Brevet FR2754060A1 — publié le 19980403

"Système et procédé de mesure in situ de la conductivité hydraulique des sols peu perméables DESCRIPTION La présente invention concerne un système de mesure in situ de la conductivité hydraulique des sols peu perméables, dénommé pressio-infiltromètre. Elle vise également un procédé mis en oeuvre avec ce système. La préservation des ressources en eau est devenue une préoccupation majeure et est désormais prise en compte dans tout projet d'aménagement. En particulier, la protection des nappes phréatiques contre tout risque de pollution induite par des activités de surface suppose de garantir que les sols concernés présentent une perméabilité hydraulique suffisamment faible pour considérer comme négligeable l'impact d'infiltrations éventuelles d'effluents polluants sur l'intégrité de ces nappes. Ce point est particulièrement sensible dans le cas de sites de décharge d'ordures ou pour des sites d'élevages générateurs de lisiers. Il s'agit ici de pouvoir mesurer des coefficients de perméabilité de sol compris entre 1.10-7 m/s et 1.10-10 m/s, typiquement de l'ordre de 1.10'9 m/s. I1 existe déjà des méthodes de mesure in situ de la conductivité hydraulique d'un sol, notamment la méthode du double anneau dite de Munz. Cette méthode met en oeuvre deux anneaux concentriques, le flux passant entre les deux anneaux ne servant qu'à corriger les lignes de flux de la partie utile du flux passant par le centre des deux anneaux. Les dispositifs actuels de mesure in situ mettant en oeuvre cette méthode comprennent deux ensembles: - un ensemble d'injection comprenant une cuve d'injection à deux anneaux fermés ancrée dans le sol sur 5 à 10 cm, et un dispositif d'ancrage pour que la pression exercée au sein de la cuve ne la soulève; - un ensemble pour exercer une pression hydrostatique et pour mesurer les volumes injectés. Pour réaliser ce second ensemble, une solution simple consiste à utiliser des bouteilles de MARIOTTE. Une solution plus complexe consiste à utiliser un contrôleur pression-volume, par exemple le contrôleur pressionvolume mis au point la société MENARD pour des essais en forage. La mise en pression est dans cet exemple assurée par de l'air comprimé. Cette méthode de double anneau fermé présente l'avantage de conduire à des temps d'essai moins longs. De plus, il a été démontré que, pour des essais de mesure in situ pour des sols peu perméables, l'épaisseur de sol saturée par les essais est toujours très faible, en général moins de 1 cm, et que l'anneau de garde n'a plus d'utilité. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un système qui permette de mesurer, à partir de l'enregistrement en continu des volumes infiltrés, des conductivités hydrauliques correspondant à des perméabilités de l'ordre de 1.10'10 avec des temps de mesure plus courts que ceux observés avec les systèmes de l'art antérieur, et ce quelle que soit la nature des sols à étudier. Ce système comprend: - un ensemble d'injection dans une zone confinée prédéterminée de ce sol, comprenant: - une structure de confinement indéformable comportant une paroi latérale maintenue enfoncée dans le sol, et sur sa partie supérieure, un couvercle comportant un orifice de communication avec des moyens d'application de charge hydrostatique, - des moyens pour maintenir ladite structure de confinement enfoncée dans le sol, et - des moyens pour reprendre les efforts exercés sur la structure de confinement par rapport au sol, et - un ensemble de contrôle pression-volume comprenant des moyens pour créer un vide et appliquer une charge hydrostatique réglable sur cette zone confinée en injectant un fluide sous pression dans ladite zone confinée, et des moyens pour déterminer et enregistrer la vitesse d'infiltration de ce fluide dans cette zone confinée. Suivant l'invention, ce système est caractérisé en ce que l'ensemble d'injection comprend en outre au sein de la structure de confinement des moyens pour drainer le fluide dans la zone confinée, ces moyens de drainage étant réalisés dans un matériau poreux et disposés entre la face inférieure du couvercle et la surface du