Experimental investigation of water evaporation from sand and clay using an environmental chamber

par Weikang Song

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Yu Jun Cui.

Soutenue le 10-03-2014

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Navier (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre-Yves Hicher.

Le jury était composé de Yu Jun Cui, Hehua Zhu, Liangtong Zhan, Weimin Ye, Wenqi Ding.

Les rapporteurs étaient De'an Sun.

  • Titre traduit

    Etude d’évaporation d’eau d’un sable et d’une argile à l’aide d’une chambre environnementale


  • Résumé

    Il est bien connu que l'évaporation d'eau joue un rôle essentiel dans l'interaction entre le sol et l'atmosphère. Pendant le processus d'évaporation, le comportement thermo-hydro-mécanique des sols change, engendrant ainsi des problèmes préoccupants. Ceci peut concerner différents domaines comme l'agronomie, l'hydrologie, la science des sols, la géotechnique, etc. Par conséquent, il est essentiel d'étudier les mécanismes d'évaporation de façon approfondie. Cette étude porte sur les mécanismes d'évaporation dans des conditions atmosphériques contrôlées. Le sable de Fontainebleau et l'argile d'Hércourt utilisée pour la construction du remblai expérimental dans le cadre du projet ANR TerDOUEST (Terrassements Durables - Ouvrages en Sols Traités, 2008-2012) ont été étudiés à cet effet. Une chambre environnementale (900 mm de haut, 800 mm de large et 1000 mm de long) équipée de différents capteurs a d'abord été développée, permettant un suivi complet des paramètres concernant l'atmosphère et le sol au cours d'évaporation. Quatre essais expérimentaux ont été réalisés sur le sable de Fontainebleau compacté à une densité sèche de 1,70 Mg/m3, avec une nappe phréatique constante au fond de l'échantillon, et sous différentes conditions atmosphériques (différentes valeurs de l'humidité relative de l'air, de la température et du débit d'air). La pertinence du système a été mise en évidence par la bonne qualité des résultats. La température de l'air à l'intérieur de la chambre a été trouvée affectée par la température du tube de chauffage, le débit d'air et l'évaporation d'eau; la température du sol est fortement affectée par les conditions atmosphériques et l'état d'avancement de l'évaporation ; l'humidité relative dans la chambre diminue au cours du temps et son évolution peut être considérée comme un indicateur du processus d' évaporation ; la teneur en eau volumique dans la zone proche de la surface est fortement influencée par le processus d'évaporation et présente une relation linéaire avec la profondeur ; la succion du sol diminue avec la profondeur et augmente au fil du temps ; le taux d'évaporation est fortement affecté par les conditions de l'air en particulier dans la phase initiale de vitesse d'évaporation constante. Après les essais sur le sable de Fontainebleau, l'échantillon de l'argile d'Hércourt compactée à une densité sèche de 1,40 Mg/m3 a été soumis à une infiltration d'eau afin d'étudier ses propriétés hydrauliques. Pour obtenir un meilleur aperçu du mécanisme d'évaporation pour l'argile, deux essais d'évaporation sur l'argile d'Hércourt compactée avec une nappe phréatique constante au fond de l'échantillon ont été effectuées sous des conditions atmosphériques contrôlées. Les résultats permettent de comprendre les mécanismes d'évaporation en cas de fissuration due à la dessiccation. En outre, afin d'étudier les mécanismes d'évaporation potentiels, des essais avec une couche d'eau libre ont été également réalisés en faisant varier la vitesse du vent et la température de l'air. L'initiation et la propagation de fissures de dessiccation pendant le processus d'évaporation et son effet sur l'évaporation ont également été étudiés par la technique de traitement d'image. En termes de modélisation, le taux d'évaporation potentiel a été modélisé à travers l'évaluation des modèles existants et des modèles combinés. Il apparait que le modèle développé par Ta (2009) est le plus approprié. Le taux d'évaporation réelle depuis le sable a été ensuite analysé. Il semble important de considérer l'avancement du front sec pendant le processus d'évaporation pour les sols sableux. Pour l'argile d'Héricourt, une bonne prévision a été également obtenue en utilisant un modèle qui tient compte de l'effet des fissures de dessiccation


  • Résumé

    As a well-known phenomenon, soil water evaporation plays an important role in the interaction between soil and atmosphere. Water evaporates during this process resulting in changes of soil thermo-hydro-mechanical behavior and in turn causing problems in different domains such as agronomy, hydrology, soil science, geotechnical engineering, etc. Therefore, it is essential to investigate the soil water evaporation mechanisms in depth.This study deals with the soil water evaporation mechanisms under controlled atmospheric conditions. The Fontainebleau sand and the Hércourt clay used for the construction of the experimental embankment with the ANR project TerDOUEST (Terrassements Durables - Ouvrages en Sols Traités, 2008 - 2012) were used in this investigation. A large-scale environmental chamber system (900 mm high, 800 mm large and 1000 mm long) equipped with various sensors was firstly developed, allowing a full monitoring of both atmospheric and soil parameters during the evaporation process. Four experimental tests were carried out on the Fontainebleau sand compacted at 1.70 Mg/m3 dry density with a steady water table at soil bottom under different atmospheric conditions (different values of air relative humidity, temperature and air flow rate). The performance of the environmental chamber system in investigating soil water evaporation was evidenced by the quality and the relevance of results. The air temperature inside the chamber was found to be affected by the heating tube temperature, the air flow rate and the soil water evaporation process; the soil temperature was strongly affected by the air conditions and the evaporation progress; the relative humidity in the chamber was decreasing during the evaporation progress and its evolution could be considered as an indicator of the evaporation progress; the volumetric water content in the near-surface zone was strongly affected by the evaporation process and exhibited a linear relationship with depth; the soil suction was decreasing over depth and increasing over time; the evaporation rate was strongly affected by the air conditions especially at the initial constant evaporation rate stage. After the tests on the Fontainebleau sand, the Hércourt clay sample compacted at 1.40 Mg/m3 dry density was subjected to an infiltration experiment for investigating its hydraulic properties. To get a better insight into the water evaporation mechanism for clay, two compacted Hércourt clay evaporation tests with a steady water table at bottom were carried out under controlled atmospheric conditions. The results allow understanding the evaporation mechanisms in case of desiccation cracks. Furthermore, in order to investigate the potential evaporation mechanisms, tests with a free water layer was also conducted with varying wind speed and air temperature. The initiation and propagation of desiccation cracking during the evaporation process and its effect on water evaporation were also investigated by the digital image processing technique. In terms of modeling, the potential evaporation rate was first modeled through evaluation of the existing models and the combined models. It reveals that the model developed by Ta (2009) is the most appropriate one. The actual evaporation rate for sand was then analyzed. It appears important to consider the progress of the dry front during the evaporation process for sandy soils. For the Héricourt clay, good simulation was also obtained using a model that accounts for the effect of desiccations cracks


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