Brevet FR2670895A1 — publié le 19920626

La présente invention concerne un nouveau procédé pour la mesure de la perméabilité à l'eau des milieux poreux non-saturés, et un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Du fait des actions de capillarité et d'adsorption intervenant entre la phase liquide et la phase solide dans les milieux poreux non saturés en eau, la pression de l'eau p y est inférieure à la pression atmosphérique a . Si on prend a = o conventionnellement, il en résulte que la pression de l'eau dans ces milieux est négative. On peut l'appeler pression capillaire, ou encore succion s = p - p . La succion est une grandeur physique délicate à mesurer et à contrôler sur toute sa gamme de variation (de O à plusieurs dizaine de pa).C'est la raison pour laquelle les mesures de perméabilité au sens de la loi de Darcy généralisée aux milieux poreux non saturés sont délicates et peu répandues.Certaines sont basées sur le suivi des débits et des succions (mesurées par tensiomètrie ou psychrométrie) en phases transitoires d'infiltration ou de drainage, d'autres sur le suivi des débits, en régime transitoire ou permanent, avec imposition d'incréments ou de gradients de succion. Dans ce cas, les succions sont imposées par la technique dite de translation d'axes, consistant à imposer la succion s = p - au moyen d'une contrepression d'air p > o, avec o 5 p Ainsi, la méthode dite de Gardner (1956) consiste à imposer, à l'instant t = O, un incrément de succion donné, et à suivre dans le temps les échanges d'eau entre le milieu poreux et l'extérieur, Jusqu'à l'équilibre. Ces transferts sont gouvernés par l'équation de Richards où e est la teneur en eau volumique, K (e) la perméabilité en non saturé, D (e) = K (o) aH est la diffusivité, avec H le potentiel ae hydrique, et z la côte suivant un axe vertical vers le haut. On a entre H et s la relation : s = T H où t est le poids volumique de l'eau. Cette équation , moyennant quelques hypothèses simplificatrices, se transforme en une équation de diffusion classique (équation de la chaleur) La comparaison de l'évolution mesurée des débits ou des teneurs en eau en fonction du temps avec la solution exacte ou approchée de l'équation (2) permet la détermination du coefficient de perméabilité K(e).Des améliorations à cette méthode, tenant compte de conditions aux limites plus complexes (effet de la perméabilité des membranes ou pierres poreuses) ont été proposées par Klute (1952) et Kurize et Don Kirkham (1962) Une autre méthode de contrôle de la succion, dite "méthode osmotique", peu répandue et provenant des recherches médicale, biologique et agronomique, consiste à mettre le milieu poreux non saturé au contact d'une membrane semi-perméable, derrière laquelle circule une solution aqueuse de grosses molécules incapables de traverser la membrane, alors que l'eau le peut. Les molécules d'eau du milieu poreux peuvent ainsi être soumises à travers la membrane semi-perméable à une action d'attraction vers la solution due aux phénomènes d'osmose, et qui correspondent au développement d'une pression négative au sein du milieu poreux, d'autant plus importante que la concentration de la solution est grande. Une telle méthode permet d'atteindre des succions de 1500 kPa. L'avantage d'une telle technique par rapport à celle de surpression d'air est la légèreté : une forte succion est simplement obtenue avec une forte concentration dans le cas de la technique osmotique, alors qu'elle exige dans l'autre cas des cellules métalliques lourdes et couteuses, nécessaires afin de pouvoir contenir en toute sécurité les pressions d'air souhaitées. Le procédé de mesure de la perméabilité à l'eau des milieux poreux non saturés selon l'invention est basé sur l'application conJointe de la méthode osmotique de contrôle de la succion à l'aide de membranes semi-perméables et du solution de grosses molécules ne pouvant traverser la membrane , et de la méthode de Gardner de mesure de perméabilité à l'eau des milieux non saturés, appliquée Jusqu'à présent sur les systèmes de contrôle de succion par surpression d'air. Il consiste à appliquer, à un instant t = O, un incrément de succion obtenu en changeant la concentration de la solution, et à suivre au cours du temps l'évolution du volume de la solution, qui correspond au volume d'eau échangé entre l'échantillon et l'extérieur. Le calcul de perméabilité est déduit de ces données, par la méthode de Garder. Un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention consiste, selon une première caractéristique, à contenir la solution osmotique dans un circuit fermé comprenant entre autres le système dit "osmotique de mise à succion", où est réalisé le contact entre l'échantillon de milieu poreux