Brevet FR2619209A1 — publié le 19890210

La présente invention est du domaine de la mise en évidence des déplacements des sols, notamment des retraits macroscopiques desdits sols. Elle vise particulièrement un capteur plus particulièrement adapté à mesurer les déplacements des sols, notamment les déplacements verticaux des sols argileux, permettant de montrer la relation existant entre le retrait-vertical desdits sols et les variations de leur teneur en eau. Au cours de la dynamique hydrique, la plupart des sols manifestent également une dynamique de leur organisation porale. Ce fait, rarement pris en considération en hydrodynamique cause de sa complexité, ne peut être négli, gé dans le cas de sols riches en argile, et notamment en smectites. Dans ces derniers, la dynamique hydrique est associée à une dynamique macroscopique de fissuration, due au mouvement du matériau pédologique solide. En fait, les sols argileux gonflants montrent une dynamique du solide indissociable de la dynamique hydrique, leur dessiccation produisant généralement un retrait, tandis que- leur réhumectation provoque un gonflement des matériaux constitutifs desdits sols.La composante horizontale de ce retrait/gonflement est à l'origine d'une dynamique de fissuration réversible, particulierement développée dans ces sols. I1 est a noter que la composante verticale du retrait/gonflement, parfois évoquée dans des modèles théoriques, est rarement mesurée dans les sols. Il serait donc intéressant de mesurer cette composante verticale du retrait/gonflement, de façon à évaluer les transferts d'eau dans les sols argileux gonflants. Dans les dispositifs de l'art antérieur, peu nombreux, susceptibles de capter les déplacements verticaux de la surface du sol, on peut citer celui mis au point par les chercheurs israëliens Yaalon et Kalmar, qui ont mis au point un dispositif très sensible mettant en oeuvre une amplification des déplacements verticaux au moyen d'un système à levier, cette amplification permettant d'enregistrer pratique ment et en continu par un dispositif du type stylet-tambour, lesdits déplacements verticaux de la surface du sol. Ces recherches, bien qu'évoquées, n'ont toutefois pas abordé la relation entre les déplacements inter-journaliers du sol et ses variations de teneur en eau. I1 est toutefois clair qu'un capteur de ce type est insuffisant pour aborder une telle relation.Par ailleurs, on connait également un dispositif de capteur enfoui dans le sol, mis au point par Selig-Reinig, du type comportant un disque destiné à être enfoui dans le sol, et au droit duquel est prévu un tube creux dépassant en surface et à l'intérieur duquel coulisse une tige qui est fichée à son extrémité inférieure à un niveau profond invariant du sol. Ce capteur permet de mesurer le gonflement-retrait global entre un niveau profond invariant et la profondeur d'insertion du disque. Un tel système présente un certain nombre d'inconvénients. En premier, le gonflement d'une couche donnée ne peut s'obtenir que par des différences de moyennes d'un gonflement global. Par ailleurs l'insertion du disque nécessite le creusement d'un trou de section importante qui doit être rebouché.En tout état de cause, malgré un rebouchage soigneux, la dynamique d'infiltration est fortement perturbée pendant un temps plus ou moins long. En outre, le diamètre important du disque fait que les capteurs risquent de répercuter les bornes du déplacement hétérogène, à savoir un minimum en dessication et un maximum en rehumectation (en valeur absolue). Par ailleurs la coupure des racines par l'insertion du disque peut perturber leur fonction puits sous le disque (dessiccation minimisée). Le premier inconvénient, cité ci-dessus du dispositif de Selig et Reinig, a été contourné par Hallaire qui a réalisé un capteur coaxial de double déplacement permettant la mesure directe du gonflement ou du retrait d'une couche.Les autres inconvénients, d'importance majeure, analysés ci-dessus et liés à l'importance des surfaces d'insertion ne sont toutefois pas éliminés par cette nouvelle forme de réalisation de capteur. En ce qui concerne plus particulièrement les sols argileux gonflants, les dispositifs utilisés habituellement pour le suivi des teneurs en eau in situ (humidimétrie neutronique ou capacitive) ou des potentiels (tensiomètre) montrent un décrochage précoce, par perte de contact au moindre retrait entre les sondes captantes et le solide environnant. Un objet de la présente invention est de fournir un capteur de retrait des sols, permettant de mesurer la composante verticale du retrait/gonflement, et qui soit de