comportement hydrique d'une argile non saturée

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This article was downloaded by: [Eastern Michigan University] On: 10 October 2014, At: 10:10 Publisher: Taylor & Francis Informa Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: Mortimer House, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK European Journal of Environmental and Civil Engineering Publication details, including instructions for authors and subscription information: http://www.tandfonline.com/loi/tece20 Comportement hydrique d'une argile non saturée Karima Lachgueur a , Said Taibi b & Nabil Abou-Bekr a a Laboratoire Eau et Ouvrages dans Leur Environnement Faculté des Sciences de l'Ingénieur , Université A. Belkaid , Tlemcen, BP 230, Algérie E-mail: b Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, FRE CNRS 3102 , Université du Havre , BP 540, F-76058, Le Havre, France E-mail: Published online: 05 Oct 2011. To cite this article: Karima Lachgueur , Said Taibi & Nabil Abou-Bekr (2010) Comportement hydrique d'une argile non saturée, European Journal of Environmental and Civil Engineering, 14:3, 329-360, DOI: 10.1080/19648189.2010.9693224 To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/19648189.2010.9693224 PLEASE SCROLL DOWN FOR ARTICLE Taylor & Francis makes every effort to ensure the accuracy of all the information (the “Content”) contained in the publications on our platform. However, Taylor & Francis, our agents, and our licensors make no representations or warranties whatsoever as to the accuracy, completeness, or suitability for any purpose of the Content. Any opinions and views expressed in this publication are the opinions and views of the authors, and are not the views of or endorsed by Taylor & Francis. The accuracy of the Content should not be relied upon and should be independently verified with primary sources of information. Taylor and Francis shall not be liable for any losses, actions, claims, proceedings, demands, costs, expenses, damages, and other liabilities whatsoever or howsoever caused arising directly or indirectly in connection with, in relation to or arising out of the use of the Content. This article may be used for research, teaching, and private study purposes. Any substantial or systematic reproduction, redistribution, reselling, loan, sub-licensing, systematic supply, or distribution in any form to anyone is expressly forbidden. Terms & Conditions of access and use can be found at http:// www.tandfonline.com/page/terms-and-conditions

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Page 1: Comportement hydrique d'une argile non saturée

This article was downloaded by: [Eastern Michigan University]On: 10 October 2014, At: 10:10Publisher: Taylor & FrancisInforma Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: MortimerHouse, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK

European Journal of Environmental and CivilEngineeringPublication details, including instructions for authors and subscription information:http://www.tandfonline.com/loi/tece20

Comportement hydrique d'une argile non saturéeKarima Lachgueur a , Said Taibi b & Nabil Abou-Bekr aa Laboratoire Eau et Ouvrages dans Leur Environnement Faculté des Sciences del'Ingénieur , Université A. Belkaid , Tlemcen, BP 230, Algérie E-mail:b Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, FRE CNRS 3102 , Université du Havre , BP540, F-76058, Le Havre, France E-mail:Published online: 05 Oct 2011.

To cite this article: Karima Lachgueur , Said Taibi & Nabil Abou-Bekr (2010) Comportement hydrique d'une argile nonsaturée, European Journal of Environmental and Civil Engineering, 14:3, 329-360, DOI: 10.1080/19648189.2010.9693224

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This article may be used for research, teaching, and private study purposes. Any substantial or systematicreproduction, redistribution, reselling, loan, sub-licensing, systematic supply, or distribution in anyform to anyone is expressly forbidden. Terms & Conditions of access and use can be found at http://www.tandfonline.com/page/terms-and-conditions

Page 2: Comportement hydrique d'une argile non saturée

EJECE. Volume 14 – No. 3/2010, pages 329 to 360

Comportement hydrique d’une argile non saturée

Application au noyau du barrage Boughrara

Karima Lachgueur* — Said Taibi** — Nabil Abou-Bekr*

* Laboratoire Eau et Ouvrages dans Leur Environnement Faculté des Sciences de l’Ingénieur, Université A. Belkaid Tlemcen, BP 230, Algérie

{lachgueur_karima, aboubekrnabil}@yahoo.fr

** Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, FRE CNRS 3102 Université du Havre, BP 540, F-76058 Le Havre, France

[email protected]

RÉSUMÉ. L’article traite du comportement hydrique d’une argile utilisée dans la construction du noyau du barrage Boughrara (ouest algérien). Différentes méthodes complémentaires sont utilisées, d’une part, pour la caractérisation des chemins de drainage et humidification, et d’autre part, pour la mesure de la conductivité hydraulique en fonction du degré de saturation (méthode osmotique, méthode des dessiccateurs à solutions salines saturées, modèle de Fredlund & Xing basé sur l’interprétation des courbes de rétention d’eau). Les techniques d’imposition de la succion couvrent une large gamme de succions pouvant atteindre 340 MPa. Ces niveaux de succion permettent de mesurer de très faibles valeurs de perméabilité non saturée (jusqu’à 10-16 m/s). Par ailleurs, des modèles empiriques de la conductivité hydraulique sont comparés aux résultats expérimentaux. Ceci permet d’établir une fonction k(Sr) sur une large gamme de degré de saturation, fonction nécessaire à toute modélisation couplée hydromécanique du noyau du barrage.

ABSTRACT. The paper deals with the hydraulic behaviour of a clay used in the construction of the Boughrara dam core (West of Algeria). Various methods were used, on the one hand, to characterise the drying -wetting paths, and on the other hand, to measure the hydraulic conductivity, according to the degree of saturation (osmotic method, desiccators’ method with saturated salt solutions, the Fredlund & Xing model based on the exploitation of the water retention curve). The used techniques allowed scanning a wide range of suctions up to 340 MPa. Subsequently, we were able to measure very low values of unsaturated permeability (up to 10-16 m/s). In addition, mathematical models of hydraulic conductivity were calibrated on the experimental results. This allows to establish a k(Sr) function on a wide range of degree of saturation. This function is necessary for modeling hydro-mechanical behaviour of the dam core.

MOTS-CLÉS : succion, conductivité hydraulique, argile non saturée, noyau de barrage, modèle de Fredlund & Xing, modèles de perméabilité.

KEYWORDS: suction, hydraulic conductivity, unsaturated clay, core of dam, Fredlund & Xing model, permeability models.

DOI:10.3166/EJECE.14.329-360 © 2010 Lavoisier, Paris

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1. Introduction

L’état de saturation des sols joue un rôle essentiel dans la réponse des barrages

en terre. L’analyse de la stabilité de ces ouvrages nécessite donc une bonne

évaluation du comportement non saturé des sols et la détermination de la répartition

spatiale du degré de saturation. Différents phénomènes sont observés lors des cycles

de mise en eau et vidange (Modaressi et Fry, 2002) :

– la rupture de plusieurs barrages en terre est attribuée à l’effondrement du

matériau en cours de la mise en eau qui peut conduire à la fracturation hydraulique.

