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Etude expérimentale et numérique de la Sédimentation/Consolidation de sols à très forte teneur en eau
Gilbert LE BRAS (IUT de st nazaire, Dépt. Génie Civil)Alain ALEXIS (GeM)
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Introduction
Domaine scientifique : comportement des milieux poreux naturels très déformables interdisciplinarité: hydraulique-géotechnique amélioration des connaissances sur les dépôts de sédiments finsDomaines d’application : gestion environnementale des zones aménagées : envasements des souilles, chenaux, retenues de barrage , parc régional de Briére gestion industrielle : boues de lavage de granulats (carrières)
Programmes et contrats:
•Pr Eu MAST 1 et 2 , Pr Nat CARR’EAU ( BRGM)
•EDF-LNHE, BRGM, Parc régional de Brière
Port de Trentemout (Nantes)
Réservoir du barrage d’Oytier (Alpes)
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x
Temps t
H0
0
Théorie de sédimentation : Kynch (1952) Théorie de consolidation : Gibson et al.(1967)
Introduction
Processus de sédimentation-consolidation
Chute entravée
Consolidation
Sédimentation libre
Courbe de tassement et lignes caractéristiques
Interface eau-sédiment
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Objectif
Etude du processus de sédimentation-consolidation des sédiments fins cohésifs
- par un système de mesure spécifique non destructive, - permettant d’accéder à des lois de comportement utilisables en simulation
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Situation dans le cadre des travaux de l’équipe
Simulation• 1DV compressible : compressibilité des phase solide et fluide
Alexis,Gallois (1995)
Expérimentation• Création du système expérimental original
Alexis,Le Bras (2000)
Expérimentation• Développement du système expérimental ;• Essais sédimentation-consolidation à 50, 100, 200 g/l• Essais paramétriques : floculation, ségrégation Simulation
• 1DV incompressible :Modèle numérique et en tenant compte de la ségrégation
Expérimentation• Amélioration du système expérimental• Essais sans et avec ségrégation
Alexis,Le Bras,Nguyen(2008)
Application auxapports successifs
Application aux dépôts à terre
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Plan de la présentation
1. Etude expérimentale en laboratoire
2. Modélisation numérique
3. Extension à la ségrégation
4. Application industrielle
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Capteur de position
Colonne de sédiment
Input Output
Capteur de pression
Scrutateur rotatif
Buses de prise de pression
Tube de connexion Verscommandemoteur des
déplacementsdu chariot
Unité de contrôleet de données
1500mm
Scintillomètre
Mixture
Moteur électrique
Calculateurde densité
SourceGammadensimètre
Système expérimental : Gamma-densimètre
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Concentration initiale
Concentration volumique
Indice des vides Porosité Densité Concentration massique
c=1-n=1/(1+e) e n=e/(1+e) d=1+1,7c C=2700.c[ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [g/l]0 1 1 0
0,019 53,054 0,982 1,031 50
0,037 26,000 0,096 1,063 100
0,074 12,500 0,926 1,126 200
0,250 3,000 0,750 1,425 675
0,555 0,800 0,445 1,944 1500
1,000 0,000 0,000 2,700 2700
Eau
Domaine hydraulique
Domaine intermédiaire
Domaine géotechnique
Solid
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0
10
20
30
40
0,1 1 10 100Diamètre [m]
[%]
Kaolin
Caractéristiques des matériaux
33 %22Vase de Méan
12 %17Vase de Rezé
98 %200Sable Fontainebleau
9 %8Vase d’Oytier
4 %2Kaolin
Refus à 63 md50 [m]Matériaux
10-1
100
101
102
1030
20
40
60
80
100
Diamètre des grains [micromètre]
Tam
isat
[%]
Courbe Granulométrique
Vase d'OytierKaolinVase de RezéVase de Méan
Matériau reconstitué
Vase naturelle
0
5
10
15
0,1 1 10 100 1000Diamètre [m]
[%]
Vase naturelle de Méan
01020304050
0,1 1 10 100 1000Diamètre [m]
[%]
Sable de FontainebleauKaolin
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0 0.05 0.1 0.15 0.20
100200300400500600700800900
1000110012001300140015001500
Concentration volumique c [-]
x [m
m]
Kao (100%Kaolin-C=100g/l)
1.33mn3h6h12h1j2j4j8j16j32j
1.33mn
3h
6h
12h1j
8j4j2j
16j
32j
Résultats expérimentaux
Profils de la concentration volumique Profils de la surpression interstitielle
0 200 400 600 8000
100200300400500600700800900
1000110012001300140015001500
Surpression interstielle [Pa]
x [m
m]
Kao (100% Kaolin-C=100g/l)
1.33mn3h6h12h1j2j4j8j16j32j
32j
12h
1j
2j
4j
8j16j
1.33mn
3h
6h
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Procédure de traitement des données
Densité mesuréex,t correspondants
Maillage :
x imposés
t imposés
Pression mesurée x,t correspondants
Contrainte effective’ = -uw= n-u [Pa]
Perméabilité réduite kr = k.c [m/s]
Concentration volumique, Surpression interstitielle
Contrainte totale nette, Gradient hydraulique, Vitesse de chute
Spécificités du système expérimental
Trajectoire
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Résultats expérimentaux : matériaux fins cohésifs
Trajectoire des particules
102 104 1060
500
1000
1500
Log(temps) t [s]
x [m
m]
Kao (100%Kaolin - C=100g/l)
100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Pa
12h45mn 2j 8j 32jt = 0 t = 32j
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Résultats expérimentaux : Lois de comportement
Kaolin 100g/l
Vase Rezé 100g/l
0 100 200 300 400 500 600 700 800800
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Contrainte effective [Pa]
Con
cent
ratio
n vo
lum
ique
c [-
]
100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Paloi puissance