sol confiné, ce qui permet de s'opposer à l'éventuel gonflement de ce dernier. Ainsi, avec un système selon l'invention, il devient possible de réaliser des mesures de très faibles perméabilités de l'ordre de 1.10-10 m/s, sans risque d'obtenir des mesures négatives dans le cas de sols comportant des argiles gonflantes. En effet, le dispositif utilisé assure en quelque sorte une fonction de tampon entre l'ensemble de contrôle pression-volume et le sol permettant d'éviter tout retour de pression vers ce dernier. Le matériau poreux rigide participe au confinement en s'opposant à un gonflement éventuel. Par ailleurs, avec des mesures de vitesse d'infiltration effectuées sous pression constante, on réduit significativement les temps d'essai. En outre, il a été montré qu'avec le système selon l'invention, il n'est plus nécessaire d'utiliser une structure de confinement en double anneau, mais qu'un anneau simple suffit. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'ensemble d'injection comprend en outre au sein de la structure de confinement des moyens filtrants pour éviter le colmatage des moyens de drainage. Ces moyens filtrants peuvent par exemple être réalisés à partir de géotextiles. Par ailleurs, les moyens de confinement comprennent de préférence une structure de confinement indéformable comportant une paroi latérale maintenue enfoncée dans le sol, et sur sa partie supérieure, un couvercle comportant un orifice de communication avec les moyens d'application de charge hydrostatique, et des moyens pour maintenir la structure de confinement enfoncée dans le sol. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, l'ensemble de contrôle pression-volume comprend un piston exerçant une pression constante réglable sur un fluide confiné dans une chambre communicant avec la structure de confinement et des capteurs pour fournir une mesure de la position instantanée dudit piston. Il est à noter que la structure de confinement a de préférence la forme d'un anneau simple fermé. Les moyens de drainage sont alors réalisés sous la forme d'un disque en matériau poreux. Afin de garantir un haut niveau de précision des mesures et afin d'éviter toute dérive de coefficients de dilatation dépendant de la température, la structure de confinement et les moyens d'application de la charge hydraulique sont de préférence placés dans des caissons isothermes. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour mesurer la conductivité hydraulique des sols, mis en oeuvre dans un système de mesure selon l'invention. Ce procédé comprend: - une étape préalable pour enfoncer dans le sol la structure de confinement, et - des séquences de mesure comprenant: - une mise sous vide de la zone confinée, - une application sur la zone confinée d'une charge hydrostatique constante réglable, - un contrôle en continu de cette charge hydrostatique, - une mesure en continu du volume de fluide infiltré dans la zone confinée, et - une détermination d'une vitesse d'infiltration du fluide dans le sol. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le fluide d'essai sature l'ensemble des éléments de la zone confinée et en particulier la pièce en matériau poreux disposée entre la face inférieure du couvercle et la surface du sol confiné. En outre, après avoir réalisé une première série de mesures à contrainte nulle sur le sol, on peut prévoir d'exercer une contrainte normale réglable sur la structure de confinement. Dans ce cas, il est possible de reconduire une seconde série de mesures dès que le tassement du sol sous cette contrainte est stabilisé. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: - la figure 1 représente un schéma d'ensemble d'un système de mesure de conductivité hydraulique selon l'invention, - les figure 2A et 2B sont des vues respectivement de dessus et en coupe d'un anneau simple fermé mis en oeuvre dans un système de mesure selon l'invention; - les figures 3A et 3B sont des vues respectivement de dessus et en coupe d'une pièce de maintien d'un vérin mis en oeuvre dans un système de mesure selon l'invention; - la figure 4 est un schéma synoptique d'un contrôleur pression-volume mis en oeuvre dans un système de mesure selon l'invention; et - la figure 5 est une vue en coupe de la partie hydraulique de ce contrôleur pression-volume. On va maintenant décrire, en référence aux figures précitées, un exemple de réalisation d'un système de mesure de conductivité hydraulique selon l'invention. L'appareillage de mesure 10 selon l'invention, représenté en figure 1, comprend: - un ensemble d'injection 100 comportant un anneau simple fermé 1 maintenu sous pression par un dispositif d'enfoncement 2, - un dispositif de mesure 3 -ncluant un contrôleur de pression et de volume 7 et des équipements de mesure associés, et - un module 8 d'acquisition de données de mesure. L'anneau simple fermé 1, plus particulièrement représenté par les figures 2A et 23, comprend: - un tube 13 en acier inoxydable d'épaisseur 2,5 mm, de hauteur pouvant varier de 100 à 250 mm, de diamètre D pouvant varier de 200 à 600 mm (une section carrée ou rectangulaire est également possible); - un couvercle 11 en acier inoxydable soudé sur le tube 13; - deux mises en communication avec l'extérieur par des tubes coudés 22, 26 en acier inoxydables terminés par deux vannes V2 et Vl; - un disque drainant 6 réalisé dans un matériau poreux rigide de perméabilité supérieure à 1.10-4m/s, d'épaisseur 40 mm et de diamètre égal à D-5 mm; et - un papier filtre ou un géotextile 14 placé entre le sol 90 et le disque 6 en matériau poreux destiné à éviter le colmatage de ce dernier. La hauteur et le diamètre du tube 13 sont choisis en fonction de la nature du sol 90 étudié. l'extrémité inférieure du tube est biseautée, l'angle d'attaque étant par exemple de 409. Le couvercle 11 doit être indéformable lorsqu'on applique en son centre un effort, soit lors de l'enfoncement du tube 13 dans le sol, soit durant l'application d'une contrainte sur le sol. Pour un diamètre D du tube de 200 mm, son épaisseur est de 8 mm. Les tubes coudés 22, 26 de mise en communication, opposés sur le couvercle 11, sont sur un même diamètre à une distance de l'axe égale à D/2-2,5 mm, si D est le diamètre du tube 13. La vanne 71 est raccordée par l'intermédiaire d'un raccord rapide, soit sur un réservoir 91 (voir figure 4) lors d'une phase de saturation , soit au contrôleur pression-volume 7. La vanne V2 est raccordée par l'intermédiaire d'un raccord rapide, soit à un système de mise sous vide de la chambre, soit à un tuyau de purge. Le dispositif 2 d'enfoncement et de butée de l'anneau simple 1 ou d'applizat-on d'une contrainte normale sur le sol 90, comprend: - deux tarières 5, 5' adaptées à la nature du sol 90 et à la valeur des efforts à reprendre et dont les têtes sont équipées d'anneaux 50, 50'; - un câble 4 reliant les deux tarières, fixés à chacune de ses deux extrémités aux anneaux de tête de ces tarières et passant à l'aplomb de l'axe de l'anneau simple 1; - un vérin hydraulique 15 d'enfoncement centré sur le couvercle 11 de l'anneau simple 1 et équipé d'une tête 20 dans laquelle vient se centrer le câble 4; et - une pièce 3 de maintien de ce vérin 15, permettant de le positionner sur le centre du couvercle 11 et de régler, en phase d'enfoncement de l'anneau 1, la verticalité de sa descente. Les tarières 5, 5' sont situées à égale distance de l'axe de l'anneau simple 1. Le rayon d'influence des hélices ou spirales des tarières 5, 5' ne doit pas perturber la zone d'essai. Le câble 4 est largement dimensionné pour pouvoir reprendre les efforts sans déformation. L'application d'une contrainte pendant un essai de perméabilité peut être réalisée par: - un vérin plat (non représenté) permettant d'appliquer au sol la contrainte normale souhaitée; - une entretoise de liaison entre le vérin plat et le câble; - un dispositif de mesure de force; et - un dispositif de mesure de déplacement de l'anneau simple 1. L'ensemble d'injection 100 est de préférence placé dans un caisson isotherme 21 réalisé par exemple en deux demi-caissons à base de contre-plaqué et de polystyrène. On peut également prévoir l'utilisation d'un tensiomètre 25 pour mesurer la tension dans la zone confinée située sous l'anneau fermée 1. Le