conception simple permettant d'accéder à l'évaluation des transferts d'eau dans les sols, notamment les sols argileux gonflants. Un autre objet de la présente invention est de réalise un un capteur de conception relativement simple et permettant une lecture rapide, permettant ainsi d'utiliser dans un système une pluralité de capteurs, afin de déterminer des valeurs moyennes fiables de gonflement ou retrait des différentes couches des sols. Encore un autre objet de la présente invention est de réaliser un capteur obviant aux inconvénients de l'art antérieur en ce qui concerne les mouvements intempestifs et nuisibles aux mesures des dispositifs de la technique antérieure. La présente invention a donc pour objet un capteur destiné à mettre en évidence les déplacements des sols, notamment les déplacements verticaux dus à la dessication et à la réhumectation des sols, ce capteur étant caractérisé en ce qu'il est constitué d'un élément de mesure coulissant à l'intérieur d'un manchon,iui-mème coulissant dans une gaine en veloppante. Dans une forme de réalisation préférée, le capteur selon l'invention est en outre remarquable par les points suivants - la zone d'extrémité inférieure de l'élément ou tige de mesure comporte un filetage externe; - le manchon enveloppant l'élément de mesure sur une certaine longueur de ce dernier comporte dans sa zone d'extrémité inférieure un filetage externe; - Le manchon présente une structure déflectrice périphérique au voisinage de sa zone d'extrémité supérieure; - L'élément de mesure présente dans sa zone d'extrémité supérieure une structure déflectrice périphérique; - La gaine présente dans sa zone d'extrémité inférieure une structure biseautée; - La tige présente avantageusement une section transversale carrée;; - La tige, le manchon et la gaine sont constitués en un matériau présentant les caractéristiques de résistance mécanique et aux agents extérieurs appropriés à l'usage. Ils peuvent par exemple être en matière plastique, avantageusement en polychlorure de vinyle. L'invention s'étend également au système mettant en oeuvre une pluralité de capteurs et permettant la mesure des déplacements relatifs de la tige par rapport au manchon par l'intermédiaire de moyens de mesure optiques ou opto-électroniques, les informations ainsi fournies étant exploitées par une unité de traitement coopérant avec des moyens électro-informatio,ues. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitative suivante d'une forme de réalisation de capteurs de déplacement de sol, en référence aux dessins dans lesquels - Figure 1 èst une vue en coupe verticale axiale d'un capteur de déplacement de sol selon l'invention, et - Figure 2 est une vue en perspective d'un certain nombre de capteurs de déplacement de sol de la Figure 1. Si l'on se reporte plus particulièrement à la Figure 1, on voit que le capteur de déplacement de sol de l'invention est constitué d'un élément de mesure, par exemple une tige en polychlorure de vinyle 1 dont la zone d'extrémité inférieure la présente un filetage extérieur lb. Cette tige présente à son extrémité supérieure un déflecteur 5. Sur une certaine longueur de l'élément de mesure 1 est monté coulissant un manchon 2, par exemple un tube en polychlorure de vinyle1 présen tant dans sa zone d'extrémité inférieure biseautée 2a un filetage externe 2b. Ce manchon 2 est entouré par une gaine externe coaxiale3 dont l'extrémité inférieure 3c est biseautée.La tige 1 dont l'extrémité filetée la, lb est insérée dans le sol à la base de la couche que l'on veut contrôler et implantée verticalement dans un trou fait avec une tarière du diamètre externe du filetage la, lb, atteignant la profondeur de placement définitif diminuée de la demi-longueur de la zone a de tige filetée. Le manchon 2 a la forme d'un tube en polychlorure de vinyle dont l'extrémité filetée 2a est insérée dans le sol au sommet de la couche considérée, dans le trou initial dont le diamètre est agrandi au diamètre externe du tube fileté 2a, 2b, jusqu'à la profondeur du sommet de la couche diminuée de la demi-longueur de la zone filetée 2a. La gaine tubulaire externe 3 est destinée à éviter les mouvements parasites, liés à un éventuel enserrement du capteur sur sa longueur par le sol. En utilisation, on laisse dépasser de la surface du sol chacune des trois parties dans l'ordre suivant: tige 1premier manchon ou tube 2 - second manchon ou gaine 3. L'extrémité supérieure de la tige 1 et du tube 2 sont munies d'index, non représentés aux dessins, de sorte que la variation de distance entre les deux index répercute exactement la variation d'épaisseur