenue après malaxage in situ ou en centrale.

k = 8E-13ρ 2,1912

k = 7E-17ρ 5,0177

k = 2E-19ρ 7,0708

1E-10

1E-09

1E-08

1E-07

10 20 30 40 50 60 70

rés is tivité (ohm .m )

perm

éabi

lité

(m/s

)

B=2%B=3%

B=4%


201

Nous avons tenté de mettre en relation la résistivité électrique du mélange sable bentonite avec sa perméabilité dans le but d’explorer la possibilité d’une utilisation de méthodes géophysiques in situ pour le contrôle de l’homogénéité de la barrière reconstituée. L’étude a montré que l’ajout de 3 ou 4% de bentonite au sable étudié permettait d’obtenir un coefficient de perméabilité k < 1.10-9 m/s pour des teneurs en eau supérieures à 16% et 19% respectivement. La variation de la perméabilité en fonction de la concentration en bentonite semble obéir à une loi du type k = X.BY. Le paramètre DRP-degré de remplissage des pores, a été calculé. Nous avons constaté que :

• La valeur maximale du DRP correspond au dosage B*=3% pour lequel la densité du mélange est optimale.

• Pour des dosages supérieurs à 3%, il y a affaiblissement de l’arrangement avec perte de contact entre les grains de sable et le paramètre DRP commence à diminuer

• Le DRP varie de manière linéaire avec le logarithme de B dans le domaine de concentration B≤B*

La perméabilité et la résistivité sont liées au DRP par une relation du type :

Ln k = b - a DPR Ln ρ = b’- a’ DPR

La perméabilité est liée à la résistivité par une relation du type k = α.ρβ où α et β sont des paramètres dépendant de la concentration en bentonite du mélange. La perméabilité requise de 1.10-9 m/s est obtenue pour des valeurs de résistivité inférieures à 24 ohm.m quelle que soit la concentration en bentonite et pour des résistivités inférieures à 30 ohm.m pour les mélanges à 2 et 3%. L’utilisation de la résistivité électrique pour la prévision de la perméabilité des sables traités à la bentonite doit nécessairement être accompagnée du contrôle de l’homogénéité du mélange.

V.4. DISPOSITIFS UTILISÉS POUR LA MESURE DE LA RÉSISTIVITÉ IN SITU Trois appareillages ont été utilisés pour les mesures de résistivité in situ. Le premier, qui a été utilisé systématiquement est le Wenner. L’EM38 et le quadripôle électrostatique n’ont pas pu être utilisé sur un même site.

V.4.1. Le Wenner [ASTM G57-95a] Les quatre électrodes sont enfoncées dans le sol. Un courant continu est injecté aux extrémités A et B. Une différence de potentiel est mesurée aux électrodes M et N (figure V.38). La profondeur d’investigation est généralement estimée entre a/2 à 2a/3. Deux appareils avec des espacements entre électrodes différents a = 10 cm et a = 30 cm ont été utilisés.


202

(AM = MN = NB = a)

V

Ligne équipotentielle Ligne de courant

BA M NI

Figure V.38 : Dispositif de mesure de la résistivité in situ - méthode Wenner

V.4.2. L’EM38 L’EM38 (figure V.39) est un appareil basé sur une méthode électromagnétique. Cet appareil présente l’avantage d’être léger et facile à utiliser. La procédure consiste à mesurer la conductivité (inverse de la résistivité) d’une épaisseur donnée de sol. La profondeur d’investigation dépend du réglage de l’appareil et de sa position d’utilisation (fréquence, configuration).

Figure V.39 : Appareil EM38 de Geonics.

V.4.3. Le quadripôle électrostatique La méthode électrostatique utilisée est une généralisation de la méthode électrique à tous les milieux, aussi bien diélectriques que conducteurs. Elle permet donc la mesure de la résistivité apparente du sous-sol. De plus, comme la méthode électrique, et contrairement aux méthodes électromagnétiques basses fréquences, elle est insensible aux structures métalliques perturbatrices. Cette méthode s’avère donc particulièrement adaptée à la reconnaissance en milieu urbain. Quand les pôles sont posés sur le sol, l’interprétation des mesures est exactement la même que pour la méthode électrique. Le dispositif de mesure minimum est constitué de deux paires de pôles, la première ayant pour rôle d’injecter le courant dans un milieu environnant. Cette mesure de la résistivité apparente est une mesure intégrante, représentative d’un certain volume de terrain qui dépend de la position et de la géométrie du dispositif utilisé. Sur le site étudié, le dispositif MPG


203

(figure V.40) a été utilisé dans une configuration ne comportant que le petit quadripôle dont la profondeur d’investigation est inférieure au mètre. Un capteur de distance sans contact avec le sol (radar Doppler) donne les repères de distances nécessaires au positionnement des mesures. Les mesures sont visualisées et stockées en temps réel dans un ordinateur. Les résultats sont représentés sous forme d’une carte de résistivité apparente.