Il est rapporté que, à la suite de la mise en eau, les couches mal compactées se sont

tassées alors que les couches bien compactées se sont arc-boutées au-dessus des

précédentes. L’espace, entre les deux couches, conduit à un écoulement préférentiel

et à un développement de l’érosion interne ;

– le comportement en vidange passe d’un comportement non drainé quand la

vitesse de percolation est petite face à la vitesse de vidange, à un comportement

drainé dans le cas inverse. Les vidanges ont provoqué des accidents de glissement

sur différents barrages en terre.

La modélisation des transferts hydriques dans les sols fins non saturés nécessite

la connaissance des paramètres hydrodynamiques correspondant à différents niveaux

de succion, notamment la conductivité hydraulique. Il s’agit de déterminer les

relations phénoménologiques du sol en place, relations entre la perméabilité et la

succion ou la teneur en eau. Il se trouve que ces relations ne peuvent être déduites

des propriétés fondamentales du sol, mais doivent être déterminées à partir de

mesures expérimentales. Les méthodes de mesure reposent sur la loi de Darcy

généralisée. La densité du flux et le gradient de potentiel ou d’humidité sont les

variables habituellement mesurées au cours de l’essai. Elles peuvent être maintenues

constantes indépendamment du temps, ou variables durant l’essai. On peut alors

distinguer les méthodes de mesure en régime permanent et les méthodes de mesure

en régime non permanent de l’écoulement.

Les mesures en régime permanent sont réalisées selon le même principe que

pour les essais saturés. La succion, et par conséquent la teneur en eau volumique du

sol, sont maintenues constantes. La perméabilité, qui dépend de ces deux

paramètres, est calculée de la même manière que dans un essai de perméabilité

classique pour les sols saturés en appliquant la loi de Darcy généralisée. Cette

procédure est répétée pour différentes valeurs de succion ou de teneur en eau afin

d’établir les relations k(T) et k(\) (Fredlund et Rahardjo, 1993 ; Fleureau et Taibi,

1995).

Les mesures en régime non permanent sont basées sur différentes techniques. On

en distingue :

– la méthode des profils instantanés qui consiste à imposer une infiltration ou un

drainage à une des extrémités d’une colonne de sol et à mesurer la variation spatio-

temporelle de l’humidité �(z,t), (Krisdani et al., 2009) ;

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– la méthode osmotique utilise une cellule à succion contrôlée. L’écoulement

d’eau dans l’échantillon du sol est provoqué en utilisant à ses extrémités des

solutions de Poly Ethylène Glycol (PEG) à une concentration donnée, fonction de la

succion à imposer (Delage et al., 1998) ;

– la méthode des solutions salines saturées consiste à mesurer la perméabilité par

échange d’eau entre l’échantillon et l’environnement ambiant soumis à une humidité

contrôlée à contrainte mécanique nulle (Sayad Gaidi, 2003) ;

– la méthode du choc impulsionnel dite pulse test consiste à relier les extrémités

d’un échantillon de sol ou de roche à deux réservoirs de liquide ; à l’instant t, on

impose une légère augmentation de la pression du liquide dans l’un des deux

réservoirs (réservoir supérieur), tout en contrôlant la succion. L’observation de la

dissipation de la pression en fonction du temps permet la détermination de la

perméabilité (Bredehoeft et Papadopoulos, 1980) ;

– la méthode harmonique, développée à l’origine par Jouanna et Fras (1980),

Kranz et al. (1990) et Fischer (1992). Le principe consiste à relier les extrémités

d’un échantillon de sol à deux réservoirs de liquide; à l’instant t, on crée une onde de

pression sinusoïdale dans le réservoir supérieur de l’échantillon. Cette onde se

propage à travers l’échantillon, s’atténue et donne lieu à une onde déphasée par

rapport au signal initial. La mesure dans le réservoir inférieur du rapport des

amplitudes et de déphasage des deux ondes permet la détermination de la

perméabilité (Sayad Gaidi, 2003).

L’article présente des résultats expérimentaux de mesure de la conductivité

hydraulique non saturée, réalisés sur l’argile du noyau d’un barrage de l’ouest

algérien, dans le but d’établir les fonctions perméabilité-degré de saturation

nécessaires à une modélisation aux limites du comportement hydromécanique du

barrage.

2. Matériau et méthodes expérimentales

Le matériau testé a été prélevé sur le noyau du barrage de Boughrara (figure 1),

situé à l’extrême ouest de l’Algérie nord occidentale, à proximité (11 km) de

Maghnia ville frontière avec le Maroc, à 60 km à l’ouest de Tlemcen et à 150 km au

sud ouest de la ville portuaire d’Oran. Il a été mis en eau le 11 octobre 1998. Il a une

capacité totale de 177 millions de m3 d’eau, sa hauteur est de 58 m, le volume

régularisé est de 59 millions de m3. Le but de ce barrage est d’assurer la

consommation en eau potable des villes avoisinantes et répondre aux besoins

d’irrigation des terres agricoles.

Des essais d’identification physique, chimique et mécanique ont été effectués sur

ce matériau. L’essai de compactage à l’Optimum Proctor Normal donne une valeur

de densité maximale de 1,62, correspondant à une teneur en eau optimale de 21 %.

Le tableau 1 regroupe les résultats obtenus. Selon la classification USCS/LPC,

l’argile de Boughrara est classée comme une argile peu plastique.

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Figure 1. Situation géographique du barrage Boughrara

Différents états initiaux du matériau ont été préparés :

– sol sous forme de pâte préparée à une teneur en eau égale à une fois et demie la

limite de liquidité (1,5 wL) ;

– sol compacté à l’Optimum Proctor Normal ((Jd/Jw = 1,62 et wopt = 21 %) ;

– sol compacté à un état OPN+2 % en teneur en eau ;

– sol compacté à OPN-2 % en teneur en eau.

Par ailleurs, les valeurs de succion de l’argile compactée ont été mesurées à

l’aide de la technique indirecte du papier filtre (ASTM D 5298-94) (tableau 2).

La caractérisation hydrique du matériau a nécessité l’utilisation de deux

techniques d’imposition de la succion, la méthode osmotique et la méthode des

dessiccateurs à solutions salines saturées.

– la méthode osmotique consiste à mettre l’échantillon de sol en contact avec une

solution de polyéthylène glycol PEG 6 000 à travers une membrane semi-perméable

en triacétate de cellulose Spectra/Por® N°3, de poids moléculaire obstacle MWCO

(mass of water cut off) égal à 3 500 Da (Dalton). Cette technique permet de balayer

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une gamme de succion variant de 50 kPa à 9 MPa. La concentration, indépendante

de la masse molaire du PEG, est déterminée à partir de la relation linéaire [1] pour

des succions s < 6,25 MPa (Delage et al., 1998).

