BNGR-HASS
MODELISATION NUMERIQUE DES PROCESSSUS GOUVERNANT LA FORMATION ET LA DEGRADATION DES MASSIFS VASEUX
Etude de la sédimentation et de la consolidation des sédiments cohésifs
Caractérisation des sédiments cohésifs Une grande variété de sédiments est présente dans la nature. Les sédiments peuvent être classés en fonction de leur taille, de leur origine (marine ou fluviale) ou de leurs propriétés physico-chimiques (cohésion notamment). La phase minérale des sédiments cohésifs est constituée principalement de minéraux argileux que l’on peut regrouper en familles : la kaolinite, l’illite, la smectite et la chlorite.
Ces dernières ont des propriétés physicochimiques spécifiques qui sont liées à leur organisation structurelle en feuillets. Globalement, plus les particules sont fines, plus elles sont cohésives et plus leur surface spécifique est importante (Tableau I-1).
Dans cette thèse, nous utiliserons le terme « vase » pour désigner un type particulier de sol formé par sédimentation de particules fines. Sa composition comprend des limons, des argiles et de la matière organique. Argile Taille (µm . µm) Surface spécifique (m2 /g) Kaolinite 1 x 0,1 10 – 20 Illite 0,01 x 0,3 90 – 130 Smectite 0,001 x 0,1 750 – 800 Chlorite 0,01 x 0,3 92 – 97 Tableau I-1 : Propriétés géométriques et surfaces spécifiques des principales familles d’argiles (d’après Buffle, 1988)
Etude expérimentale de la sédimentation et de la consolidation
Protocole expérimental
La réalisation d’essai de tassement en colonne (Been et Sills, 1981, Alexis et al, 1992, Gallois, 1995, Masutti, 2001, Alexis et al, 2004) consiste à introduire dans un tube transparent un mélange homogène constitué de particules solides et d’eau. La hauteur et la concentration initiales du mélange sont notées respectivement H0 et C0. En fonction du dispositif expérimental utilisé, les résultats portent sur : – l’évolution de la hauteur (ou de la concentration moyenne) du dépôt, – les profils de densité (qui permettent d’en déduire les profils de concentration ou d’indice des vides), – les profils de pression interstitielle.
La gammadensimétrie et la densimétrie par rayons X (Been et Sills, 1981) sont les méthodes les plus couramment utilisées pour déterminer les profils de densité. Elles sont basées sur la mesure de l’atténuation de rayons incidents lorsqu’ils traversent le mélange eau/particules solides et sur une calibration adaptée. Elles sont non destructives. Notons que d’autres méthodes ont été testées ou sont en cours de développement (IRM (Pham Van Bang et al, 2006), ultrasons, propriétés électriques par exemple).
L’utilisation de colonnes instrumentées est assez délicate car de nombreux problèmes expérimentaux doivent être résolus. Pour obtenir la densité du mélange à tous les niveaux de la colonne, un « balayage » d’une extrémité à l’autre de celle-ci est nécessaire. Si les mesures ne sont pas assez rapides, un décalage temporel peut se produire, c’est pourquoi des corrections sont parfois nécessaires (surtout quand les variations de concentration sont rapides, au début de l’essai notamment).
Les mesures de pressions sont également assez délicates à réaliser car les pressions en jeu sont faibles (les colonnes ne mesurent rarement plus de deux mètres). Notons également que les effets de bord (au niveau de l’interface eau surnageante/mélange et au niveau du fond) faussent souvent l’estimation de la densité, c’est pourquoi il est indispensable de contrôler en permanence la conservation de la masse.
Aspect macroscopique du processus de sédimentation/consolidation Migniot (1968) sur la base de nombreux essais de tassement a défini les phases de tassement suivantes (Figure I-1Erreur ! Source du renvoi introuvable.) : – la floculation, – la chute entravée des flocs, – la première phase de tassement : l’écrasement des flocs, – la seconde phase dans laquelle l’eau interstitielle est évacuée (apparition de puits de drainage préférentiels) et – la troisième phase de tassement, très lente, qui correspond à un réarrangement de la structure du dépôt et à la perte d’eau due à la compression.
Figure I-1 : Phases de tassement de la vase (d’après Migniot, 1968) Les courbes de tassement obtenues par Migniot (Figure I-1) correspondent à l’évolution de la concentration moyenne du dépôt. Elles sont obtenues en traçant l’évolution inverse de l’interface délimitant l’eau surnageante et le mélange (Figure I-2). L’évolution temporelle de la concentration moyenne du dépôt Cm(t) est l’inverse de l’évolution de la hauteur du dépôt h(t) car la conservation de la masse entre l’instant initial et un instant quelconque t1 s’écrit : Eq. I-1 ( ) ( )1 2 0 1 2 0 H r C h t r C t π = π m où r est le rayon interne de la colonne.
Interprétation des courbes de tassement
Sur la Figure I-2, on peut distinguer trois phases de tassement : Chapitre I : Etat de l’art 17 – pendant les trois premières minutes, l’interface ne bouge pas car, à tous les niveaux de la colonne, les particules floculent. – entre t = 3 min et t = 30 min, une interface nette est présente entre le mélange et l’eau surnageante. Cette interface descend à vitesse constante, vitesse que l’on considère identique à celle des flocs situés dans la partie supérieure du mélange. Par accumulation, un dépôt plus concentré se forme au fond de la colonne.
La concentration y est telle que les flocs se « gênent » dans leur chute, on parle de chute entravée. Différents mécanismes sont à l’origine de la diminution de la vitesse de chute des flocs à mesure que ceux-ci s’accumulent sur le fond (Winterwerp et Van Kesteren, 2004). A l’échelle de la suspension, la chute des flocs génère un écoulement dirigé vers le haut qui ralentit les flocs du dessus ; de plus la présence de flocs dans le fluide a pour effet de modifier la viscosité effective de la suspension. A l’échelle du flocs, on observe des interactions (attraction ou répulsion) et des collisions avec les autres flocs, des gradients de vitesse autour des flocs, la formation de sillages, …
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