de la couche de sol dont on veut mesurer le gonflement ou retrait vertical. L'ensemble de capteurs comporte un certain nombre de déflecteurs de pluie, deux sur les dessins, destinés à éviter une infiltration préférentielle de l'eau sur la longueur du capteur. La mesure de la distance entre l'index est actuellement réalisée au pied à coulisse, mais on peut imaginer tout moyen optique ou opto-électronique susceptible d'effectuer cette mesure à distance. A titre indicatif, dans vertisols, - sols argileux gonflants particulièrement riches en.ergiles-, de Guadeloupe, l'amplitude globale inter-saisonnière des mouvements verticaux est égale à 10 % de l'épaisseur d'une couche prise en tre 20 et 100 cm de profondeur; soit 20 mm pour une couche de 20 cm d'épaisseur. Avec une incertitude de plus/moins 0,5 mm on obtient une estimation du stock d'eau utile avec 5 mm d'incertitude absolue, cette valeur étant tout-a-fait correcte. Si l'on prend un capteur à 0,1 mm de sensibilité, on aura une erreur liée à la mesure du déplacement tout-à-fait négligeable devant l'incertitude d'échantillonnage dans ces sols hétérogènes, cette erreur étant liée aux dilatations différentielles des colonnes émergeantes. Les inventeurs se sont également proposés, pour un sol gonflant donné, d'établir une modélisation reliant son mouvement macroscopique vertical à ces variations de teneur en eau. Le matériau provient d'un vertisol sous savane naturelle, formé d'anciens sédiments littoraux de Guadeloupe. La profondeur du sol varie entre 1,5 et plus de 3 mètres selon le relief du calcaire madréporique sous-jacent. Du point de vue granulométrique, le matériau est homogène sur l'ensemble du profil de sol; il est constitué de 81 % d'argiles cal- ciques, dont environ 75 % sont des smectites. Du fait de l'extrême hétérogénéité hydrique du ma tériau étudié, les processus de retrait ou de gonflement ne peuvent être supposés homogènes spatialement dans une couche de sol. On considère donc ici qu'une couche de sol peut être modélisée par un ensemble de cubes homogènes de même volume mais différents les uns des autres par le contenu. Parmi cers cubes, on distingue ceux qui sont remplis exclusivement d'air et ceux composés de deux phases : solide et liquide. Les premiers représentent les volumes fissuraux tandis que les seconds correspondent au matériau continu inter-fissural. Lors d'une dessication (ou d'une humectation), chaque cube subit un retrait (du un gonflement) spécifique. On pose quatre hypothèses. (a) le retrait ou le gonflement de chaque cube à deux phases est tridimensionnel et isotrope. Notons que lors du gonflement, quand toutes les fissures sont refermées, le mouvement d'expansion ne peut qu'être unidimensionnel; cette phase de gonflement n'apparait cependant pas in situ. (b) Le retrait ou le gonflement est normal, c'est-àdire qu'une réduction (ou une augmentation) de volume du cube équivaut au départ (ou à l'entrée) d'un même volume d'eau. (c) La fissuration est strictement verticale. Cela signifie que l'affaissement du sol-n'est pas affecté par une création de porosité horizontale. (d) La masse volumique de l'eau est prise égale à l'unité. On envisage dans la suite le retrait d'une couche de sol entre les temps t et t+dt. L'épaisseur de la couche est z à t, puis devient z - bz à t + dt, avec bz la moyenne arithmétique des retraits verticaux dzi des cubes à deux phases. D'après l'hypothèse (a), le retrait d'un cube à deux phases produit un cube à deux phases d'arête inférieure. Si n est le nombre de cubes à deux phases,zi(t+dt) est la dimension de l'arête d'un cube i à l'instant t +.dt et Ms est la masse de solide de l'ensemble des cubes, on a par définition oh yW(t+dt) est le volume d'eau de la couche par unité de masse de solide à l'instant t+dt et Ys est le volume massique de solide, invariant dans le temps. De la même manière, on peut écrire l'égalité suivante d'où Si on remplace zi(t+dt) par zi(t)-dzi, on obtient puis par l'approximation suivante, numériquement justifiée la relation (1) prend la forme finale exprimée ci-dessus On note que ww à la fin du retrait peut être esti mé à partir de z (t), de l'épaisseur de la couche à t et du retrait vertical moyen #z sur l'intervalle de temps dt. D'après l'hypothèse (d)Xjw et la teneur pondérale en eau W prennent la même valeur; la relation (2) permet donc l'estimation de la teneur en eau finale d'une couche de sol à partir de la connaissance du retrait vertical et de son état initial. Dans la suite est proposée une vérification expérimentale de la relation ci-dessus. Sur une parcelle de 400 m2 ont été implantés, sui vant