Identification physique Argile de

Boughrara Norme

granulométrie :

Gravier (%)

Sable (%)

Limon (%)

Argile (% <2 µm)

% < 80 µm

d10 (µm)

d60 (µm)

d60/d10

Limites d’Atterberg :

Liquidité WL (%)

Plasticité WP (%)

Indice de plasticité (%)

Densité des grains solides (�s / �w)

3

10

35

52

90

0,22

8,5

38,64

48

20

28

2,6

NF P 94-041

NF P 94-057

NF P 94-051

NF P 94-054

Identification chimique

Valeur de Bleu VB

Surface spécifique totale (m2/g)

Teneur en CaCO3

Activité Ac

4,68

98

14 %

0,52

NF P 94-068

NF P 94-048

Identification mécanique

Proctor normal

�d max / �w

Wopt (%)

1,62

21

NF P 94-093

Tableau 1. Identification de l’argile de Boughrara

Etat initial de l’échantillon W (%) du papier filtre s (MPa)

OPN

OPN-2 %

OPN+2 %

32,33

30,14

34,10

0,85

1,00

0,60

Tableau 2. Succions initiales mesurées sur les éprouvettes compactées

s = 11c2 (c en g PEG /g eau) [1]

– la méthode des solutions salines saturées est utilisée pour imposer des succions

variant de 6 à 342 MPa. Les échanges d’eau entre l’échantillon et l’atmosphère du

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dessiccateur s’effectuent par évaporation. La succion imposée par le sel utilisé est

reliée à l’humidité relative par la loi de Kelvin [2] :

100

Hln

gM

RT

s

W

[2]

avec :

R : constante des gaz parfaits [= 8,32 J/°K] ;

T : température absolue [°K] ;

M : masse moléculaire de l’eau [= 1,8*10-3

kg] ;

H : humidité relative en pourcent.

Pour mesurer la succion, la technique du papier filtre a été utilisée. Elle consiste à

mettre en contact de l’échantillon un papier filtre Whatman n° 42 ; une fois l’équilibre

hydrique entre le sol et le papier filtre atteint, la teneur en eau du papier filtre est alors

corrélée à la succion de l’échantillon suivant la norme ASTM D 5298-94. Par ailleurs,

pour déterminer la perméabilité de l’argile fonction du degré de saturation, deux

méthodes ont été utilisées :

– le modèle de Fredlund & Xing (Fredlund et al., 1994), est basé sur le

développement de la loi de poiseuille et consiste à exploiter la courbe de rétention

du matériau SWRC et d’en déduire, via un modèle capillaire, la fonction de

conductivité hydraulique k(Sr). La démarche consiste à subdiviser la courbe de

rétention, représentée dans le plan �(s), suivant l’axe � en n segments égaux.

Avec �: teneur en eau volumique.

La fonction de perméabilité k(�) est donnée par les expressions [3] et [4] :

¦

��� m

ij

]2j

2i).(s)1[(2jd

Aksc

ks)

ik(�

[3]

¦¦

��� m

i 1

m

ij

2jd

SC]2i).(s)1[(2jAk

[4]

i = 1, 2, …, m

avec :

k(�i) : fonction de perméabilité à une teneur en eau volumique �i correspondant à

l’ième

intervalle ;

i : numéro de l’intervalle qui augmente avec la diminution de la teneur en eau

volumique ;

ks : coefficient de perméabilité à saturation, mesuré au laboratoire.

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ksc : coefficient de perméabilité calculé à saturation.

m : nombre total d’intervalles entre la teneur en eau volumique à saturation �s et

la teneur en eau volumique minimale �r sur la courbe caractéristique sol-eau.

(s)j : succion correspondant au point du centre du jème

intervalle.

Ad : paramètre d’ajustement.

– la méthode des dessiccateurs à solutions salines, dite aussi VET (Vapor Equilibrium Technique) qui consiste à mesurer les échanges d’eau entre l’échantillon

et l’atmosphère du dessiccateur et d’en déduire la fonction k(Sr) en se basant sur la

méthode de Gardner (El-Youssoufi et al., 1996 ; Sayad Gaidi, 2003 ; Gardner, 1958).

Le principe consiste à suspendre un échantillon de sol dans le dessiccateur et à mesurer

les échanges d’eau par évaporation entre l’échantillon et l’environnement ambiant du

dessiccateur en fonction du temps. Dans le but d’optimiser la durée des essais, les

échantillons compactés ont été découpés en galettes de 10 mm d’épaisseur et 24 mm

de diamètre. Pour assurer un transfert unidimensionnel (axial), l’échantillon est

paraffiné sur son contour et relié à une balance d’une précision de 10-2

g qui permet de

suivre la variation de son poids dans le temps. La figure 2 présente un schéma

descriptif de confection des éprouvettes de sol.

Les échantillons sont soumis par étapes successives, à différentes valeurs de

succion en utilisant plusieurs solutions salines saturées (tableau 3). Les volumes

d’eau échangés à chaque palier de succion sont alors représentés par une évolution

linéaire dans le plan [t, Ln (VwT - Vw(t))] et la pente M correspondante est reliée au

coefficient de diffusivité Dw par la relation [5].

2

2

w

MlD

S

[5]

Le coefficient de perméabilité est calculé alors à l’aide de l’expression [6] :

� �� � � �

T

wTww

V

V

û%

�D

�%/

�D�k

ww

[6]

avec :

l : hauteur de l’échantillon ;

% : potentiel capillaire donné par la relation [7].

w�s=% [m] [7]

VwT : volume d’eau total échangé par l’échantillon pour un palier de succion donné ;

Vw(t) : volume d’eau échangé par l’échantillon en fonction du temps pour un

palier de succion donné ;

VT : volume total de l’échantillon ;

� : teneur en eau volumique.

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La figure 3 montre la mise en place du dispositif expérimental relatif à la

méthode des dessiccateurs à différentes humidités relatives, les dessiccateurs sont

placés dans une batterie avec un système de pesée mobile.

Figure 2. Schéma descriptif de confection des éprouvettes de sol

Solution Concentration

(g de sel/500 ml d’eau)

Succion

(MPa)

NaCl

NaCl

NaCl

(NH4)2SO4

NaCl

NaNO2

CaCl2, 2H2O

H2SO4

38

54

75,5

375,66

360

410,75

730

1 litre

6,3

9

12.6

29,9

38,15

57,76

156,22

342,64

Tableau 3. Concentrations des solutions salines utilisées (Sayad Gaidi, 2003)

Par ailleurs, la perméabilité saturée des échantillons compactés est mesurée dans

une cellule œdométrique, les coefficients de perméabilité sont déduits à partir du

coefficient de consolidation Cv et du module œdométrique E’ suivant la relation [8] :

'

wv.

E

�Ck

[8]

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Figure 3. Mise en place du dispositif expérimental de la méthode des dessiccateurs à différentes humidités relatives et système de pesée mobile

3. Chemins de drainage-humidification

La caractérisation hydrique d’un matériau compacté de noyau de barrage

nécessite dans un premier temps de disposer d’un comportement de référence sous la

forme d’un essai de drainage-humidification réalisé sur un matériau initialement

normalement consolidé. La figure 4 représente le premier cycle de dessiccation-

humidification de l’argile de Boughrara, réalisé sur une pâte de teneur en eau initiale

égale à 1,5 fois la limite de liquidité ; les 3 graphiques de la partie droite

représentent les variations de l’indice des vides, du degré de saturation et de la

teneur en eau avec la succion. Sur les 2 graphiques de la partie gauche, l’indice des

vides et le degré de saturation sont tracés en fonction de la teneur en eau (Biarez et al., 1988 ; Fleureau et al., 1993). Le premier graphe (A) est la courbe de retrait

usuelle, où l’indice des vides remplace le volume total. Sur un chemin de

dessiccation, le sol suit d’abord la droite de saturation, d’équation e = (Js/Jw)w.