Figure V.40 : Dispositif quadripôle électrostatique MPG du CNRS-Garchy

V.5. ETUDE DE L’HOMOGÉNEITÉ ET DE LA PERMÉABILITÉ D’UNE BARRIÈRE ÉTANCHE RAPPORTÉE – SITE N°1 Nous sommes intervenus sur ce site (figure V.41) pour le contrôle de la perméabilité des matériaux compactés en fond d’alvéole. Une planche d’essai a été réalisée. La cartographie électromagnétique des résistivités a permis d’apprécier l’homogénéité spatiale de la couche d’argile rapportée. Des essais de perméabilité en forage type G2DC ont été réalisés ainsi que des essais de perméabilité en surface à l’infiltromètre simple anneau fermé. Des mesures de densités et de teneurs en eau ont également été réalisées au nucléo-densimètre et ont permis de dresser une carte.

Figure V.41 : Photographie des alvéoles étudiées


204

V.5.1. Caractéristiques physiques et minéralogiques du matériau

Le matériau étudié est une argile marron claire bariolée gris avec cailloutis (altérée). Les paramètres physiques du matériau sont les suivants :

Teneur en eau naturelle moyenne: w = 18.7 % La masse volumique sèche : γd = 17.7 kN/m3 Indice des vides : e = 0.53 Degré de saturation : Sr = 96%

Les limites d’Atterberg sont : Limite de liquidité : wl = 43% Limite de plasticité : wp = 19% Indice de plasticité : Ip = 23 Indice de consistance : Ic = 1.03

Les résultats de l’analyse granulométrique sont présentés figure V.42. L’analyse diffractométrique aux rayons X a montré que les argiles présentes sont de l’illite muscovite, de la kaolinite et un peu de smectite et/ou de chlorite (figure V.43).

Figure V.42 : courbe granulométrique du matériau étudié

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0010,010,1110

Diamètre des tamis en mm

% d

e ta

mis

ats


205

Figure V.43 : Diagramme de la diffraction des rayons X

V.5.2. Compactage La classification du matériau selon le GTR 92 est A2h. Il s’agit d’une argile moyennement plastique. Les courbes Proctor normal et modifié sont présentées figure V.44. Les poids volumiques secs et les teneurs en eau mesurés sur les différents prélèvements ainsi que ceux mesurés par le nucléo-densimètre sont également reportés sur la figure V.44 et comparés aux courbes Proctor.

Figure V.44 : poids volumiques secs en fonction de la teneur en eau

15

16

17

18

19

20

21

8 13 18 23 28w (% )

d (k

N/m

3)

P roctor normal

Proctor modifié

Prélèvement

Prélèvement planched'essaiPoint contrôlé auNucleo-densimeter

Sr=70%Sr=100%


206

Optimum Proctor Normal (OPN) Optimum Proctor Modifié (OPM) wOPN = 17.8 % wOPM = 12.2 %

γd OPN = 17.6 kN/m3 γd OPM = 19.8 kN/m3 L’examen de la figure V.44 montre que les points situés à gauche de l’optimum Proctor normal ont un poids volumique sec compris entre 17.4 kN/m3 et 18.6 kN/m3 alors que la teneur en eau varie entre 13.6% et 16.4%. Ces différences de poids volumiques secs sont principalement dues aux variations de l’énergie de compactage sur l’ensemble de la surface des alvéoles.