contrôleur pression-volume 7, couplé à l'ensemble d'injection 1 et au dispositif d'enfoncement 2, est conçu pour répondre aux objectifs suivants: - appliquer une charge hydraulique constante à la surface du sol; - pouvoir faire varier cette charge hydraulique jusqu'à 5m d'eau; et - pour chaque charge hydraulique, suivre en continu le volume d'eau infiltré. Ce contrôleur pression-volume 7 comprend, en référence aux figures 5 et 1: - un piston en acier inoxydable 76 ayant: - dans sa partie supérieure, un plateau en aluminium 78 centré et fixé par l'intermédiaire d'une tige 60 permettant le centrage de masses fendues 79 qui sont placées sur le plateau 78 et qui imposent la charge hydraulique; - dans sa partie inférieure, un disque en PVC 61 solidarisé au piston 76 par une vis 62 qui assure également son centrage, et en contact avec une membrane à déroulement 74; - un premier cylindre 75 en acier inoxydable permettant le centrage du piston 76 par l'intermédiaire d'une douille à billes 63 permettant de réduire les frottements; - un second cylindre 72 en acier inoxydable dans lequel la membrane à déroulement 74 vient se loger; - une embase 71 en acier inoxydable permettant: - la fixation de la membrane à déroulement 74 par serrage de l'embase 71 sur le second cylindre 72; - la mise en communication du fluide contenu dans la chambre 73 comprise entre la membrane à déroulement 74 et l'embase 71 avec l'extérieur par l'intermédiaire de deux vannes v3 et V4; et - une plaque d'appui 64 de l'embase 71, munie d'un dispositif permettant d'assurer la verticalité du contrôleur 7. Cette plaque d'appui 64 porte deux capteurs inductifs de déplacement 80, 81, de 50 mm de course, permettant le suivi de la descente du piston 76. Ces deux capteurs sont en contact avec le plateau supérieur 78, et exercent ainsi le même effort à une distance de l'axe du piston égale à 70 mm. La vanne V3, munie d'un raccord rapide, est reliée à la structure de confinement 1. La vanne V4 est utilisée pour remplir ou vider la chambre 73. Grâce à l'utilisation de la membrane à déroulement 74 au sein de la chambre 73, tout risque de fuite du fluide F utilisé pour la mesure est éliminé, contribuant ainsi une haute fiabilité dans la mesure de la vitesse d'infiltration. Le contrôleur pression-volume 7 est également équipé, sur le circuit de liaison hydraulique avec la structure de confinement 1, d'un réservoir de remplissage 91 associé à une vanne de remplissage 92, d'un capteur de pression 94 pour contrôler la valeur de la charge hydraulique d'une part et d'autre part pour pouvoir suivre la dissipation de cette pression lorsque l'on ferme la vanne 96, d'une vanne de purge 95 et d'une vanne 96 de fermeture du circuit de liaison. Le module d'acquisition 8 traite des données de mesure issues des capteurs de déplacement 80, 81, du capteur de pression 94 et d'un capteur de température 97, pour déterminer une vitesse d'infiltration du fluide dans le sol testé. L'ensemble 9 constitué par le contrôleur pressionvolume 7 et les équipements associés est de préférence placé dans une enceinte isotherme 70, pour s'affranchir d'éventuelles variations des grandeurs physiques mesurées en fonction de la température, et garantir ainsi une meilleure précision dans la détermination de la vitesse d'infiltration. On va maintenant fournir des indications pratiques sur le choix des composants essentiels du système de mesure selon l'invention. Le choix du vérin hydraulique 15 doit être déterminé en fonction d'un critère de force et de la course maximale. Théoriquement, cette course devrait correspondre à la profondeur d'enfoncement de l'anneau 1, soit 11 à 15 cm. Afin de préserver une certaine souplesse quant à l'implantation des ancrages et du réglage initial de la plaque de maintien 3 du vérin 15, une course optimale serait de l'ordre de 20 cm. On peut par exemple mettre en oeuvre un vérin hydraulique de référence ENERPAC RC 59 présentant les caractéristiques suivantes: course: 232 mm .force: 44,8 kN .longueur: 324 à 556 mm .poids: 2,5 Kg .surface effective: 6,4 cm2 Une pompe hydraulique (non représentée) couplée à ce vérin 15 doit