Ensuite, lorsque la teneur en eau décroît, l’indice des vides tend vers une valeur

constante. La limite de retrait (WSL), définie comme la teneur en eau du sol saturé

correspondant à l’indice des vides final du sol après passage à l’étuve (eSL de l’ordre

de 0,6), est estimée à 22 %; elle correspond donc à l’abscisse du point situé à

l’intersection de la droite de saturation et de l’asymptote horizontale de la courbe

lorsque w tend vers 0.

Le second graphe (B) est la courbe de compressibilité hydrique. Le coude de la

courbe où débute le palier de retrait constitue un point caractéristique de ce graphe.

Par analogie avec la limite de retrait, nous désignerons par succion de retrait, sSL,

l’abscisse de ce point, estimé à 1 MPa. Ce point est proche du point de flétrissement

des plantes.

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Le graphe (C) met en évidence le domaine de teneur en eau dans lequel le sol

reste saturé. Lorsque la teneur en eau devient inférieure à celle du point d’entrée

d’air, le degré de saturation diminue très rapidement, presque linéairement avec la

teneur en eau. Partant de cette observation expérimentale, il est possible de suggérer

une définition conventionnelle du point d’entrée d’air, à l’intersection de cette droite

et de la ligne horizontale pour Sr = 1. Cette construction fournit une détermination

assez précise de ce point estimé à 22 % et souvent mal défini dans le plan [w - e]

(Fleureau et al., 1993).

Le graphe (D) montre les variations du degré de saturation avec la succion :

lorsque l’on augmente progressivement la pression négative, le sol reste quasi saturé

jusqu’à une succion de l’ordre de 0,4 MPa, puis le degré de saturation décroît

rapidement pour atteindre approximativement 10 % pour une succion de l’ordre de

300 MPa. Cette succion de désaturation sd, généralement plus faible que la pression

négative de retrait, caractérise également le comportement du matériau lorsque l’on

part d’un sol saturé sous forme de pâte.

L’effet de la pression sur l’indice des vides apparaît donc étroitement lié à la

saturation du matériau, la phase de compressibilité maximale de l’argile correspond

au domaine où le sol est quasi saturé, tandis que l’indice des vides ne varie presque

plus lorsque le degré de saturation descend en dessous de 80 %.

La diminution rapide de Sr se traduit par une chute de la teneur en eau

(graphe E). Ce graphique correspond à la courbe usuelle de pF, dans laquelle on a

inversé les axes afin de mettre en évidence les correspondances entre les variations

de e, Sr et w et celles de la succion. Tant que la succion est plus faible que sd, les

variations de teneur en eau et du degré de saturation sont liées, alors que la teneur en

eau varie avec le degré de saturation pour les pressions plus élevées.

Si l’on considère à présent le chemin d’humidification du sol sous forme de pâte

séchée à l’étuve (s = 1 000 MPa), dans les 5 graphes de la figure 6, on constate que

l’hystérésis du cycle dépend du domaine de succion considéré :

– Pour 1 MPa < s < 300 MPa, l’hystérésis entre le drainage et l’humidification

est négligeable. Dans cet intervalle, on note une réversibilité entre les chemins de

drainage et d’humidification dans les 5 repères. L’augmentation du degré de

saturation et de la teneur en eau est importante, en revanche, l’indice des vides reste

quasi constant.

– Pour s < 1 MPa : le sol est quasi saturé (Sr>90 %), l’humidification suit dans le

plan [log(s), e] un chemin de pente plus faible que celle du chemin de drainage.

Ceci s’explique par le fait que le drainage est un chemin de compressibilité plastique

normalement consolidé, alors que l’humidification est une décompression hydrique

et suit par conséquent un chemin surconsolidé.

Si on compare le chemin de drainage à un essai de chargement œdométrique

dans le plan représentant la variation de l’indice des vides en fonction de la succion

ou de la contrainte effective moyenne (figure 5), on remarque que dans le domaine

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 12: Comportement hydrique d'une argile non saturée

Comportement d’une argile non saturée 339

saturé, les chemins de drainage sur la pâte d’argile et de chargement œdométrique

sont quasiment parallèles et légèrement décalées. La même conclusion peut être

déduite pour les chemins d’humidification et de déchargement œdométrique. Par

ailleurs, la droite de corrélation Cc = 0,009(WL-13) (Biarez et Favre, 1975) semble

reproduire relativement bien les pentes de compressibilité.

En comparant le rapport de l’indice de drainage CD (pente de la droite de

drainage dans le domaine saturé) et l’indice d’humidification CH (pente de la droite

d’humidification) au rapport entre l’indice de compression œdométrique CC et de

gonflement CG, on constate que ces rapports sont très voisins (CD / CH ~ CC/CG~4)

(tableau 4). Il y a lieu de conclure que dans le domaine où les échantillons sont

saturés, des incréments identiques de succion ou de contrainte mécanique produisent

la même variation de volume. Ceci conforte l’idée de la validité du principe de

contrainte effective dans le domaine saturé à succion non nulle (Fleureau et al., 1993 ; Zerhouni, 1991).

Pour caractériser à présent le comportement du matériau compacté sous l’effet de

cycles de drainage et d’humidification, trois états initiaux ont été considérés, OPN,

OPN-2 % et OPN+2 %. Les chemins de drainage-humidification correspondants

sont représentés sur la figure 6. A partir des valeurs de succion initiale de chacun de

ces états, les échantillons suivent un chemin de drainage pour des valeurs de succion

supérieures à sOPN et un chemin d’humidification pour des succions inférieures à

cette valeur. On remarque que la variation de teneur en eau initiale autour de l’OPN

(OPN-2 %, OPN et OPN+2 %) n’a quasiment aucune influence sur les chemins de

drainage et d’humidification et que ceux-ci sont pratiquement confondus. Dans le

plan [log (s), Sr], le degré de saturation chute rapidement à partir de cette pression

négative initiale pour atteindre 3 % pour une valeur de succion d’environ 300 MPa.

Cette diminution rapide est également constatée dans le plan [log (s), w]. Dans le

plan [log (s), e], on constate que la limite de retrait des échantillons compactés est

inférieure à celle de la pâte représentée par les traits continus (figure 7). Ceci

conforte l’idée que la limite de retrait n’est pas un paramètre intrinsèque du matériau

mais dépend de son état initial (Fleureau et al., 1993). Par ailleurs, dans le domaine

quasi saturé, on constate que le gonflement est plus important dans le cas des sols

compactés. Ce résultat confirme le rôle de la contrainte initiale ; plus celle-ci est

élevée, plus l’indice d’humidification est grand. Cette conclusion doit être nuancée

par l’influence de la microstructure du sol qui est très différente dans les cas de la

pâte et du sol compacté. La préparation d’un échantillon compacté entraîne en effet

l’existence de « mottes » ou d’agrégats dont les dimensions peuvent être

extrêmement variables et qui modifient sensiblement le comportement du matériau

(Fleureau et Kheibek Saoud, 1992 ; Taibi, 1994). Le tableau 5 résume les paramètres

caractéristiques de l’argile de Boughrara sur les chemins de drainage et

d’humidification.