V.5.3. Planche d’essai La planche d’essai est constituée de 4 couches rapportées. Le compactage s’est fait par couche de 20 à 25 cm, notées de C1 à C4 de bas en haut (figure V.45), sur lesquelles un engin de type V5 a effectué quatre passes en vibrant. Les essais de perméabilité ont été réalisés sur chaque couche. Pour cela, il a fallu dégager l’argile sur différentes hauteurs, afin de faire des paliers pour mesurer la perméabilité à l’infiltromètre simple anneau fermé (figure V.45). Nous observons entre chaque couche une interface lisse. Pour la suite du compactage nous avons demandé d’effectuer un passage au pied de mouton après chaque couche pour assurer un meilleur accrochage entre les couches. Plusieurs essais de perméabilité ont été réalisés : cinq en surface afin de mesurer la perméabilité verticale et 2 essais en forage mesurant la perméabilité horizontale sur le mètre compacté.

Figure V.45 : schéma descriptif de la planche d’essai

Une mesure de teneur en eau et de densité a été réalisée à proximité de chaque essai. Les résultats indiquent des valeurs de teneur en eau qui varient entre 14.2 et 17.2 % et des valeurs de masses volumiques sèches qui se situent entre 18.2 et 19.2 KN/m3. Ces valeurs se trouvent au-dessus de la courbe Proctor normal et sont très proches de la courbe Proctor modifié

V.5.4. Cartographie électromagnétique L’appareil utilisé est de type EM38 de Géonics, présentant une profondeur d’investigation de 75 cm. La cartographie électromagnétique s’est déroulée en deux phases. Une première intervention a permis de cartographier l’alvéole 1, puis une seconde intervention deux semaines plus tard a permis de cartographier les alvéoles 2 et 3. La lecture de la carte des résistivité (figure V.46) montre globalement une bonne homogénéité de la résistivité (entre 7 et 14 ohm.m). Les valeurs obtenues sur la première alvéole ont été corrigées afin de palier à une différence de calage de l’appareil utilisé sur la première alvéole. Des essais de perméabilité ont été réalisés aux zones les plus contrastées ou présentant des gradients de résistivité. Ces essais sont localisés sur la carte des résistivités.

F2 S5 F1

S1 S2 S3

S4

C4 C3 C2

C1


207

V.5.5. Cartographie des caractéristiques physiques Des mesures de teneurs en eau et de densités sèches au nucléo-densimètre à 30 cm de profondeur ont été réalisées sur les alvéoles 2 et 3. Ces mesures ont permis de dresser les cartes de ces paramètres (figures V.47 et 48) ainsi que celle des degrés de saturations (figure V.49).

V.5.6. Contrôle in situ de la perméabilité Les essais de perméabilité réalisés in situ afin de caractériser l’étanchéité du fond sont au nombre de 21. Les essais sont repérés sur la carte électromagnétique. Les résultats des essais sont résumés dans le tableau V.15.

Essai Teneur en eau (%)

Poids volumique

sec (kN/m3)

Degré de

saturation (%)

Résistivité à l’EM38 (ohm.m)

Perméabilité (m/s)

A1 18,5 17,29 88,9 10,6 4 x 10-10

A2 17,5 17,66 89,3 14,1 6 x 10-10

A3 15,8 17,59 79,7 14,0 8 x 10-10

B1 17,4 17,69 89,3 11,5 2 x 10-10

B2 14,6 17,75 75,6 11,5 6 x 10-10

B3 14,6 17,52 72,9 9,4 7 x 10-10

B4s 14,6 17,52 72,9 9,4 1x10-10

B5 s 15,2 17,39 74,3 9,6 2 x10-10

B6 s 15,0 17,89 79,5 10,5 2 x10-10

C1 14,8 18,29 83,9 10,6 4 x 10-10

C2 25,5 15,25 89,4 8,5 5 x 10-10

C3 16,4 17,89 87,0 8,7 8 x 10-10

C4 s 14,2 18,30 80,6 10,5 6 x 10-10

C5 s 15,9 17,94 85,0 9,4 7 x 10-10

S2 s 16,5 18,31 93,7 - 6 x 10-10 S1 s 17,1 18,20 95,5 - 8 x 10-10 S4 s 14,2 19,21 94,4 - 7 x 10-10 S3 s 17,2 18,23 96,0 - 6 x 10-10 S5 s 16,2 18,49 95,2 - 6 x 10-10 F1 - - - - 2 x 10-10 F2 13,8 18,78 85,2 - 3 x 10-10

Tableau V.15: Caractéristiques physiques initiales des essais de perméabilité in situ à charge constante et valeurs correspondantes de la résistivité mesurée à l’EM38.