fournir une pression correspondant à l'effort maximum dudit vérin. On peut par exemple utiliser une pompe de référence ENERPAC P 39, présentant les caractéristiques suivantes: pression nominale: 700 bar poids: 5,5 Kg débit: 2,61 cm3 par course Le nombre de courses pour atteindre la course maximale du vérin péut être estimé à environ 55. Les raccords entre pompe et vérin peuvent être des raccords flexibles thermoplastiques haute pression de type "high-flow", par exemple de référence C-604. La tête du vérin hydraulique 15 est munie d'une pièce 20 permettant le passage du câble 4. On peut par exemple utiliser une tête spéciale à double filetage de type ENERPAC A 23, vissable sur la tige 27 du vérin 15 et pouvant supporter une pièce à gorge 20. La pièce de maintien 3, représentée par les figures 3A et 3B, doit assurer deux fonctions: - maintenir le vérin hydraulique 15 en position verticale pendant toute la durée de son utilisation tout en permettant une transmission homogène de l'effort à l'anneau 1; - autoriser le réglage de l'horizontalité de l'anneau 1 lorsque celui-ci est enfoncé dans le sol à tester. Cette pièce de maintien 3 peut par exemple comporter une plaque de maintien 30 de forme sensiblement triangulaire comprenant en son centre un trou rond pour recevoir le vérin 15, munie en ses trois sommets de boulons de réglage 35, 36, 37, et comportant sur sa face supérieure une pièce cylindrique de guidage 31 fermée ou partiellement ouverte et munie de pièces de renfort 32, 33, 34. Le câble 4 permet le transfert de l'effort fourni par le vérin hydraulique 15 vers les ancrages réalisés par les tarières 5, 5'. Dans un exemple pratique mettant en oeuvre un anneau d'un diamètre de 20 cm et d'une hauteur de 15 cm enfoncé dans un sol très frottant tel que du sable compact, ce qui correspond au cas le plus défavorable, le vérin hydraulique doit fournir un effort égal à 22 kN. Pour une hauteur totale entre la pièce à gorge 20 et le sol égale à 56 cm et une distance entre tarières égale à 2 m, le câble 4 doit alors avoir une longueur égale à environ 2,24 m. Une procédure d'essai permettant de calculer le coefficient de perméabilité d'un sol avec le système de mesure selon l'invention consiste: - à mesurer la vitesse d'infiltration de l'eau (ou tout autre liquide) dans le sol pour plusieurs valeurs de la charge hydraulique (au moins 3), - à déterminer le profil hydrique du sol (variation de la teneur en eau et du degré de saturation en fonction de la profondeur) avant et après essai. Pendant toute la durée d'un essai, le sol est confiné. Une contrainte peut être appliquée sur le sol en fonction du projet. Cette contrainte peut, soit être égale à celle due au poids des terres, soit être la contrainte de service si celle-ci n'est pas excessive. Le procédé selon 11 invention peut être appliqué pour la mesure de la conductivité hydraulique des sols fins, saturés ou non saturés. Il permet en particulier le contrôle: - des couches de sols en place au-dessus de la nappe phréatique, en surface ou à une profondeur donnée après avoir réalisé une fosse et une plate forme à cette profondeur et mesuré la masse volumique apparente des matériaux situés au-dessus; - des couches de sols compactés naturels ou traités (bentonite par exemple). Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les caractéristiques dimensionnelles indiquées ci-dessus pour la structure de confinement, le vérin d'enfoncement et le dispositif d'application de charge hydraulique, peuvent varier en fonction de la nature des sols et des niveaux de perméabilité mesurés. REVENDICATIONS 1. Système (10) pour mesurer in situ la conductivité hydraulique d'un sol peu perméable(90), comprenant: - un ensemble d'injection (100) dans une zone confinée prédéterminée (98) de ce sol (90), comprenant: - une structure de confinement (1) indéformable comportant une paroi latérale (13) maintenue enfoncée dans le sol (90), et sur sa partie supérieure, un couvercle (11) comportant un orifice (16) de communication avec des moyens d'application de charge hydrostatique (7), - des moyens (2) pour maintenir ladite structure de