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 13: Comportement hydrique d'une argile non saturée

340 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

Figure 4. Chemins de drainage-humidification sur l’argile de Boughrara initialement saturée, préparée sous forme de pâte à 1,5 wL

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50

Teneur en eau (%)

De

gré

de

sa

tura

tio

n (

%)

C

Argile de Boughrara (WL=48 % - Ip = 28 %)

Drainage

Humidification

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)In

dic

e d

es

vid

es

B

sSL

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)

Te

ne

ur

en

ea

u (

%)

E

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)

De

gré

de

sa

tura

tio

n (

%)

D

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 10 20 30 40 50

Teneur en eau (%)

Ind

ice

de

s v

ide

s

A

ligne de

saturation

ÔSL

sd

Dow

nloa

ded

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Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 14: Comportement hydrique d'une argile non saturée

Comportement d’une argile non saturée 341

Figure 5. Comparaison entre les chemins de drainage-humidification et le chemin œdométrique sur le matériau de Boughrara

Matériau CC CG CC/CG CD CH CD/CH

Argile de Boughrara 0,36 0,08 4,5 0,4 0,105 3,81

Tableau 4. Comparaison entre les coefficients de compressibilité-gonflement et de drainage-humidification

Matériau Argile de Boughrara

Condition initiale Pâte Compactée

Teneur en eau de limite de retrait (%) 22 18

Pression capillaire de limite de retrait (MPa) 1 2

Indice des vides final de limite de retrait 0,6 0,52

Pression de désaturation (MPa) 0,3 -

Pression de resaturation (MPa) 0,1 -

Tableau 5. Synthèse des valeurs caractéristiques de l’argile de Boughrara

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion et contrainte moyenne équivalente (kPa)

Drainage Humidification Oedomètre Corrélation

Ind

ice d

es v

ides

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 15: Comportement hydrique d'une argile non saturée

342 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

Figure 6. Chemins de drainage humidification sur l’argile de Boughrara initialement compactée

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)

ind

ice

de

s v

ide

s

B

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)

De

gré

de

sa

tura

tio

n (

%)

D

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)

Te

ne

ur

en

ea

u (

%)

E

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40

Teneur en eau (%)

De

gré

de

sa

tura

tio

n (

%)

Compacté à OPN

Compacté à OPN-2%

Compacté à OPN+2%

etat initial (OPN)

etat initial (OPN-2%)

Etat initial (OPN+2%)

Argile de Boughrara

(WL=48% - Ip=28%)

C

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 10 20 30Teneur en eau (%)

Ind

ice

de

s v

ide

s

ligne de saturation

e= (�s/�w ) & A

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 16: Comportement hydrique d'une argile non saturée

Comportement d’une argile non saturée 343

Figure 7. Comparaison entre les chemins de drainage-humidification des matériaux initialement sous forme de pâte et compactés

4. Perméabilité de l’argile saturée

Des mesures de perméabilité ont été réalisées dans la cellule œdométrique sur

l’argile de Boughrara préparée d’une part sous forme de pâte et d’autre part

compactée à différents états initiaux (OPN, OPN-2 % et OPN+2 %), puis saturée

dans la cellule. La figure 8 présente la variation du coefficient de perméabilité en

fonction de la contrainte effective verticale pour ces différents états.

Pour des contraintes verticales très faibles (Vv~10 kPa), les coefficients de

perméabilités de la pâte et des échantillons compactés varient d’un facteur 100

environ (k = 4,2 10-7

m/s pour la pâte et k~1,7-5,7 10-9

m/s pour les échantillons

compactés). Par ailleurs, Les matériaux compactés à OPN, OPN-2 % et OPN+2 %,

puis saturés, ont des valeurs de perméabilité saturée très proches. Lorsque la

contrainte augmente, la perméabilité décroît en suivant une courbure de pente

croissante avec la contrainte. L’écart concernant les valeurs de k, constaté entre la

pâte et les échantillons compactés pour les faibles contraintes se réduit pour les

fortes contraintes pour atteindre un facteur 10 pour une contrainte verticale de

l’ordre de 2 MPa. La figure 9 présente ces résultats dans le plan [e, log k]. On

constate que la décroissance de la perméabilité avec l’indice des vides présente une

allure linéaire dans ce plan.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)

Ind

ice

de

s v

ides

Drainage Humidification OPN OPN-2% OPN+2%

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 17: Comportement hydrique d'une argile non saturée

344 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

Figure 8. Perméabilité saturée de l’argile de Boughrara en fonction de la contrainte appliquée pour différents états initiaux

Figure 9. Perméabilité saturée de l’argile de Boughrara en fonction de l’indice des vides pour différents états initiaux

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4

Contrainte effective verticale (kPa)

Pe

rmé

ab

ilit

é (

m/s

)

Pâte OPN OPN-2% OPN+2%

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

Indice des vides

Perm

éabilité (m

/s)

Pâte OPN OPN-2% OPN+2%

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 18: Comportement hydrique d'une argile non saturée

Comportement d’une argile non saturée 345

5. Perméabilité de l’argile non saturée

5.1. Modèle de Fredlund et Xing

Se basant sur l’interprétation de la courbe de rétention par le modèle de

Fredlund et Xing (Fredlund et al., 1994), la figure 10 présente la variation du

coefficient de perméabilité de l’argile préparée à différents états initiaux, en

fonction de la succion. On constate que les valeurs de perméabilité de la pâte

sont supérieures d’un facteur 100 environ par rapport à celles des matériaux

compactés. Ces derniers présentent des valeurs de k sensiblement proches.

Cependant, le matériau compacté à l’OPN+2 % présente des valeurs plus élevées

que les deux autres.

Figure 10. Courbes de perméabilité calculées par la méthode de Fredlund et Xing pour différents états initiaux (Pâte, OPN, OPN-2 % et OPN+2 %)

La superposition des variations du coefficient de perméabilité en fonction de la

contrainte verticale d’une part et de la succion de l’autre (figure 11) montre que des

incréments identiques de succion ou de contrainte effective appliquée produisent

approximativement la même variation du coefficient de perméabilité. Le même

constat peut être fait dans le plan k(e) où on peut conclure raisonnablement que des

incréments identiques d’indice des vides induisent la même variation de la

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6

Succion (kPa)

Pe

rmé

ab

ilit

é (

m/s

)

Pâte OPN+2% OPN-2% OPN

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

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er 2

014

Page 19: Comportement hydrique d'une argile non saturée

346 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

perméabilité. Ces constats confortent l’idée que la succion joue le même rôle que la

contrainte mécanique appliquée sur un sol saturé. On note que l’écart maximal entre

les valeurs de perméabilité déduites des fonctions k(Vv) et k(s) est de l’ordre d’un

facteur 10, un tel écart est de l’ordre de grandeur des incertitudes constatées dans les

mesures du coefficient de perméabilités sur différents matériaux dans la littérature

(Taibi, 1994).