208

ram

ped'

accè

s

A1

A2

A3

B1

B2

B5s

B6s

C1

C2

C3

C4s

C5s

poin

ts d

e m

esur

es

essa

is d

e pe

rméa

bilit

é

rési

stiv

itéoh

m.m

B4sB3

Ram

pe

d'ac

cès

cond

uctiv

ités

en m

mho

s/m

677889910101111121213131414

Rés

istiv

ité é

lect

rique

ohm

.m

Figure V.46 : Carte des résistivités à l’EM38 pour une profondeur d’investigation de 75 cm

B3

B4s

Chapitre V : Application des méthodes géophysiques au contrôle des barrières étanches

208

Alv

éole

1

Alv

éole

2

Alv

éole

3

209

400.

0045

0.00

500.

0055

0.00

600.

0065

0.00

700.

00

100.

00

150.

00

200.

00

250.

00

300.

00

350.

00

13.0

14.0

15.0

16.0

17.0

18.0

19.0

20.0

21.0

22.0

23.0

24.0

400.

0045

0.00

500.

0055

0.00

600.

0065

0.00

700.

00

tene

urs

en e

au (%

)

poin

ts d

e m

esur

es

essa

is d

e pe

rméa

bilit

é

B5s C

6s

B3

B4s

B1

C4s

C5s

C3

C2

C1

Figure V.47 : Carte des teneurs en eau


209

Alv

éole

3

Alv

éole

2

210


Figure V.48 : Carte des poids volumiques secs

210

400.

0045

0.00

500.

0055

0.00

600.

0065

0.00

700.

00

100.

00

150.

00

200.

00

250.

00

300.

00

350.

00

400.

0045

0.00

500.

0055

0.00

600.

0065

0.00

700.

00

100.

00

150.

00

200.

00

250.

00

300.

00

350.

00

Poid

s vo

lum

ique

sse

c (t/

m3)

poin

ts d

e m

esur

es

essa

is d

e pe

rméa

bilit

é

Alv

éole

3

Alv

éole

2

211

dens

ités

séch

es (t

/m3)

400.

0045

0.00

500.

0055

0.00

600.

0065

0.00

700.

00

100.

00

150.

00

200.

00

250.

00

300.

00

350.

00

Deg

rés

desa

tura

tions

(%)

poin

ts d

e m

esur

es

essa

is d

e pe

rméa

bilit

é

B5s

B6s

B2

B3

B4s

B1

C4s

C5s

C3

C2

C1

Figure V.49 : Carte des degrés de saturation


211

Alv

éole

3

Alv

éole

2


212

V.5.7. Observations et interprétation des cartes Les terrains les plus conducteurs apparaissent en bleu foncé sur la carte des résistivités et reflètent l’existence d’argiles de très bonne qualité et/ou de fortes teneurs en eau. A l'inverse, les zones les moins conductrices apparaissent en jaune et traduisent a priori un moins bon compactage ou des teneurs en eau plus faibles. Les résistivités électromagnétiques sont comprises entre 7 ohm.m et 14 ohm.m. Les talus qui présentent des faibles résistivités (ρ < 7 ohm.m) influencent fortement les zones en bordure. Les valeurs des zones en bordure de talus ne sont donc pas représentatives de la couche compactée. Sur l’ensemble des trois alvéoles, la résistivité augmente de l’est vers l’ouest. Une zone de faibles résistivité électriques (ρ < 9 ohm.m) apparaît à l’Est de l’alvéole C. Cette zone présente une augmentation des teneurs en eau jusqu’à 24% ainsi qu’une diminution des poids volumiques secs jusqu'à un minimum de 15.7 kN/m3. Les degrés de saturation correspondant sont supérieurs à 88%. Deux essais de perméabilité en forage ont été réalisés sur cette zone (C2 et C3) et ont donné une valeur de 5.10-10 m/s et 8.10-10 m/s respectivement. Une deuxième zone de faible résistivité apparaît à l’Ouest de l’alvéole C (ρ = 9.2 ohm.m en C5). Cette zone présente une augmentation des degrés de saturation. Un essai de perméabilité en surface a été réalisé à cet endroit (C5s) et a donné une valeur k = 7. 10-10 m/s. l’alvéole centrale B présente une résistivité maximale en B1 de 11.5 ohm.m pour une perméabilité en forage k = 2. 10-10 m/s et une résistivité minimale de 9.4 ohm.m en B3 pour une perméabilité k = 7. 10-10 m/s. Les deux zones précédentes (C2, C3 et B1) correspondent à des secteurs où des stagnations d’eau ont eu lieu après de fortes précipitations. En faisant abstraction de la zone Est de l’alvéole C, les teneurs en eau sur les alvéoles B et C sont comprises entre 13.6% et 16.5% soit –4.2% et –1.3% de l’optimum Proctor. Les poids volumiques secs sont compris entre 17.6 kN/m3 et 18.6 kN/m3 soit un degré de compactage de 100% à 106% de l’optimum Proctor. Les couples teneur en eau – poids volumiques secs mesurés au nucléo-densimètre et sur les prélèvements sont représentés sur la figure V.44 et comparés aux courbes Proctor.