0 100 200 300 400 500 600 700 800
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Contrainte effective [Pa]
Con
cent
ratio
n vo
lum
ique
c [-
]
100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Paloi puissance
' Bv (c) A c
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Perméabilité réduite kr [m/s]
Con
cent
ratio
n vo
lum
ique
c [-
]
100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Pa
r rok (c) k 1 c
10-8 10-7 10-6 10-5 10-4
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Perméabilité réduite kr [m/s]
Con
cnet
ratio
n vo
lum
ique
c [-
]
100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800PaFitting
kr'
c
c
Sédiment ARTIFICIEL
Sédiment NATUREL
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Modèle théorique
1. Equation de conservation
2. Equation d’équilibre
3. Postulat de Terzaghi
4a. Loi de Darcy4b. Contrainte effective
' 's v
r rw w
c 1c k k
Advection Diffusi
x
on
0t x x
s
Soc vc
lide
t x
w1 c v1 ct x
fluide
'v v w v hu u u
mw
k(c) uv k(c) ix
'v (c)
vs wc (1 c)
x
Principales équations
Equation de sédimentation - consolidation
Simulation
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Résultats de simulation : Kaolin 100g/l
Trajectoires des particules
Profils de concentration
102
104
1060
500
1000
15001500
log(temps) t [s]x
[mm
]
Simulation - Kaolin C=100g/l
100Pa200Pa300Pa400Pa500Pa600Pa700Pa800Pa
32j8j1j
Temps de calcul :20 min pour une durée physique de 32 javec t=20s et x=10mm)
0 0.05 0.1 0.15 0.20
100200300400500600700800900
1000110012001300140015001500
Concentration volumique c [-]
x [m
m]
Simulation - Kaolin C=100g/l
1.33mn3h6h1j2j8j32jdata 1.33mndata 3hdata 6hdata 1jdata 2jdata 8jdata 32j
3h 1.33mn
6h
1j
2j
8j
32j
simulation
mesures
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Synthèse de la partie simulation
Equations de sédimentation-consolidation 1 DV en grandes déformations qui utilisent une loi de contrainte effective et de perméabilité,
Simulation d’un essai sur le kaolin : comparaison satisfaisante
Calcul fiable et rapide d’un cas de sédimentation-consolidation par une approche continue
Dans le cas d’un matériau naturel,quel est le rôle de la fraction grossière ?
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Application industrielle
Problématique : L’accumulation des sédiments au pied d’un barrage peut colmater la vanne de vidange de fond. Les dépôts formés diminuent la capacité du réservoir. L’envasement des retenues de barrage est lié au processus de sédimentation-consolidation.
Objectif : Donner des éléments d’appréciation (évolution des concentrationset des résistances) de la faisabilité des méthodes de soutirage de sédiment frais derrière les barrages hydroélectriques.
C
B
D A
Aval
Barrage d’Oytier (20 Avril 2006)
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Application industrielle
Mesures in-situ
Apports des sédiments dans le dépôt
Apports successifs
Consolidation du dépôt
962
964
966
968
970
972
974
976
978
980
982
984
986
0 100 200 300 400 500
Concentrations g/l
Cot
es N
GF
19-avr20-avr21-avr22-avrplan d'eau
805404317321521501
fin [jours]Ca [g/l]Phase
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Application industrielle
Modélisation numérique des apports
0 500 10000
2
4
6
8
10
12
Concentration C [g/l]
x [m
]
Cas 1
0j1j (1,06j)2j (1,96j)3j (3,04j)4j (prévision)8j (prévision)
2j
8j
4j3j
1j0j
Consolidation du dépôt
962
964
966
968
970
972
974
976
978
980
982
984
986
0 100 200 300 400 500
Concentrations g/l
Cot
es N
GF
19-avr20-avr21-avr22-avrplan d'eau
Profils de concentration mesurée (par EDF)Profils de concentration
Modification au code de sédimentation-consolidationpour tenir compte des apports successifs
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Synthèse de la partie applications
Expérimentation sur le matériau prélevé : Evolution de la concentration Evolution de la résistance avec la concentration et le temps
Modélisation des apports successifs
Comparaison seulement qualitative car problème de représentativité du matériau prélevé
Evolution de la résistance intéressante pour l’étude de faisabilité du soutirage
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Conclusions
Rappel des objectifs : Regard plus général sur le processus de sédimentation-consolidation
Etude du phénomène de sédimentation-consolidation : connaissances sur le comportement des sols de très forte teneur en eau
Rôle de la fraction grossière
Partie expérimentale : Amélioration du système expérimental
Réalisation d’une colonne de prélèvement
Développement d’un nouveau pénétromètre
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Conclusions
Application industrielle : Simulation des apports successifs
Evolution de la cohésion
Application à la faisabilité du soutirage
Partie numérique : Réalisation d’un code de dépouillement
Réalisation d’un code de sédimentation-consolidation
Réalisation de l’extension à la ségrégation
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Perspectives
Perspectives expérimentales Réalisation d’essais sur des colonnes de plusieurs mètres de hauteur
Essais paramétriques en fonction de la composition du matériau
Adaptation du pénétromètre à des campagnes de mesures in-situ
Amélioration de la représentativité des méthodes de prélèvement
Prolongement des essais de ségrégation avec prélèvement
Perspectives numériquesExtension de la modélisation à la prise en compte d’une granulométrie continue
Rendre plus opérationnel le code de simulation
Intégration du modèle de ségrégation-sédimentation-consolidation dans des codes plus généraux (Télémac )