Figure 11. Comparaison entre les perméabilités mesurées dans l’œdomètre et celles déduites des courbes de rétention par le modèle de Fredlund et Xing (1994)

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

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] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 20: Comportement hydrique d'une argile non saturée

Comportement d’une argile non saturée 347

5.2. Méthode des dessiccateurs à solutions salines

Figure 12. Evolution de la perméabilité de l’argile de Boughrara mesurée à l’aide de la méthode des solutions salines, en fonction de la succion et en fonction du degré de saturation mesuré

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3

Succion (MPa)

Perm

éabilité (m

/s)

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

0 10 20 30 40 50 60

degré de saturation (%)

Perm

éabilité (m

/s)

OPN OPN-2% OPN+2%

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

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] at

10:

10 1

0 O

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er 2

014

Page 21: Comportement hydrique d'une argile non saturée

348 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

Figure 13. Comparaison entre les valeurs de perméabilité calculées par le modèle de Fredlund & Xing à partir des courbes de rétention et celles mesurées à l’aide de la méthode des dessiccateurs

La figure 12 regroupe les résultats des mesures k(s) obtenues à l’aide de la

méthode des dessiccateurs à solutions salines. Le temps d’équilibre pour chacun des

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-09

1E-08

1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3

Pe

rmé

ab

ilit

é (

m/s

)

Succion (Mpa)

Dessiccateurs Fredlund & Xing (1994) Perméabilité à saturation

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-09

1E-08

0 20 40 60 80 100

Pe

rmé

ab

ilit

é (

m/s

)

Degré de saturation (%))

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 22: Comportement hydrique d'une argile non saturée

Comportement d’une argile non saturée 349

paliers de succion varie de 8 à 14 jours en fonction du gradient entre la succion

initiale de l’échantillon et la succion imposée par la solution saline. La variation de

la perméabilité est représentée dans les plans [log s, log k] et [Sr, log k]. On

remarque que les points expérimentaux des échantillons compactés à l’OPN-2 % se

situent au-dessous de ceux compactés à l’OPN et OPN+2 %. En revanche, ces deux

derniers ne présentent pas de décalage franc.

La figure 13 présente une comparaison des fonctions k(s) et k(Sr) estimées par le

modèle de Fredlund et Xing et celles des dessiccateurs à solutions salines. On

remarque que ces deux méthodes donnent des valeurs très proches dans le domaine

des faibles degrés de saturation (Sr<30 %) et l’écart observé pour des degrés de

saturation plus élevés est de l’ordre d’un facteur 10 environ. Par ailleurs,

l’association de ces deux méthodes permet de balayer la totalité du domaine de

saturation. En effet, la méthode des dessiccateurs est très pertinente lorsque le degré

de saturation varie de 0 à 60 %, alors que le modèle de Fredlund et Xing, exploitant

la courbe de rétention, permet de compléter le domaine du degré de saturation

variant de 60 à 100 % et de raccorder la fonction au point de mesure de la

perméabilité à saturation.

6. Validation de modèles donnant les fonctions k(s), k(Sr) et k(T�

Les propriétés hydrodynamiques telles que la conductivité hydraulique et la

rétention en eau des sols représentent un maillon essentiel pour la compréhension et

la modélisation du comportement hydrologique des sols. Par ailleurs, la lourdeur et

le coût des mesures de ces propriétés ont rendu indispensable le développement

d’outils d’estimation de ces propriétés. Beaucoup d’efforts ont été mobilisés dans ce

sens, on doit cependant reconnaître qu’il reste beaucoup à faire tant la demande se

fait de plus en plus exigeante (Touma, 2009).

Il existe 3 approches bien distinctes pour estimer la conductivité hydraulique

d’un sol :

– la première, qui a connu de nombreux développements depuis ses débuts il y a

environ vingt ans, est l’utilisation de fonctions de pédotransfert. Il s’agit de

fonctions mathématiques permettant d’estimer les courbes de rétention en eau et de

conductivité hydraulique à partir des caractéristiques du sol aisément accessibles

(texture, densité…) (Wösten et Nemes, 2004) ;

– la seconde approche consiste à acquérir des points expérimentaux des courbes

.�V) et T�V�, et de calibrer ensuite les relations afin que les courbes respectent au

mieux les données expérimentales (Kutílek et al., 2009) ;

– la dernière enfin est celle des méthodes dites inverses : ces méthodes ont connu

un engouement croissant, et de nombreuses innovations ont vu le jour. La méthode

d’estimation inverse consiste à modéliser l’expérience avec différentes

combinaisons de paramètres et à retenir celle qui permet de décrire au mieux les

résultats expérimentaux (Schneider, 2008).

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

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10:

10 1

0 O

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014

Page 23: Comportement hydrique d'une argile non saturée

350 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

Les modèles utilisés dans le présent travail sont classés en trois catégories ; selon

qu’il s’agit de la prédiction de la relation perméabilité-succion, perméabilité-teneur

en eau volumique ou encore perméabilité-degré de saturation. Les modèles faisant

partie d’une même catégorie sont comparés avec les mesures expérimentales dans

les dessiccateurs ainsi qu’avec les valeurs calculées par le modèle de Fredlund et

Xing (1994) utilisé auparavant. Des fonctions de régression ont été également

proposées, permettant l’extrapolation des valeurs de la perméabilité (Mualem et

Friedman, 1991) dans le domaine des faibles valeurs de succion. Pour discuter de la

qualité de la prédiction obtenue avec de tels modèles, nous avons calculé

l’indicateur d’écart standard RMSE (Root Mean Square Error) défini

par l’expression [8] :

� � � �> @0,5

1

2

N

1RMSE »

¼

º«¬

ª�¸

¹

ᬩ

§ ¦

N

i

estiméemesurée kk loglog

[8]

où kmesurée et kestimée représentent respectivement les valeurs de la conductivité

hydraulique non saturée mesurées expérimentalement, et estimées par les modèles

de prédiction de la perméabilité. N indique le nombre des données de la

perméabilité ; une faible valeur de RMSE indique une faible déviation ou un bon

accord entre les valeurs estimées et mesurées. (Zhuang et al., 2001).

6.1. Prédiction des fonctions k-�

L’une des fonctions analytiques K(�) la plus utilisée est celle du modèle Van

Genuchten (1980), qui s’écrit :

k(T) = ks 4 p [1-(1-41/m

)m]

2 [9]

avec ks coefficient de perméabilité à saturation, , = (�-�r)/(�s-�r) est la teneur en eau

volumique effective, m est un paramètre de forme, �r et �s sont respectivement la

teneur en eau volumique résiduelle et la teneur en eau volumique à saturation.