non saturé et la membrane semi-perméable, afin de permettre les échanges d'eau au travers de la membrane entre l'échantillon et la solution ; en plus de ce système osmotique de mise à succion, le circuit fermé comprend un réservoir tampon contenant un volume suffisant de solution pour permettre de maintenir la constance de sa concentration malgré les échanges d'eau entre la solution et l'échantillon au niveau de la membrane semi-perméable au sein du système osmotique de mise à succion ; le circuit fermé comprend également un système de connexion assurant un branchement en série entre le réservoir tampon et le système osmotique de mise à succion, et une pompe destinée à permettre une mise en circulation lente de la solution, afin de maintenir constante sa concentration au niveau de la membrane semi-perméable où ont lieu les échanges entre le milieu poreux et la solution. Ainsi, la circulation lente de solution dans le circuit fermé permet de maintenir une condition de succion contrôlée à l'éprouvette contenue dans le système osmotique de mise à succion. Selon lot une seconde caractéristique, le volume total de la solution contenue dans le circuit fermé est mesuré en permanence, sachant que les variations de ce volume correspondent exactement aux échanges d'eau entre l'éprouvette et la solution.Selon une troisième caractéristique, le réservoir est placé dans une enceinte thermostatée de précision, afin de se prémunir des variations volumiques parasites dues aux variations de température Selon un mode particulier de réalisation, la mesure des variations volumiques de la solution peut être réalisée à l'aide d'un tube capillaire gradué connecté au réservoir tampon, par le suivi du niveau du menisque de solution. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente, en coupe, le mode particulier de réalisation du dispositif selon l'invention, appliqué à un système osmotique de mise en succion développé pour les sols par Kassif et Benshalom (1974). La figure 2 représente une courbe typique de suivi des variations d'échanges d'eau entre l'échantillon et la solution, en fonction du logarithme du temps, permettant le calcul de la perméabilité K(e). Q(t) est le volume d'eau extrait à l'instant t, mesuré au moyen du dispositif selon l'invention. La figure 3 représente les variations de log (Q(O) - Q(t)) en fonction du temps, qui permet également le calcul de K(e). En référence à ces dessins, et dans le mode de réalisation du dispositif selon l'invention illustré à la figure 1, le réservoir tampon contenant la solution et destiné à maintenir sa concentration constante en dépit des échanges au travers de la membrane semi-perméable entre l'eau du milieu poreux et celle de la solution est constitué d'un flacon (10), obstrué par un bouchon (11) de telle sorte qu'aucune bulle d'air ne soit piégée. Deux conduits reliant le réservoir de solution au circuit fermé (12) intégrant le système osmotique de contrôle de succion développé par Kassif et Benshalom (1974) et appelé oedomêtre à succion contrôlée traversent le bouchon en maintenant l'étanchéité : (13) pour la sortie et (14) pour le retour.Une pompe à débit variable (15) engendre la circulation de la solution dans le circuit, afin de permettre la constance de la concentration à proximité de la zone d'échange d'eau au travers de la membrane semi-perméable (5) de l'embase (6). Dans le système (1) de Kassif et Benshalom, la membrane semi-perméable (5) est collée sur l'embase (6), et un tails (7) inséré entre la membrane semi-perméable (5) et l'embase (6 permet la circulation de la solution entreAl'em'Dase t6) et la membrane (7), depuis l'orifice d'accès (8) Jusqu'à l'orifice de sortie (9).Vu le faible taux d'échanges d'eau entre la solution et l'échantillon poreux; le débit de 3 la pompe peut être faible (3cm3/mn). Le contrôle de l'évolution des échanges d'eau au cours du temps est réalisé par le suivi du volume de la solution comprise dans le circuit fermé (12) animé par la pompe (15) et dans le flacon (10). Dans le mode de réalisation de la figure 1, la méthode choisie pour la mesure des variations de volume consiste à mettre en place un tube capillaire gradué (16) au travers du bouchon (11) en maintenant l'étanchéité, et à suivre visuellement les variations du niveau de la solution dans le capillaire.Vu la grande diversité des méthodes de mesures de variations volumiques de fluide, de nombreuses variantes non illustrées peuvent être adoptées, reposant par exemple sur un suivi automatique du niveau du fluide dans le capillaire par mesure de pression, ou encore sur un asservissement à pression nulle de la solution, ou sur d'autres méthodes couramment utilisées dans le domaine de la Céotechnique, de la Physique, ou d'autres