V.5.8. Etude des résistivités La figure V.50 représente la variation de la résistivité électrique mesurée en laboratoire en fonction de la teneur en eau pour les échantillons compactés aux énergies Proctor normal et modifié. Les résultats indiquent que la résistivité est plus sensible à la teneur en eau quand celle-ci est inférieure à la teneur en eau de l’optimum, alors que pour une teneur en eau supérieure à l’optimum, la résistivité devient pratiquement indépendante de la teneur en eau. L’influence de l’énergie de compactage sur la résistivité électrique est aussi plus significative pour un compactage plus sec que l’optimum. Une forte énergie de compactage réduit la résistivité électrique. En revanche, quand le compactage se fait à une teneur en eau plus humide que l’optimum, la résistivité électrique n’est plus sensible à l’énergie de compactage. La variation de la résistivité électrique en fonction des conditions de compactage peut être expliquée par les changements de structure du matériau compacté. Quand le compactage a lieu à une teneur en eau inférieure à l’optimum ou avec une faible énergie, les mottes d’argile


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sont difficiles à modeler et les pores inter-mottes sont relativement grand [Garcia-Bengochea et al. (1979) ; Acar et Oliveri (1989) ; Benson et Daniel (1990)]. Beaucoup de ces pores sont remplis d’air (figure V.51.a.). Le contact entre particules est faible car la densité sèche est faible et la masse solide est contenue dans les différentes mottes. La conséquence de cet assemblage conduit à des pores et des surfaces très résistifs au courant électrique, ce qui entraîne une plus forte résistivité électrique.

Figure V.50 : évolution de la résistivité électrique mesurée en laboratoire sur des prélèvements et sur les éprouvettes issues du compactage Proctor en fonction de la teneur en eau

En revanche, quand l’argile est compactée à une teneur en eau supérieure à l’optimum ou bien avec une forte énergie de compactage, les mottes sont plus facilement modelées (Benson et Daniel 1990). Les pores inter-mottes résultants sont petits et proches de la saturation (figure V.51.b.). De plus, la plus forte densité sèche et le meilleur modelage des mottes qui apparaît à l’optimum (ou aux fortes énergies de compactage) conduisent à un meilleur contact inter-particules. Les pores quasiment saturés forment des ponts entre les particules (Sadek 1993), et la forte densité sèche améliore la conductance de surface. Ainsi, les faibles résistivités sont atteintes avec les fortes énergies de compactage ou avec des teneurs en eau supérieures à la teneur en eau optimale car la résistance électrique diminue dans les pores et le long des surfaces solides. (a) (b)

Figure V.51 : disposition des mottes d’argile a). aux faibles teneurs en eau ou avec une faible énergie de compactage b). aux fortes teneurs en eau ou avec une forte énergie de compactage

La figure V.52 représente les résistivités mesurées in situ à l’EM38 en fonction des teneurs en eau mesurées in situ au nucléo-densimètre à 30 cm de profondeur. Les points dont l’énergie

0

10

20

30

40

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

w (%)

lab

m

Proctor normalProctor modif iéprélèvements

teneur en eau ti l


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de compactage est proche de l’énergie du Proctor normal (points proches de la courbe Proctor normale) ont été différenciés des autres sur la figure. Ces points présentent une diminution de la résistivité en fonction de la teneur en eau.

Figure V.52 : Résistivités électriques mesurées à l’EM38 en fonction de la teneur en eau mesurée au nucléo-densimètre

La teneur en eau et la masse volumique sèche peuvent être combinées en un paramètre appelé le

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