OBSERVATION ET MODÉLISATION D’OUVRAGES EN TERRE SOUMIS À DES PROCESSUS DE SÉCHAGE ET D’HUMIDIFICATION

OBSERVATION ET MODÉLISATION D’OUVRAGES EN TERRE SOUMIS À DES PROCESSUS DE SÉCHAGE ET D’HUMIDIFICATION

L’eau et l’air dans les sols non saturés 

La présence de l’eau a un effet considérable sur le comportement mécanique des sols non saturés. Sa présence avec l’air dans les pores prend des formes variées : • l’eau domine et l’air ne peut se déplacer librement : c’est le cas d’un sol presque saturé. L’eau constitue une phase continue et se déplace sous l’influence de la pesanteur. Par contre, l’air est discontinu ; • l’air occupe l’essentiel des pores et l’eau est bloquée : c’est le cas des sols non saturés avec un faible degré de saturation.

L’eau mouille la surface des particules en les entourant, elle ne se déplace que lentement. L’air constitue une phase continue, mais sans aucun déplacement ; • l’eau et l’air peuvent se déplacer librement : les deux phases sont continues. Il s’établit un profil d’équilibre de la pression de l’air et de la teneur en eau. Dans les sols fins, et plus particulièrement dans les sols argileux, qui se composent d’une superposition de couches de silicates (feuillets, figure 1.1.a) ou des plaquettes de minéraux (figure 1.1.b), l’eau prend plusieurs formes. La figure 1.2 montre les diverses formes de l’eau présentes dans ces sols. a. Feuillets b. Plaquettes Figure 1.1. Composition d’un sol argileux

L’eau dans le sol

Eau de constitution Eau interstitielle OH- ou H+ dans le feuillet H2O dans le feuillet H2O entre les plaquettes Eau adsorbée Vapeur Glace Eau capillaire Eau libre (eau gravitaire) Figure 1.2. L’eau dans les sols L’eau de constitution influence peu le comportement du sol, sauf lorsqu’il est soumis à une température élevée. L’eau interstitielle (libre ou gravitaire) est l’eau présente dans les pores du sol. Son état et ses interactions avec les autres phases interviennent clairement dans le comportement du sol. L’eau adsorbée se trouve sur la surface des particules fines du sol sous forme d’eau capillaire. L’eau libre ou gravifique obéit à la loi de Darcy. Elle se manifeste dans les sols non saturés par la pression hydraulique exercée sur le squelette solide.

Le déplacement de l’eau dans les pores du sol peut aussi entraîner certaines particules fines. Enfin, l’eau peut dissoudre certains sels et modifier la composition chimique des minéraux. L’eau capillaire est associée à la pression capillaire ou succion. On admet que les pores jouent un rôle semblable aux tubes capillaires (Figure 1.3). Les tensions superficielles dues aux ménisques trouvent une réaction sur les particules solides.

Ces réactions engendrent des contraintes supplémentaires dans le squelette du sol. Elles modifient le champ de déformations et le comportement mécanique en général. La loi de Jurin-Laplace permet de relier le potentiel capillaire existant au niveau de l’interface air-eau des pores au rayon d’un pore équivalent. Son expression mathématique est : *r 2T cos α u u s a w * − = , (1.1) où ua désigne la pression d’air ; uw la pression d’eau ;

Ts la tension superficielle de l’eau (kN/m) ; α* l’angle de raccordement du ménisque et r* le rayon du tube capillaire. 15 α* Rs Rs α* air eau ρw A B eau Tube en verre α* ménisque 2r* Ts Ts hc 0 – + + – Pression de l’eau Pression négative de l’eau Pression atmosphérique (ua = 0) uw = -ρw g hc Rs = r*/cosα r* = rayon du tube Figure 1.3. Remontée de l’eau dans un capillaire 1.1. Succion dans les sols 

La succion est une mesure de l’attraction entre le sol et l’eau. Lors d’un symposium consacré aux équilibres et changements d’humidité dans les sols sous les zones couvertes (Delage et Cui, 2000), la succion a été définie comme une énergie potentielle comparable à la charge hydraulique dans les sols saturés. Pour amener, à altitude constante, de l’eau libre de l’infini jusqu’au sol non saturé, il faut fournir une énergie pour résister à l’attraction exercée.

Ce potentiel « est égal à la quantité de travail par unité de volume d’eau pure nécessaire pour transporter de façon réversible, isotherme, à altitude constante et à la pression atmosphérique, une quantité infinitésimale d’eau depuis un état d’eau pur loin du sol, à celui d’eau interstitielle dans le sol non saturé ». En général, plus le sol est sec, plus la succion est grande. Pour des raisons pratiques, on distingue deux composantes dans la succion : la succion matricielle sm et la succion osmotique π s . La somme des deux est appelée la succion totale s : π s s s = m + . (1.2) 

Succion totale La succion peut être exprimée en fonction de la pression partielle de la vapeur d’eau. La relation thermodynamique correspondante est donnée par la loi de Kelvin : r v lnh gω RT s = , (1.3) où s désigne la succion totale, hr désigne l’humidité relative, R désigne la constante des gaz parfaits (R = 8,3143 J mol-1 K-1), g désigne l’accélération due à la pesanteur (g = 9,81 m 2 s − ), ωv désigne la masse molaire de l’eau (ωv = 18,016 g. 1 mol− ) et T désigne la température absolue (degrés Kelvin, K).

La succion représente l’énergie libre dans un sol non saturé sans contrainte extérieure lorsque l’humidité relative de l’air est inférieure à 100%. Si l’humidité relative de l’air atteint 100%, la succion s’annule (Figure 1.4). En pratique, pour une grande catégorie de sols fins, la succion maximale atteinte à 20 °C de température ne dépasse pas 1 GPa.