domaines. Dans le mode de réalisation de la figure 1, un système de thermostatisation (17) permet de se prémunir des effets volumiques perturbateurs pouvant être engendrés par les variations de température. La méthode d'application de l'incrément de succion consiste donc avec le mode de réalisation du dispositif illustré en figure 1, à changer la concentration de la solution en changeant de flacon afin de connecter le circuit fermé au flacon de la concentration conrespondant à l'incrément de succion souhaité. Pour cela, l'ensemble bouchon + tube est enlevé du premier flacon, et connecté au second flacon. Pour une bonne détermination du temps t = O, il est également nScessaire de remplacer l'ancienne solution contenue entre le tube (13) de flacon (14) et l'accès (18) à l'oedomètre osmotique, par de la nouvelle solution dont la concentration correspond à l'incrément de succion voulu.Dès lors, la mise en marche de la pompe (15) entraine rapidement le contact de la nouvelle solution avec la membrane qui se traduit immédiatement par une variation perceptible du niveau dans le capillaire (16), permettant une bonne estimation du temps t = 0. La figure 2 représente le type de courbes de variations d'échanges d'eau en fonction du logarithme du temps obtenue, sous une charge constante verticale de 50 kPa appliquée à l'aide du piston (4) de la figure 1, quand on applique à t = O un incrément de succion de 100 à 200 kPa sur un limon de Jossigny. Cette courbe a bien, pour les temps initiaux où les hypothèses de calcul de la perméabilité selon les méthodes de type Gardner sont valables, l'allure d'une courbe de type diffusion, analogue par exemple à celle donnant la solution moyenne de l'équation de la consolidation de Terzaghi, identique à l'équation (2). Si l'on considère maintenant une représentation donnant les variations de log (Q(o) - Q(t), où Q (t) est la quantité d'eau mesurée à l'instant t, en fonction du temps (figure 3), on observe bien, conformément à la résolution approchée de Gardner qui consiste à ne considérer que le premier terme de la série de Fourier solution de l'équation (2), une variation linéaire . Ces deux approches donnent une -I1 valeur K(e) = 1,30x10 ilm/s, pour un degré de saturation de 96,5 %. REFERENCES Gardner W.R. 1956. Calculation of capillary conductivity from pressure plate outflow data. Soil Science Society of America Proceedings, Vol. 20, pp. 317-320. Klutte A. 1952 . A numerical method for solving the flow equation for water in unsaturated materials. Soil Science, ne67, pp. 27-40. Kunze R.J. & Don Kirkham 1962. Simplified accounting for membrane impedance in capillary conductivity determinations. Soil Science Society of America Proceedings, Vol. 26, pp. 421-426. Kassif G. & Ben Shalom A. 1971. Experimental relationship between swell pressure and suction. Géotechnique, Vol. 21, n"3, pp.245- 255. Revendications 1) Procédé de mesure de la perméabilité à l'eau des milieux poreux non saturés consistant à contrôler la succion de l'échantillon de milieu poreux non saturé par la méthode osmotique en le mettant au contact d'une membrane semi-perméable derrière laquelle circule une solution aqueuse de grosses molécules, à appliquer un incrément de succion en changeant la concentration de la solution, et à suivre au cours du temps l'évolution du volume de la solution, qui correspond au volume d'eau échangé au travers de la membrane entre l'échantillon et la solution. Le calcul de la perméabilité est déduit de ces données par la méthode de Gardner. 2) Dispositif mis en oeuvre selon le procédé de la revendication 1 caractérisé en ce que la solution est contenue dans un circuit fermé 12) qui comprend un système de connexion permettant le branchement en série du système osmotique de mise à succion (1) où est réalisé le contact entre l'échantillon de milieu poreux non saturé et la membrane semi-perméable (5), d'un réservoir tampon (10) de solution destiné à maintenir constante la concentration malgré les échanges d'eau au travers de la membrane entre la solution et l'échantillon, et d'une pompe (15) destinée à la mise en circulation lente de la solution afin de maintenir sa concentration constante au niveau de la membrane, malgré les échanges d'eau. Le dispositif est également caractérisé en ce qu'il comporte un système de mesure (16) du volume total de la solution, et en ce que le réservoir tampon est placé dans une enceinte thermostatée de précision (17), afin de se prémunir des effets parasites dus aux variations de température. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que la mesure des variations volumiques est réalisée à l'aide d'un tube capillaire (16) gradué connecté au réservoir tampon, par le suivi du niveau du ménisque de solution.