Par ailleurs, une autre famille de modèles dérive du modèle de Brooks et Corey

(1966). Le modèle original de Brooks et Corey s’écrit :

n

rs

rskk ¸̧

¹

·¨̈©

§

TT

TTT )(

[10]

Il est à l’origine de beaucoup de variantes dans la littérature ; Vachaud (1966) et

Boreli et Vachaud (1966) ont proposé respectivement une valeur de 2,5 et 3,5 pour

la puissance n. Campbell (1974), en supposant que �r = 0, a proposé l’expression

suivante :

Dow

nloa

ded

by [

Eas

tern

Mic

higa

n U

nive

rsity

] at

10:

10 1

0 O

ctob

er 2

014

Page 24: Comportement hydrique d'une argile non saturée

Comportement d’une argile non saturée 351

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¸̧¹

·¨̈©

§

s

s�

�k�k

[11]

avec n = 2b+3 ; b représente la pente de la courbe log % - log �. Cette expression a

été validée par Ahuja (1973, 1974), Gillham et al. (1976), Zachmann et al. (1981) et

Hillel (1982). Alexander et Skaggs (1986) ont proposé une variante de ce modèle

appelée modèle A-S, où la puissance n = b+3. Poulsen et al. (1999) ont proposé une

variante du modèle de Campbell, surnommé modèle DLC (Double Log Conductivity) dont la puissance n vaut 2b+10/3.

Davidson et al. (1969) et Dane et Klute (1977) plus tard, ont proposé une

expression en exponentielle sous la forme :

� � � �sbe

TT � sk�k

[12]

Plus récemment, Peters et Durner (2008) ont proposé un modèle couplant un

modèle de type écoulement capillaire et un modèle de type film flow. Ce type de

modèle permet de modéliser la conductivité hydraulique pour les très faibles degrés

de saturation, là où l’écoulement capillaire devient négligeable (Lenormand, 1990 ;

Toledo et al., 1990 ; Goss et Madliger, 2007).

6.2. Prédiction des fonctions k-Sr

Différents modèles empiriques sont proposés dans la littérature pour approcher

la relation k(Sr). Les premiers modèles s’écrivaient (Irmay, 1954 ; Corey, 1957) :

n

res

ress Sr

SrSrkSrk ¸̧

¹

·¨̈©

§

1)(

[13]

avec Srres est le degré de saturation résiduel, la valeur de n vaut 3 pour Irmay (1954)

et 4 pour Corey (1957). Brutsaert (1968) a proposé une expression plus simple sous

la forme : k(Sr) = ks Src, où c est un paramètre d’ajustement. Plus récemment,

Vanapalli et Lobbezoo (2002) ont proposé un modèle basé sur le calage sur des

dizaines de résultats expérimentaux de la littérature, d’expression :

k(Sr)= ks 10(7.9 vlog Sr)

[14]

avec :

� = 14,08(IP)2+9,4(IP)+0,75 ;

ks : perméabilité à saturation et Ip l’indice de plasticité du matériau.

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352 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

6.3. Prédiction des fonctions k-s

Parmi les fonctions k(s) proposées dans la littérature, on cite ceux bien connus de

Gardner (1960) qui s’exprime sous la forme :

a

ak)k(n

s

�\ \

[15]

Brooks et Corey (1964) ont proposé une expression un peu différente sous la forme :

P

¸¹

ᬩ

§\\

\e

sk)(k

[16]

Rijtema (1965) a proposé la relation suivante :

)aexp(k)(k s

\ \

[17]

Russo (1988) a proposé une relation en exponentielle sous la forme : k(\) = ks eD\

,

avec ks : perméabilité à saturation ; \ : potentiel capillaire du sol. (\ = s/�w) et D une

constante empirique.

y = 4E-17e15,28x

R² = 0.89

1E-18

1E-17

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-09

1E-08

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Pe

rmé

ab

ilit

é (

m/

s)

Degré de saturation

Fredlund & Xing (1994) Points expérimentaux Irmay (1954)

Corey 1963 Brutsaert (1968) Vanapalli & Lobbezoo (2002)

Fonction k(Sr) proposée

Figure 14. Comparaison entre les résultats expérimentaux et quelques modèles de perméabilité dans le plan k(Sr)

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Comportement d’une argile non saturée 353

y = 4E-12x-2

R² = 0.87

1E-20

1E-18

1E-16

1E-14

1E-12

1E-10

1E-8

1E-6

1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 1E+3

Pe

rmé

ab

ilit

é (

m/

s)

Succion (MPa)

Fredlund & Xing (1994) Russo (1988) Rijtema (1965)

Gardner (1960) Brooks et Corey (1964) Fonction k(s) proposée

Points expérimentaux

Figure 15. Comparaison entre les résultats expérimentaux et quelques modèles empiriques dans le plan k(s)

Figure 16. Comparaison entre les résultats expérimentaux et quelques modèles empiriques dans le plan k(�)

y = 9E-17e33,77x

R² = 0.86

1E-17

1E-16

1E-15

1E-14

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-09

1E-08

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Pe

rmé

ab

ilit

é (

m/s

)

Teneur en eau volumique (m3/m3)

Van Genuchten (1980) Brooks et Corey (1966) & Campbell (1974)

Vachaud (1966) Boreli et Vachaud (1966)

Poulsen et al. (1999) Alexander et Skaggs (1986)

Fredlund & Xing (1994) Fonction k(}) proposée

Points expérimentaux

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354 EJECE. Volume 14 – No. 3/2010

Les comparaisons des modèles de prédiction utilisés avec les résultats

expérimentaux et avec le modèle de Fredlund et Xing (1994) sont représentées sur

les figures 14, 15 et 16 suivant les plans [k, Sr], [k, s] et [k, �]. Les paramètres des

modèles (tableau 6) sont classés en deux catégories : des paramètres physiques qui

se déterminent par des mesures expérimentales, et des paramètres empiriques dits

d’ajustement qui n’ont pas un sens physique bien défini. Rappelons que les valeurs

des paramètres empiriques ont été choisies de manière à obtenir le meilleur accord

entre le modèle et les mesures expérimentales. L’analyse a été faite pour le matériau

préparé initialement à OPN. Les valeurs de l’indicateur de l’écart RMSE sont

également mentionnées dans le tableau 6.

6.4. Discussion

Paramètres Modèles utilisés

Physiques empiriques RMSE

Irmay (1954) ks = 1,69. 10-9 m/s

Srres = 0,02 2,789

Corey (1957) ks = 1,69. 10-9 m/s

Srres = 0,02 2,399

Brutsaert (1968) ks = 1,69. 10-9 m/s c = 7 1,662

Vanapalli et Lobbezoo

(2002)

ks = 1,69. 10-9 m/s

Ip = 0,28 13,172

Gardner (1960) ks = 1,69. 10-9 m/s n = 2, a = 0,01 0,586

Brooks et Corey

(1964)

ks = 1,69. 10-9 m/s

%e = 0,9 MPa � = 2,5 2,287

Rijtema (1965) ks = 1,69. 10-9 m/s . = 1 31,778

Russo (1988) ks = 1,69. 10-9 m/s . = -1 3,118

Brooks et Corey

(1966) et Campbell

(1974)

ks=1,69. 10-9 m/s

�s=0.45 b=1.11 1,885

Van Genuchten (1980)ks = 1,69. 10-9 m/s

�r = 0,006 ; �s = 0,45

P = 0,5

m = 0,4 1,291

Alexander et Skaggs

(1986)

ks = 1,69. 10-9 m/s

�s = 0,45 ; b = 1,11 -- 2,299

Vachaud (1966) ks = 1,69. 10-9 m/s

�r = 0,006 ; �s = 0,45 2,963

Boreli et Vachaud

(1966)

ks = 1,69. 10-9 m/s

�r = 0,006 ; �s = 0,45 2,488

Fredlund et Xing

(1994) ks = 1,69. 10-9 m/s m = 10 0,843

Poulsen et al. (1999) ks = 1,69. 10-9 m/s

�s = 0,45 ; b = 1,11 -- 1,786

Tableau 6. Paramètres des modèles testés pour l’argile de Boughrara préparée initialement à OPN