une grille de maille carrée de 3,5 m, 36 capteurs de mesure du retrait vertical ponctuel aux six profondeurs suivantes: 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2 m. Par ailleurs, simultanément aux relevés des capteurs ont été effectués des sondages à la tarière de 0,1 en 0,1 m jusqu'à la profondeur de 1;2 m suivant une grille identique à celle des sites de mesure du retrait vertical, mais translatée de 1 m. On établit ainsi d'une part un profil moyen des mouvements verticaux du sol, et d'autre part un profil hydrique moyen . On remarquera que ces profils sont obtenus à partir d'un échantillonnage discret sur le site et qu'ils ne constituent donc que des estimateurs statistiques des profils moyens. Le nombre de sondages à la tarière a été choisi de telle sorte que l'écart-type d'erreur sur les profils hydriques mesurés soit inférieur à 0,01 kg/kg. Ce dispositif expérimental approche donc les différentes variables de la relation (2); la valeur de jsr égale à 0,368 cm3/g a été mesurée par la méthode du pycnomètre à l'eau. En fait le capteur de déplacement de sol selon la présente invention apporte deux types principaux d'amélioration: d'une part la finesse du diamètre des zones filetées la, 2a et le volume de sol transmettant son mouvement vertical est très petit par rapport au pas d'hétérogénéité du champ des déplacements (caractère ponctuel des capteurs, alors que les capteurs utilisés dans l'art antérieur, tels que ceux spécifiés ci-dessus, comportaient tous des biais notoires par un excès de surface de la zone captante, ce qui se traduisait par un mouvement du capteur fonction de la zone de moindre retrait en dessication ou fonction de la zone de plus fort gonflement en humectation, et d'autre part en ce qui concerne la résolution du probleme d'hétérogénéité, la commodité d'implantation du système, ainsi que la rapidité des mesures permettent d'utiliser un grand nombre de capteurs, comme cela a été spécifié dans l'expérience ci-dessus. Le capteur de déplacement de sol selon la présente invention présente un certain nombre d'applications, notamment en ce qui concerne toutes les études de déplacement de solides in situ, associées au transfert d'eau dans les sols et les matériaux argileux tempérés ou tropicaux (phases d'isotropie et d'anisotropie , relation entre la fissuration et l'affaissement, bilan de porosité) ce capteur est notamment utilisable en physique du sol et pour les travaux du génie civil. Le capteur peut être également utilisé en humidimétrie, pour l'établissement de profils d'enracinement actif en absorption d'eau, ainsi que pour l'aide à la décision du déclenchement d'irrigation en fonction des transferts générateurs de mouvement dans les sols; notamment -les sols argileux. REVENDICATIONS 1. Capteur destiné à mettre en évidence les déplacements des sols, notamment les déplacements verticaux dus à la dessiccation et à la réhumectation des sols, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un instrument de mesure (1) coulissant dans un manchon (2) qui coulisse lui-même dans une gaine enveloppante (3). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone dtextrêmité inférieure (la) de l'élément ou tige de mesure (1) comporte un filetage externe (lb). 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone d'extrémité inférieure (2a) du manchon (2) comporte un filetage externe (2a). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 e' 3, caractérisé en ce que le manchon (2) présente une structure déflectrice périphérique (4) au voisinage de sa zone d'extrémité supérieure. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la tige de mesure (1) présente -au voisinage de sa zone d'extrémité supérieure une structure déflectrice périphérique (5). 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la tige (l).le manchon (2) et la gaine (3) presentent une zone d'extrémité inférieure biseautée (lc, 2c, 3c). 7. Capteur selon les revendications 1, -2, 5, 6, carac térise en ce que la tige présente une section transversale carrée. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tige, le manchon et la gaine sont constitués en des matériaux présentant les caractéristiques de résistance mécanique et aux agents extérieurs, appropriées à l'usage, par exemple en matière plastique, avantageusement en polychlorure de vinyle. 9. Système de captage incorporant une pluralité de capteursselon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et coopérant avec des moyens de mesure optiques ou opto-électroniques, éventuellement associés à une unité de traitement coopérant avec des moyens électro-informatiques.