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Propriétés du sol gelé
Généralités
Angle de frottement interne Φ et cohésion C
Salinité
Teneur en eau
Capacité calorifique C
Conductivité thermique k
Chaleur latente de fusion L
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Généralités
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Le sol congelé est composé d’un squelette solide de sol et d’une matrice poreuse (glace+eau liquide+air). Le comportement est dépendant des changements physiques qui ont lieu en continue au cours du temps et qui sont fonction de la température, de l’état de contrainte et des efforts appliqués. Notons que ces rapports varient suivant le type de sol.
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Les mécanismes physiques influant sur la résistance immédiate ou à long terme dépendent de trois paramètres : la résistance de la glace, la résistance du sol et l’interaction entre le squelette du sol et la glace.
Les tests sont habituellement effectués à une température comprise entre -10°C et -20°C ou une température correspondant aux températures allant être appliquées sur le chantier.
En compression uniaxiale, il est judicieux de prendre une vitesse de déformation de 1% (par rapport à la hauteur initiale de l’éprouvette) par minute, et pour l’essai triaxial 0,1% par minute.
Dans le sol, la transmission de la chaleur dépend des propriétés physiques des particules, de leur degré de compacité et de la teneur en humidité. Le sol étant poreux et contenant des quantités variables d'air et d'eau, l'analyse du flux de chaleur dans le sol est beaucoup plus compliquée que dans un corps solide homogène dont la conductivité thermique et la capacité calorifique sont des paramètres établis, bien définis. Le sol se compose de particules minérales, de matières organiques et de pores qui peuvent contenir soit de l'eau, soit de l'air. Ces éléments ont tous des caractéristiques thermiques très différentes.
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Angle de frottement interne Φ et cohésion C
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L’angle de frottement interne Φ pour un sol congelé est égal ou légèrement inférieur au sol non congelé. La cohésion d'un sol congelé est, logiquement, largement supérieure à celle d'un sol non congelé.
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Salinité
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La teneur en sel est bien entendu un facteur non négligeable, qu'il faut mesurer au cas par cas. Plus la teneur en sel est importante moins le sol congelé sera résistant.
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Teneur en eau w
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Le composant assurant une bonne résistance dans le sol congelé est l'eau qui sera transformée en glace au cours du processus. Il est donc important de connaître la teneur en eau pour voir si la congélation est applicable et dans quelle mesure. Plus le degré de saturation est important, plus la résistance du sol congelé sera importante. Dans presque tous les chantiers, les sols sont saturés et la teneur en eau est directement liée à l'indice des vides.
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Capacité calorifique C [J.-3.°C-1]
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La capacité calorifique C est l’énergie thermique nécessaire par unité de volume pour faire augmenter la température de ce volume de 1°C. Nous pouvons voir l’évolution de cette propriété pour l’eau (liquide et solide) et des minéraux en fonction de la température sur le graphique suivant :
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La capacité calorifique est un produit de la capacité calorifique massique Cm exprimée en [J.-3.°C-1], et de la densité ρd [kg.m-3].
La moyenne volumétrique de la capacité calorifique pour un sol non congelé (Cu) et congelé (Cf) est donnée par les équations suivantes :
Cu = ρd . (Cm.s + Cm.w.w)
Cf = ρd . (Cm.s + Cm.w.wu + Cm.i . (w-wu))
Où l’on a:
C la capacité thermique volumique [kg.m-3.°C-1]
ρd la masse volumique sèche [kg.m-3]
Cm.s la capacité thermique des particules du sol
700 à 840 J.kg-1.°C-1
Cm.w la capacité thermique de l’eau liquide
4200 J.kg-1.°C-1
Cm.i la capacité thermique de la glace
2100 J.kg-1.°C-1
(ratio en masse)
wu la teneur en eau liquide
La teneur en eau liquide contenu dans le sol dépend de la température et du type de sol comme on peut le voir sur le graphique ci-dessous.
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Conductivité thermique k
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La conductivité thermique représente la quantité de chaleur traversant une unité de surface de sol d'une unité d'épaisseur au cours d'une unité de temps sous une unité de gradient thermique. Comme la conductivité thermique de la glace est supérieure à celle de l'eau liquide, la conductivité thermique d'un sol congelé est en général supérieure à celle d'un sol non congelé.
La conductivité thermique est également fonction du pourcentage de quartz contenu dans le sol. Notons que la conductivité thermique des particules minérales est cinq fois plus élevée que celle de l'eau, dix fois plus élevée que celle des matières organiques et cent fois plus élevées que celle de l'air. Par conséquent, la conductivité thermique d'un sol peut varier considérablement selon le pourcentage de ces éléments.
Même si le sol présente une teneur uniforme en matières minérales et organiques et une porosité constante, sa conductivité dépend de façon marquée de la teneur en eau, à cause de la grande différence entre la conductivité thermique de l'eau et celle de l'air. Pour un sol donné, la conductivité thermique tend à augmenter en fonction de la profondeur, à cause de l'accroissement de la compacité du sol et de la diminution de la teneur en air.
La capacité calorifique et la conductivité thermique sont souvent réunies en un seul paramètre appelé diffusivité thermique. Si la valeur de cette dernière est haute, le sol changera très rapidement de température.
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Chaleur latente de fusion L
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La chaleur latente volumétrique de fusion représente l’énergie qu’il faut fournir à 1m3 de sol pour qu’il passe de l’état gelé à l’état non gelé sans qu’il y ait de changement de température. La chaleur latente d’un sol dépend uniquement de la quantité d’eau par unité de volume dans le sol. Pour 1kg d’eau, la chaleur latente de fusion est de 334kJ.kg-1.
On a donc L = 334.w. ρd [kJ.m-3]
Comme nous avons pu le voir sur le graphique précédent représentant la variation de wu en fonction de la température et du sol, plus un sol a des particules fines, plus la proportion d’eau liée sera importante, même si la température est très basse. Il faudrait donc prendre des valeurs de chaleur latente supérieures. Cependant, celle trouvée par la formule ci-dessus est suffisante pour avoir une bonne approximation.
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- références -
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méthode ouverte