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Comportement d’une argile non saturée 355

L’observation des valeurs du tableau 6 permet de constater que

sur les 15 modèles utilisés, ceux de Gardner (1960) et de Fredlund & Xing (1994)

offrent le RMSE le plus faible i.e. 0,586 log cm.s-1

et 0,843 log cm.s-1

respectivement, indiquant ainsi une meilleure qualité de prédiction de la

conductivité hydraulique en conditions non saturées, en comparaison avec le reste

des modèles utilisés. Les modèles qui viennent en second rang sont de Van

Genuchten (1980) avec une valeur de RMSE de 1,291 log cm.s-1

, puis celui de

Brutsaert (1968) avec un RMSE égal à 1,662 log cm.s-1

ensuite les modèles de

Poulsen et al. (1999) et de Brooks et Corey (1966) et Campbell (1974) avec des

valeurs de RMSE de 1,786 log cm.s-1

et 1,885 log cm.s-1

respectivement.

Fonction proposée R2 RMSE

k(s) 4E-12x-2 0,87 0,218

k(Sr) 4E-17e15,28x 0,89 0,246

k(�) 9E-17e33,77x 0,86 0,308

Tableau 7. Fonctions de régression proposées pour l’argile de Boughrara préparée initialement à OPN

Par contraste, neuf modèles produisent un large écart quant à la prédiction de la

conductivité hydraulique, on cite les modèles d’Alexander et Skaggs (1986), Brooks

et Corey (1964), de Corey (1957), de Boreli et Vachaud (1966), d’Irmay (1954), de

Vachaud (1966), de Russo (1988), de Vanapalli et Lobbezoo (2002) et enfin celui de

Rijtema (1965) avec des valeurs respectives de RMSE de 2,299 log cm.s-1

;

2,287 log cm.s-1

; 2,399 log cm.s-1

; 2,488 log cm.s-1

; 2,789 log cm.s-1

;

2,963 log cm.s-1

; 3,118 log cm.s-1

; 13,172 log cm.s-1

et enfin 31,778 log cm.s-1

,

sachant qu’une valeur de RMSE égale à l’unité correspond à un décalage de 10 fois

par rapport aux données mesurées expérimentalement, et 2 log cm.s-1

correspond à

une déviation de 100 fois et ainsi de suite. Par ailleurs, la valeur du RMSE renvoie à

la notion de l’applicabilité de tel ou tel modèle pour telle ou telle classe de sol, donc

le fait que les modèles de Gardner (1960) ou bien celui de Fredlund et Xing (1994)

donnent un meilleur accord avec les données expérimentales obtenus dans le cadre

de ce travail, ne signifie nullement que les autres modèles ne pourraient pas l’être

pour d’autres classes de sol. En outre, les figures 14, 15 et 16 font apparaître

aisément le bon accord de ces modèles dans certaines plages de valeurs de succion,

du degré de saturation ou encore de teneur en eau volumique. A titre indicatif, le

modèle de Van Genuchten (1980) donne de bons résultats entre 0,06 et 0,45 de

teneur en eau volumique (presque sur toute l’étendue de l’axe des teneurs en eau

volumiques). Le reste des modèles offrent plutôt une bonne approximation dans le

domaine proche de la saturation, dans le cas, notamment de leur comparaison avec

les fonctions de régression proposées (tableau 7) qui s’avèrent relativement bonnes

vu les valeurs raisonnables de R2 et RMSE fournies.

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7. Conclusions

Les mesures des caractéristiques hydriques de l’argile du noyau de barrage de

Boughrara permettent de conclure ce qui suit :

– sur une gamme de succion variant de 0 à 0,1 MPa, la perméabilité déduite par

le modèle de Fredlund et Xing (1994) reste approximativement de l’ordre de

grandeur de celle mesurée à l’état saturé, car la diminution de la teneur en eau au

début est compensée par la diminution de l’indice des vides ;

– l’utilisation de deux techniques complémentaires pour l’imposition de la

succion (méthode osmotique et méthode des solutions salines saturées) permet de

décrire les chemins de drainage-humidification sur une large gamme de succion

(jusqu’à 340 MPa), permettant ainsi d’en déduire de très faibles valeurs de

perméabilité via la méthode d’interprétation de Fredlund et Xing (k~ 10-16

m/s) ;

– dans le domaine des succions où le sol reste saturé, des incréments identiques

de succion ou de contrainte mécanique appliquée, induisent la même variation

d’indice des vides. Ceci conforte l’idée de la validité du principe de contrainte

effective dans le domaine saturé à succion non nulle, tant que cette succion ne

dépasse pas sa valeur de limite de retrait ;

– la comparaison des fonctions de perméabilité k(V’v) mesurée à l’oedomètre et

k(s) déduite des courbes de rétention à l’aide du modèle de Fredlund et Xing (1994),

a montré que des incréments identiques de succion ou de contrainte mécanique,

produisent la même variation de perméabilité tant que le sol reste saturé ;

– concernant l’argile de Boughrara compactée et non saturée, le matériau

compacté initialement à OPN-2 % semble moins perméable que ceux compactés à

OPN et OPN+2 %. Le seul critère de perméabilité imposerait dans ce cas un

compactage côté sec pour les noyaux de barrages. Néanmoins, d’autres critères

orientent le compactage plutôt côté humide, pour éviter certains phénomènes tels

que l’effondrement ;

– les modèles de Gardner (1960) et de Fredlund et Xing (1994) dans les plans

[k, s], [k, Sr] et [k, �] ainsi que le modèle de Van Genuchten (1980) dans le plan [k,

�], reproduisent relativement bien les mesures de la perméabilité du matériau de

Boughrara par la méthode expérimentale des dessiccateurs.

– certains modèles permettent donc de prédire de façon acceptable la fonction de

perméabilité du matériau étudié, néanmoins il faut les considérer avec beaucoup de

réserve et être conscient qu’aucun modèle ne peut nous dispenser de la mesure in situ ou au laboratoire.

Remerciements

Le présent travail a été réalisé dans le cadre du projet PAI CMEP TASSILI (réf.

06/MDU/690) entre l’université A. Belkaid, Tlemcen (Algérie) et l’université du

Havre (France).

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Comportement d’une argile non saturée 357

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Received: 31 March 2009

Accepted: 7 December 2009

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