confinement (1) enfoncée dans le sol, et - des moyens (4, 5, 5') pour reprendre les efforts exercés sur la structure de confinement (1) par rapport au sol (90), et - un ensemble de contrôle pression-volume (7) comprenant des moyens pour créer un vide et appliquer une charge hydrostatique réglable sur cette zone confinée (98) en injectant un fluide sous pression dans ladite zone confinée (98), et des moyens (8) pour déterminer la vitesse d'infiltration de ce fluide dans cette zone confinée (98), caractérisé en ce que l'ensemble d'injection (100) comprend en outre au sein de la structure de confinement (1) des moyens (6) pour drainer le fluide dans la zone confinée (98), ces moyens de drainage (6) étant réalisés dans un matériau poreux et disposés entre la face inférieure du couvercle (11) et la surface du sol confiné (98). 2. Système (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'injection (100) comprend en outre au sein de la structure de confinement (1) des moyens filtrants (14) pour éviter le colmatage des moyens de drainage (6). 3. Système (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens filtrants (14) comprennent un géotextile. 4. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'enfoncement (2) comprennent des premiers moyens de vérin (15) disposables au dessus du couvercle (11). 5. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble d'injection (100) comprend en outre des moyens pour exercer en cours de mesure une contrainte réglable sur le sol confiné (98). 6. Système (10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de contrainte comprennent des seconds moyens de vérin disposables sur le dessus du couvercle (11), et des moyens pour mesurer la contrainte exercée et/ou le déplacement de ladite structure de confinement (1). 7. Système (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de reprise d'effort (4, 5, 5') comprennent un câble (4) ayant ses deux extrémités solidement fixées au sol (90) par des moyens d'ancrage (5, 5') disposés de part et d'autre de la structure de confinement (1), et en ce que les premiers moyens de vérin (15) comprennent une pièce de tête (20) conçue pour recevoir ledit câble (4). 8. Système (10) selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble d'injection (100) comprend en outre des moyens (3) pour maintenir les premiers et/ou seconds moyens de vérin (15) dans une position prédéterminée réglable par rapport au couvercle (11) . 9. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de contrôle pression-volume (7) comprend un piston (76) exerçant une pression constante réglable sur un fluide (F) confiné dans une chambre (73) communicant avec la structure de confinement (1) et des capteurs (80, 81) pour fournir une mesure en continu de la position instantanée dudit piston (76). 10. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure de confinement (1) a la forme d'un anneau ou équivalent simple fermé. 11. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble d'injection (100) et/ou l'ensemble de contrôle pression-volume (7) sont placés dans des caissons isothermes (21, 70). 12. Procédé pour mesurer la conductivité hydraulique d'un sol, mis en oeuvre dans un système de mesure (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant: - une étape préalable pour enfoncer dans le sol (90) la structure de confinement (1), et - des séquences de mesure comprenant: - une application sur la zone confinée (98) d'un vide puis d'une charge hydrostatique constante réglable par injection d'un fluide, - un contrôle en continu de la valeur de cette charge hydrostatique, - une mesure en continu du volume de fluide infiltré dans ladite zone confinée (98), et - une détermination de la vitesse d'infiltration du fluide dans le sol (98), caractérisé en ce que le fluide injecté est drainé dans la zone confinée par passage dans une pièce en matériau poreux disposée entre la face inférieure du couvercle (11) et la surface du sol confiné (98). 13. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'au cours des séquences de mesure, on exerce une contrainte normale réglable sur la structure de confinement (1).